安全监测成果分析老挝南欧江六级电站复杂地质水文条件的厂房边坡施工期的变化

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  中国水利水电建设工程咨询西北有限公司
  摘要:南欧江六级电站厂房边坡地质条件复杂且降雨期长,施工期间,多次发生险情,并发生一次导流洞出口塌方,通过安全监测,对边坡变形动态地及时监测和预报,避免或减少工程损失,保证了工程施工顺利,根据监测成果分析,为了解厂房边坡的稳定性,进行安全评价及边坡支护方案的调整提供了重要依据和有力支持。
  关键词:安全监测;成果分析;南欧江六级电站;复杂地质水文;厂房边坡;变化
  1 工程概况
  南欧江六级电站位于老挝丰沙里省境内,是南欧江流域由下游自上游开发的第六个梯级电站。工程等别为二等大(2)型工程,电站由复合土工膜堆石坝、溢洪道、放空洞、导流洞及引水发电系统组成。电站以发电为主,总装机容量180MW,死水位490m,正常蓄水位510m,相应库容4.09×108m3,调节库容2.46×108m3,具有季调节性能。
  发电厂房为岸边式地面厂房,位于左岸,厂房边坡岩性由板岩夹变质粉~细砂岩组成,为斜顺向坡,开挖边坡坡度陡于岩性倾角,存在顺层滑动破坏的可能,边坡稳定条件差,而边坡稳定对厂房施工期和运行期的安全至关重要。
  厂房边坡紧靠导流洞出口边坡,导流洞出口边坡在施工过程中,于2013年5月发生塌方,引起导流洞出口和厂房边坡产生了较大的变形开裂现象,在此之后,根据监测情况,导流洞出口和厂房边坡为不稳定边坡,必须采取工程处理措施,才能确保边坡安全。根据边坡监测数据和计算结果,采取了削坡减载、预应力锚索、锚拉梁等工程处理措施,与此同时,开展了对边坡稳定性的监测工作。
  2 监测设计
  该项工程监测点布置的基本原则是:综合考虑工程岩体受力情况和地质结构特征,并重点布置在最有可能发生滑移,对工程施工及运行安全影响最大的部位。由于厂房边坡的监测工作是在发生塌方之后进行的,为了监测在清坡、削坡和加固处理过程中边坡的稳定性,监测仪器的埋设是随着边坡开挖支护工程的进展情况而实施。目前边坡已支护完成,整个厂房边坡监测工作可划分为三个部分,即EL.511m以上边坡、厂房边坡和导流洞出口边坡。根据工程地形、地质、加固处理措施及监测情况等条件,边坡监测重点以变形、支护效应为主。
  1)表面变形监测:在边坡开口线、各级马道上布置了表面变形监测点,采用极坐标法监测边坡表面的水平位移和垂直位移,共布置变形观测墩14个,临时表观点2个。
  2)深部变形监测:深部变形主要采用测斜孔,在525m高程马道布置了3个测斜孔,490m高程马道布置了2个测斜孔。
  3)支护效应监测:根据边坡的支护措施,主要对锚索的加固效果进行监测,共布置了11台锚索测力计。
  通过上述监测设施对厂房边坡浅部、深部变形以及支护措施实施后的边坡稳定情况进行持续监测,及时了解厂房边坡变形的时间、空间分布规律,为边坡的稳定性评价及动态调整支护措施提供了参考依据。
  3 监测成果分析
  3.1 EL.511m以上边坡
  1 表面变形监测
  511m高程以上边坡自加固处理以来,边坡变形速率随着加固荷载增加而降低,但位移趋势不变,降雨影响较明显;分析如下:
  该边坡自2013年5月开始出现变形,2013年6~8月雨季中,各测点变形有所加速,水平位移平均速率为3.9mm/d,垂直位移平均速率为3.1mm/d,2013年9月初515m、520m高程两排锚拉梁施工后,变形速率有所减缓,2013年9~11月份水平位移平均速率为1.2mm/d,垂直位移平均速率为0.8mm/d,2013年12月13日~16日连续强降雨后,变形速率又进一步增大,水平位移速率增至1.4mm/d,垂直位移速率增至1.2mm/d,2013年12月底526m高程锚拉梁张拉后,该区域边坡变形速率又有所降低,2014年1~3月份水平位移平均速率为0.6mm/d,垂直位移平均速率为0.1mm/d,进入4月份随着雨季的到来,边坡变形速率又有所回升,水平位移平均速率为1.5mm/d,垂直位移平均速率为1.3mm/d。该区域边坡水平变形速率接近垂直变形速率,各测点的水平合位移明显大于或接近垂直位移,水平合位移方向大致相同,说明510m高程以上边坡属整体移动,且没有收敛的趋势,如图1所示。
  图1 不同高程典型水平合位移-时间过程曲线
  2 深部变形监测
  利用测斜孔监测边坡内部变形情况,它能及时发现滑动面的出现、确定滑动面的位置和监视滑动面的发展及稳定性等。通过位移深度关系曲线,清晰地反映了测孔岩体内部沿钻孔深度的水平位移,由于边坡处于变形状态,525m高程三个测斜孔均在埋设后几天就出现明显滑动带。
  525高程马道CBP-IN-01(R)测斜孔在2013年7月21日开始观测,由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-01(R)测斜孔在地表以下7~34m(491~518m高程)存在位移波动;孔口位移变化情况为:2013年9月初515m、520m高程锚拉梁张拉前,孔口顺坡向位移速率较快,为3.27mm/d,张拉后2013年9~11月份位移平均速率为1.12mm/d,12月份为1.75mm/d,2013年年底526m高程锚拉梁施工后,2014年1~3月份位移平均速率为0.36mm/d,进入4月份随着雨季的到来,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为1.64mm/d。由累计位移-深度曲线看,孔口至孔深8m范围内各测点位移接近一致(表现为铅直线段),表明该段岩体沿滑动面整体移动。近期测孔顺坡向位移变化速率有所增大,从相对位移-深度曲线看,主要是孔深31.5~33m处位移增大引起。
  CBP-IN-02(R)测斜孔在2013年7月20日开始观测,在锚拉梁张拉前,孔口向河床位移平均速率为2.96mm/d,2013年9月张拉后位移速率为0.52mm/d;由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-02(R)测斜孔在地表以下11~28m(497~514m高程)存在位移波动;孔深14.5m处位移变化较大,比孔口累计位移量大,与该处的地质条件有关,依据孔内摄像和施工情况,当时钻孔至15m时就出现地下水,13~15m孔壁较破碎,有掉块、空洞现象,说明该处存在软弱构造带。由于该孔变形大,探头无法正常下放到孔底,至2013年10月份停止观测。2014年4月在原测孔旁重新钻孔安装一套测斜管,于4月18日起测,由相对位移-深度曲线知,新孔主要位移变化区域在18~38m,位移错动最大部位在孔深26.5m处,目前该孔有顺坡向位移的趋势,孔口顺坡向位移为8.49mm。   CBP-IN-03(R)测斜孔在2013年11月19日开始观测,由相对位移-深度曲线知,CBP-IN-03(R)测斜孔在地表以下7.5~34m(491~517.5m高程)存在位移波动,其中孔深7.5~10m和23~30m为主要位移变化区域,孔深24、29m相对位移分别为6.83/10.05/16.87mm、5.56/7.85/12.50mm(比较时间为:2013.12.25/2014.2.26/2014.4.25),可见位移仍有增大趋势;该孔取芯情况为:0~11.7m为粘土,11.7m见岩石,11.7~35m岩芯破碎,取芯率较低,其中在16.8~21m、21~23m和31~33m岩芯中夹有细砂,26~28m岩芯中存在夹泥层,35~44m岩芯相对完整;实测数据和岩芯对比看,测孔位移主要是岩芯中夹的细砂引起。孔口位移变化情况为:2013年11~12月份位移平均速率为1.37mm/d,2013年年底526m高程锚拉梁施工后,2014年1~3月份位移平均速率为0.37mm/d,进入4月份随着雨季的到来,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为1.09mm/d。由累计位移-深度曲线看,该测孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移时间过程线看,目前该孔位移增大主要是孔深23~30m处错动较大引起。
  图2 525m高程CBP-IN-03(R)测斜孔位移-深度曲线
  3 预应力锚索监测
  2013年8月2日520m高程锚拉梁22根预应力锚索张拉完毕,其中设置了两台锚索测力计,监测锚索CBP-PR-01(R)测点锁定荷载为946.7kN,锁定后荷载一直处于增长的状态,荷载最大达1217.5kN,2013年10月18日锚索荷载突然减小,目前为287.7kN;监测锚索CBP-PR-02(R)测点锁定荷载为932.9kN,锁定后荷载先缓慢衰减后处于增长状态,荷载最大达1088.3kN,2013年10月16日锚索荷载大幅降低,目前为32.8kN,已处于自由状态。
  现在520m高程两台监测锚索基本无锚固效果,荷载快速降低,应是边坡变形影响下,锚索内锚固段松动引起,也表明锚固段岩体相当复杂。从目前情况看,520m高程其余锚索有可能也发生了类似情形,该排锚索对边坡的锚固作用可能已降低。
  515m高程监测锚索CBP-PR-03(R)于2013年9月1日安装,锁定荷载为1024.7kN,目前荷载为869.0kN,预应力损失155.8kN,损失率为15.2%,该锚索锁定后荷载一直处于缓慢衰减的状态。在变形体内的锚索如果锚头锚固在不动或基本不动的岩体上,则因堆积体变形锚索拉长而增加荷载,而该锚索所在部位堆积体产生了变形,锚索荷载在经卸荷后不但不增加,甚至还会减少,造成这种情况可能为:①因钻孔深度不够,锚头没能锚固在不动或基本不动的岩体上,②内锚固段岩体质量差,岩石破碎。
  由于520m 高程锚索荷载降低,于2013年12月底在526m高程新增一排锚索,其中设置了一台监测锚索,该锚索锁定荷载为1141.9kN,目前荷载为1311.8kN,较锁定时增加了169.8kN,荷载变化曲线见图3;该测点自2014年3月下旬起荷载增速较快,为4.4kN/d,目前荷载量已接近锚索过载量,在边坡变形持续下,可能会发生锚索拉断情况。该锚索在锁定后30天内荷载有所衰减(74.2kN),之后缓慢增加,该锚索荷载衰减原因与地质情况和施工有关,由于边坡堆积体属弹塑性材料,存在空隙,监测锚索张拉时使岩土体压缩,但当应力释放时所产生的变形不能够完全恢复,同时张拉周围锚索时,引起受荷区进一步压缩变形,使得先前已张拉监测锚索预应力产生进一步损失,说明该区域岩土体较松散。
  图3 526m高程锚索荷载-时间关系曲线图
  3.2 厂房边坡
  1 表面变形监测
  470m高程CBP-TP-03测点于2013年5月18日建立,该测点从起测至9月下旬水平位移变化速率较快,为1.9mm/d,2013年9月下旬454~470m高程两排锚索张拉后,该测点位移得到了有效抑制,变化速率接近于零,处于稳定状态,2014年2月中旬厂房基坑和引水支管开挖,受施工影响,促使该测点位移变化速率又有所回升,其水平位移变化速率为2.1mm/d,垂直位移变化速率为0.8mm/d。470m高程CBP-TP-10(R)、CBP-TP-03(XZ)和490m高程CBP-TP-07(R)测点的变化规律和CBP-TP-03测点一致,目前其水平位移平均变化速率为1.9mm/d,垂直位移平均变化速率为0.9mm/d。这四个测点位于厂房1#、2#引水支管上方,其主位移方向基本一致,表明该区域位移属整体移动。
  470m高程马道下游侧、厂房安装间上方的CBP-TP-11(R)测点位移变化量不大,水平合位移为31.6mm,垂直位移为7.6mm。
  2 深部变形监测
  490m高程CBP-IN-04(R)测斜孔在2013年11月21日开始观测,由相对位移-深度曲线知(图2-10),该测斜孔在孔深3.5处有一错动带,最大错位为20.39mm(2014年2月23日),现该错动带基本处于稳定,目前孔深19.5~22.5m(467.5~470.5m高程)存在的位移波动,是主要位移变化区域,孔深20.5、22m相对位移分别为-2.04/-7.63/-9.59mm、2.12/6.71/12.54mm(比较时间为:2013.12.25/2014.2.26/2014.4.25)。孔口位移变化情况为:2013年11~12月份位移平均速率为0.51mm/d,2014年1~3月份位移平均速率为0.09mm/d,进入4月份随着雨季的到来,边坡内部变形速率又有所回升,位移平均速率为0.35mm/d。由累计位移-深度曲线看,该测孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移时间过程线看,目前该孔位移增大主要是孔深19.5~22.5m处错动增大引起。   3 预应力锚索监测
  厂房边坡470m~490m高程张拉了34根锚索,设计荷载为1000kN,其中安装了两台锚索测力计,张拉锁定后荷载缓慢衰减,4个月后达平稳并维持小幅波动状态,预应力损失率最大为5.3%。454m~470m高程边坡张拉了54根锚索,设计荷载为1800kN,安装了四台锚索测力计,锁定后荷载处于缓慢衰减的状态,损失率最大为7.4%。厂房边坡锚索测力计荷载没有因边坡松弛变形而出现荷载增加,估计是预应力锚索长度不够。
  3.3 导流洞出口边坡
  1 表面变形监测
  490m高程CBP-TP-08(R)测点位移较显著,目前其水平合位移为70.0mm,垂直位移为16.7mm。490m高程CBP-TP-09(R)和470m高程CBP-TP-12(R)测点位移量较小。
  2 深部位移监测
  490m高程CBP-IN-05(R)测斜孔于2013年11月24日起测,该孔钻孔取芯情况为:0~2.4m为粘土,2.4~11m岩芯破碎,11~13m岩芯完整,13~17m岩芯较破碎,17~20m岩芯较完整。截止12月16日孔口向河床位移为18.03mm,向下游位移为25.00mm,合位移30.82mm,由图4知,该孔在地表以下11.5m深处出现位移突变,并形成一个0.5m厚的错动带,顺坡向最大错动位移为11.27mm(2013年12月16日),由于错动面(孔深11.5m)的相对位移逐渐增大(图5),致使测斜仪探头在错动面处被卡住,已无法正常到达孔底观测。
  2014年2月23日在原孔附近重新钻孔安装一套测斜管,由相对位移-深度曲线知,该测斜孔在孔深3.0m、11.5m处存在错动带,且有增大的趋势,孔深3.0、11.5m相对位移分别为0.06/2.28/4.55mm、0.14/2.12/3.15mm(比较时间为:2014.2.26/2014.3.26/2014.4.25)。原测孔和新测孔反映的位移情况基本一致,由累计位移-深度曲线看,新孔仍有顺坡向位移的趋势,从相对位移-深度曲线知,目前该孔位移增大主要是孔深3.0和11.5m处错动带位移增大引起。
  图4 490m高程CBP-IN-05(R)测斜孔位移-深度曲线
  图5 490m高程CBP-IN-05(R)测斜孔孔口及11.5m位移-时间关系曲线图
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