三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究 2010年08月19日 三峽永久船閘高邊坡巖體長期變形與穩(wěn)定研究 孫鈞 （同濟大學） 摘要：三峽工程永久船閘高邊坡巖體開挖后的長期變形與持續(xù)穩(wěn)定控制是工程的關鍵技術之一，為此，進行的研究工作包括一些非常規(guī)巖石力學試驗以及對邊坡巖體外露表面和淺部巖幫進行變形監(jiān)測，進而采用DEM、DDA等多種方法，按三期空間問題進行計算分析。一些重要的結(jié)論和建議對

2、設計與施工都是很有幫助的。 關鍵詞：高邊坡巖體；變形；穩(wěn)定；三峽工程 1 工程概況 三峽水利樞紐工程規(guī)模宏偉，技術復雜，居世界之最。其中永久船閘高邊坡巖體開挖后的長期變形與持續(xù)穩(wěn)定性控制是工程的關鍵技術之一。三峽永久船閘系上下行分設的雙線五級船閘，五級船閘段的總長約1600m，連同上下游引航道全長達6456m，船閘閘室的凈寬為34m，閘室之間保留有60m寬的中隔墩。人工深挖山體土石方4 166萬m3，垂直邊坡最高達176m，一般也在50120m左右，屬高、陡邊坡巖體，其持續(xù)穩(wěn)定性和長期變形量的大小需要確切論證。 邊坡巖性主要屬閃云斜長花崗巖，新鮮巖體堅硬致密，完整性較好，中間夾有多處巖脈和捕虜

3、體顯露；表層風化殼較厚，其底板受地形和構(gòu)造控制，起伏比較大，自上而下分別為全、強風化，中風化（放坡開挖部分）和弱風化以及微、新巖體（直立墻閘室部分）。部分巖體結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙較發(fā)育，閘室區(qū)發(fā)現(xiàn)有小尺度的斷層 77條，其中走向與船閘軸線交角 30°的兩組分屬NWW和NEE組，構(gòu)造巖膠結(jié)較差，對邊坡穩(wěn)定不利。 觀測資料表明，上層地下水位于弱風化帶內(nèi)，屬季節(jié)性裂隙孔隙水，對降雨反映敏感；中下層地下水屬裂隙水，滲透性弱，日后受庫水補給影響，呈動態(tài)變化。除少數(shù)斷續(xù)性裂隙密集帶外，多數(shù)出水點均沿單個結(jié)構(gòu)面或巖脈接觸面出露，便于疏排。 邊坡開挖以后，巖體應力重新分布，且在開挖爆破的動力作用下，在坡

4、幫巖體內(nèi)將形成卸荷松弛帶和塑性屈服區(qū)，這些都對巖坡的穩(wěn)定與變形發(fā)展不利。 在船閘邊坡和閘室?guī)r體開挖施工中，成功地運用了光面爆破和預裂爆破技術，最大限度地減少對坡幫和閘面巖體的擾動；同時，閘室?guī)r壁采用高強預應力錨索和系統(tǒng)錨桿錨固，其用量分別超過4000束和逾10萬根。從巖體內(nèi)埋設的1500多件各種儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，高邊坡巖體總體上保持了較好的穩(wěn)定態(tài)勢。 2 研究內(nèi)容和重要性 船閘建筑物是深置于天然巖體內(nèi)的巨型石室，巖體是賦存于大地應力場作用下經(jīng)歷億萬年地殼運動變化的復雜地質(zhì)體。通過選址詳勘和反復論證，三峽巖體的整體持續(xù)穩(wěn)定是有保證的；但經(jīng)施工開挖擾動，巖體淺部地應力釋放而卸荷松弛，在開挖面以內(nèi)

5、一定深度范圍的地應力將重新再分布為二次應力場，并沿坡面和閘室?guī)r壁產(chǎn)生隨時間增長變化的內(nèi)空收斂變形。同時，在施工期間或以后還有可能導致巖幫局部失穩(wěn)塌落，因而需要對巖面作錨固、注漿處理，這些都是研究工作的主要內(nèi)容1。 眾所周知，巖體邊坡工程的設計、施工和日后運營安全均有賴于對上述巖體的強度、變形和穩(wěn)定性等方面的深刻認識，進而作出相應的分析和評價。 巖體開挖后其變形增長總體上可區(qū)分為：開挖瞬間產(chǎn)生的彈性（或彈塑性）變形；由分步開挖應力和變形逐次釋放產(chǎn)生的時效變形，含巖體的早期流變；以及開挖完成后仍需經(jīng)歷長時間持續(xù)發(fā)展的后期流變。巖體流變包括蠕變、應力松弛及長期強度衰減。此外，考慮到邊坡巖體的巖層走向

6、與閘室縱向軸線有一定的交角，以及巖體內(nèi)的多組主干斷裂和坡內(nèi)井、洞交叉的實際受力條件，需要按三維空間進行計算，進而綜合上述的變形時效，即所謂邊坡巖體分析的時空效應問題。 由于閘室?guī)r壁的變形收斂情況，包括完成收斂的時間及其收斂值的大小，都直接關系到閘室現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯和安裝鋼閘門的工期（要求在變形基本收斂穩(wěn)定以后進行）；其變形位移的量值如果過大，還將影響日后鋼閘門的啟閉，故而研究成果對指導閘室襯砌結(jié)構(gòu)和鋼閘門的設計施工都具重要的工程價值。 3 實驗、監(jiān)測 在各個不同的勘測、設計階段，三峽工程巖體除完成了大量的室內(nèi)巖石力學常規(guī)力學參數(shù)（含坡幫卸荷帶內(nèi)相應值的變異）實驗和巖樣流變實驗以及現(xiàn)場測試工作

7、以外，由于以上研究工作的需要，還進行了各項非常規(guī)巖石力學試驗，諸如2： （1）利用附設有加載臺的高倍掃描電鏡，對巖體的細觀時效損傷特征及其CT識別和損傷力學行為進行細觀實驗； （2）復雜應力狀態(tài)巖體在開挖卸荷條件下的多軸不同卸荷路徑及卸荷破壞試驗； （3）巖樣抗拉全過程的單軸破壞試驗（直接拉伸與劈裂拉伸條件）； （4）飽水巖樣壁裂拉伸時效強度試驗及其長期抗拉強度，等等。 下面談一下船閘邊坡巖體的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果3。 從多年來已經(jīng)進行的對邊坡巖體外露表面和淺部巖幫各測點的變形監(jiān)測以及巖幫裂縫開度的監(jiān)測結(jié)果，可對邊坡變形位移的現(xiàn)狀作如下的初步分析： 控制邊坡巖體變形位移量大小的主導因素是巖體的風化程度

8、和巖幫開挖卸荷擾動帶對初始巖性的削弱。在閘室直立巖壁部分和中隔墩頂部關鍵部位的弱風化帶和微、新巖體中，約60以上測點的累計位移量均20mm，而30mm的則僅占該類巖體總測點數(shù)的10%弱，個別測點的最大位移量約在3548mm之間；而在全風化帶放坡開挖的上層巖坡內(nèi)，則幾乎全部測點的位移量均30mm，它對工程的不利影響不大。 經(jīng)分析認為，閘室?guī)r壁少數(shù)測點變形位移量較大的原因，多半是由于局部的不良地質(zhì)因素所造成的，例如測點落位于斷層、破碎帶所構(gòu)成的塊體之上。因此，少數(shù)局部巖體不良條件對整體工程穩(wěn)定的影響可以排除，閘室直立巖壁和中隔墩頂部巖體累計位移的絕大多數(shù)都在30mm以內(nèi)，這與后述的理論分析計算結(jié)果

9、基本吻合。 閘室開挖落底結(jié)束以后，最近的大量監(jiān)測結(jié)果已證實，巖幫各處的變形位移量值及其增長速率都已急劇變小，有望逐漸趨近于穩(wěn)定的收斂值。 4 理論研討 對船閘高邊坡巖體若干關鍵科學技術問題所進行的應用基礎理論研究，涵蓋了以下方面的主要內(nèi)容1： （1）邊坡巖體施工期地質(zhì)條件的綜合評價； （2）邊坡巖體宏觀力學參數(shù)的仿真模擬計算，地質(zhì)體的構(gòu)造仿真及其應用與檢驗； （3）降雨導致邊坡巖體與閘室?guī)r壁的非穩(wěn)態(tài)滲流及對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)不利的外水荷載研究，地下水對加劇巖體損傷、惡化邊坡穩(wěn)定條件的影響； （4）邊坡巖體的卸荷、失穩(wěn)機理與分析方法； （5）邊坡巖體穩(wěn)定與變形的數(shù)值分析及其粘彈塑性時空效應研究； （6）工

10、程爆破和地震災害對邊坡巖體穩(wěn)定的影響； （7）邊坡錨固作用機理與分析方法； （8）邊坡巖體開挖施工性狀監(jiān)測的位移反演分析及其變形趨勢預測。 在上述應用基礎理論研究方面，通過多年來的工作探索與實踐，取得了以下科學進展： （1）完善了巖體構(gòu)造及其宏觀力學參數(shù)模擬理論，并形成了與之相應的計算機分析系統(tǒng)； （2）在巖體斷裂損傷介質(zhì)分析方面，建立了在巖體斷裂損傷彈塑性模型基礎上的計算機模擬系統(tǒng)，可用于巖體穩(wěn)定安全度的敏感分析； （3）各種非連續(xù)巖體開裂滑動失穩(wěn)模式及其相應的數(shù)值分析方法（如DEM法，DDA法）得到了進一步的實踐采用、拓展和深化，將有助于直接評價并估計巖坡的滑動安全度。此外，還運用塑性力學

11、上下限理論開拓了分形塊體的剛體極限平衡分析方法； （4）對流形元法、自適應有限元法等一些新的連續(xù)介質(zhì)力學方法在巖坡穩(wěn)定與變形研究中得到了初步采用并取得成效，其前景可喜； （5）暴雨引起非穩(wěn)態(tài)滲流場問題的研究有了新的進展，提出了滲流與流變損傷場耦合的力學模型和計算方法； （6）采用新的錨固模型于巖體流變損傷分析，并探討其錨固作用機理，提出了錨固力學微觀機制及其宏觀分析手段； （7）從巖體開挖卸荷條件下的多軸破壞試驗，得到了各種不同卸荷路徑與加荷情況不同的實驗依據(jù)，對飽水巖樣的拉伸時效強度及其長期抗拉強度的上下限閾值，建立了在一定范圍內(nèi)適用的實驗關系式，等等。 5 主要結(jié)論和建議 從已經(jīng)得到的研究

12、成果，對三峽工程永久船閘高邊坡巖體的變形與穩(wěn)定問題可得出以下結(jié)論和建議2： （1）在三軸剛性壓力機上進行了三軸卸荷·全過程破壞試驗，以及模擬邊坡巖體的開挖卸荷情況的試驗結(jié)果表明：圍壓的大小對巖石強度影響極其顯著，試驗得出了閃云斜長花崗巖、微新巖樣卸除側(cè)壓與否其抗壓強度方程的經(jīng)驗關系式。 （2）從已進行的巖樣細觀時效損傷電鏡試驗認定：巖石發(fā)生蠕變破壞的應力水平平均只合單調(diào)加載單軸抗壓強度平均值的86.0%，亦即微新花崗巖巖體的后期（長期）抗壓強度只合短時破壞試驗相應標準值的0.86倍。 （3）在對巖體所作開挖卸荷后的時效損傷分析之后認定：如按當前地應力水平最高約合1316MPa計算，且

13、僅從微新巖石材料的蠕變損傷斷裂的歷時發(fā)展看，由所建議的蠕變損傷演化公式可計算出最終導致閘室段巖體失穩(wěn)塌落的時間，從理論而言約合4.066×1029年。由此可見，船閘閘室段巖體的長期穩(wěn)定性是好的，其持續(xù)安全有足夠保證。 （4）研究中提出并建立了可用于巖質(zhì)邊坡與閘室段巖體穩(wěn)定分析的分形塊體理論。有以下幾點對設計、施工有用的建議意見： 三峽永久船閘高邊坡南、北坡均存在一定數(shù)量的關鍵分形塊體。由于閘室段是直立壁開挖的，故其分形塊的分布在微新巖體的閘室段內(nèi)反而多些，且南坡多于北坡；開挖臨界坡度也是南坡（67.0°）小于北坡（73.9°）。因此，閘室加固（指以錨噴網(wǎng)支護）的重

14、點應該是閘室部分的微新巖體段，且南坡加固程度應高于北坡。上部放坡開挖段由于坡面設計坦平，一般僅需作防風化面層噴混凝土處理。 凸形邊坡不利于巖石穩(wěn)定，閘墻底與底板交會的角隅處巖體還存在一定范圍的壓剪屈服區(qū)和高應力集中，建議將閘室直立段底角隅做成凹圓弧形，這對改善該部分巖體的應力狀態(tài)及其局部穩(wěn)定性都有利。 關鍵分形塊體滑坡幫徑向內(nèi)側(cè)的分布范圍表明，變形影響坡幫內(nèi)的進深有限，區(qū)域深度多在36m以內(nèi)。因此，只要在開挖時加強監(jiān)測和施工中做好地質(zhì)險情跟蹤預報，就可以及時發(fā)現(xiàn)并作適當?shù)腻^固處理，確保施工期和船閘長期運行的安全。 （5）巖體滲流場與損傷場的耦合相互作用，將顯著降低裂隙巖體的強度，惡化并加劇邊坡

15、巖體的失穩(wěn)條件。通過這方面所作數(shù)值模擬計算的結(jié)果，有以下幾點建議： 上、下行船閘閘室段的中央部位、中隔墩上部以及直立巖壁與上面斜坡的交隅轉(zhuǎn)折處，是巖體加固的重點部位，需要提高受滲壓損傷后的巖體強度。 在近地面和邊坡內(nèi)斷裂、破碎帶部分，由于滲流損傷作用明顯，局部地段宜設計成灌漿錨固巖體，既提高巖體強度，又可降低斷裂、破碎巖脈帶的滲透壓力作用。 根據(jù)在施工過程中對開挖卸荷與爆破引起裂隙巖體附加的卸荷損傷與爆破損傷所得的觀測資料，應對現(xiàn)有的閘室段巖體加固設計再作一定的調(diào)整和修改。 （6）對邊坡與閘室段巖體在分步開挖、逐次卸荷條件下進行了各種方法的數(shù)值分析，其目的主要是： 預測巖體各部位位移隨時間的增

16、長發(fā)展，及其后期最終變形位移的收斂穩(wěn)定值，為構(gòu)筑二次內(nèi)襯、安裝鋼閘門及其合適的安裝時間提供依據(jù)與安全保證； 從坡幫各部位應力水平的大小與分布，檢驗巖體的局部穩(wěn)定狀態(tài)及有可能局部失穩(wěn)的部位與其危險程度； 確定坡幫巖體拉剪/壓剪塑性屈服區(qū)的部位、大小和范圍，為錨固設計提供理論依據(jù)。 通過對巖體所作彈一粘彈一粘塑性數(shù)值計算與分析后認為： 開挖后瞬間產(chǎn)生的位移屬彈性變形（占總變形值約14%），不致危及巖體的穩(wěn)定；后期變形的時效增長主要由向下分層分部開挖、逐次卸荷使邊坡巖體應力與變形也都逐次釋放、逐次增大，以及巖體早期蠕變迭加所產(chǎn)生的粘彈性位移。在閘室開挖到位后，這部分的粘性時效變形也已基本完成（它約占

17、總變形位移值的70%左右）；再后，由于巖體后期流變（蠕變形）繼續(xù)增長發(fā)展的變形量占總變形的比值不大（只約合16%左右）。 上述變形能在較短時間（約在全部開挖到位后811個月）內(nèi)收斂到一個穩(wěn)定的最終值?？偟淖冃挝灰屏恐档拇笮∫晭r體所在部位不同而變化，一般以二閘首2020截面閘室與中隔墩頂部處為最大，約合2530mm。這樣，可以認為它并不致影響鋼閘門的啟閉；如果閘門安裝時間適當滯后，例如在巖體開挖到位、錨噴和內(nèi)襯澆筑結(jié)束以后半年以上時間再進行，應該不會有問題。 閘室段巖體塑性區(qū)在其頂部與邊坡段交接處呈拉剪屈服狀態(tài)，自坡幫向內(nèi)（和在中隔墩內(nèi)）延展約深58m；在閘室直立壁底端與底板交接處以及中隔墩底端

18、則均呈壓剪屈服狀態(tài)，自坡幫向內(nèi)延展約深68.5m。這些部位的巖體應是錨固的重點。所述巖幫塑性區(qū)的大小、范圍與延展深度則是制定錨固支護諸參數(shù)的主要依據(jù)。 巖體的流變主要表現(xiàn)在發(fā)育的節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是幾處斷裂、破碎帶內(nèi)，以剪切流變?yōu)橹鳌@些流變顯著發(fā)展的部位，應作及時的二次高壓灌漿加固。 由于微新巖體的抗壓、抗剪強度值都很高，而地應力水平則相對較低，經(jīng)開挖后坡幫二次應力場調(diào)整的變化值亦多在允許范圍之內(nèi)。所以，巖體的失穩(wěn)一般不受應力水平與巖石強度的控制，而主要取決于幫面附近隨機塊體、定位或半定位塊體及其與開挖后臨空面的不利組合而造成的局部掉塊或塌落。因此，加強施工監(jiān)測，控制爆破藥量與優(yōu)選爆破作業(yè)方式以及及時加固處理等等應是控制巖體局部失穩(wěn)的主要手段。研究認為，做好以上各點，閘室段巖體開挖后的穩(wěn)定性是有保證的。 （7）建議對后述若干問題繼續(xù)開展深化研討4 邊坡巖體的長期變形今后是否收斂