白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理开挖松弛特性试验研究

柯传芳，于胜利

(中国长江三峡集团公司 中国三峡建设管理有限公司，成都 610000)

白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理开挖松弛特性试验研究

柯传芳，于胜利

(中国长江三峡集团公司 中国三峡建设管理有限公司，成都 610000)

白鹤滩水电站左岸坝基边坡柱状节理玄武岩出露且易松弛，对边坡安全稳定影响较大。为了解坝基柱状节理玄武岩在爆破开挖后松弛深度的变化规律及发展趋势，以坝基650～660 m高程边坡柱状节理试验区为研究对象，利用声波孔检测不同区域、不同支护条件下岩体松弛深度。通过分析检测成果得出如下结论：地质条件对柱状节理玄武岩的松弛深度有影响；预应力锚杆在一定时间内能压密松弛岩体，其防松弛作用好于砂浆锚杆。

白鹤滩水电站；柱状节理；开挖松弛特性；声波检测；预应力锚杆

1 研究背景

金沙江白鹤滩水电站左岸坝基边坡670 m高程以下出露柱状节理玄武岩，是该水电站的主要工程地质问题之一，此现象在坝基岩体工程中极为少见[1]，备受当前国内水电行业的专家关注。石安池等[1]对影响柱状节理玄武岩岩体变形特性的因素和变形性能各向异性的原因作了工程介绍和解释说明；徐卫亚等[2]、孟国涛[3]、郑文棠等[4]对采用数值方法在确定白鹤滩柱状节理岩体本构关系、参数取值等方面进行了较深入的研究，并对坝基工程稳定进行了分析；王红彬等[5]利用钻孔摄像和声波测试分析了柱状节理岩体的开挖卸荷后松弛特性。

上述研究对柱状节理岩体自身特性进行了各方面的探讨，但并未分析实际施工过程中柱状节理岩体松弛深度的变化规律。本文以左岸坝基650～660 m高程柱状节理试验区边坡为背景，通过分析不同区域柱状节理玄武岩在无、有支护及砂浆锚杆支护、预应力锚杆支护等条件下的松弛深度检测成果，对有无支护及不同支护条件下柱状节理玄武岩松弛深度变化规律及发展趋势进行了总结，其结论可为类似工程提供资料参考[5]。

2 地质概况

白鹤滩水电站左岸坝肩稳定影响较大的有层间错动带C3,C3-1以及断层F17、裂隙f108。 C3在左岸坝基面出露，高程为790 m左右，产状NE 35°～50°，SE∠15°～20°[6]，宽度 30～50 cm，为凝灰质角砾岩夹层，C3,C3-1穿过坝肩上游边坡、坝基和坝肩下游边坡；F17为NE向陡倾角构造断层，斜切坝肩上游边坡、坝基和坝肩下游边坡(见图1)。

坝基边坡高程665.0 m以下为P2β3层第一类柱状节理玄武岩[7]，柱体直径13～25 cm，柱体内微裂隙发育，易松弛，该层厚度约55 m，且受柱状节理层内错动带LS3319,LS3319-1等密集分布的影响，层内错动带产状变化大，错动带起伏，倾角变化也较大。建基面开挖揭露时以干燥为主，仅沿断层、层间层内错动带等地质构造发育部位潮湿或渗滴水。地下水以基岩裂隙水的形式赋存，埋深较大，分布在建基面以下。

3 柱状节理试验区检测孔布置

坝基高程650～660 m范围柱状节理玄武岩为试验区。为对比不同围岩类别及不同支护情况下坝基柱状节理玄武岩松弛情况，将试验区分为A，B，C区。A区无支护；B区保护层2 m内无支护，2 m以下为砂浆锚杆支护，锚杆长6 m；C区采取预应力锚杆支护，锚杆长9 m，保护层2 m段杆可拆卸。A，B，C 3个试验区分别布置有11，10，13个(共34个)松弛声波检测孔(见表1)，声波检测孔具体区域布置情况见图2。

表1 柱状节理玄武岩试验区声波检测孔布置情况

图2 声波检测钻孔布置Fig.2 Layout of acoustic detection boreholes

4 柱状节理试验区声波检测成果

4.1 试验A区声波检测成果

截止2015年7月26日，试验A区松弛深度汇总如表2所示，试验A区11个孔松弛深度范围为0.1～1.9 m，平均松弛深度0.83 m，其中有5个孔松弛深度>1.0 m，有5个孔松弛深度<0.3 m。

试验A区大部分位于层间错动带LS3319下盘，松弛深度总体较小，爆破开挖后4个月时间内A区松

表2 试验A区松弛深度汇总(无支护)

注：A2-3松弛深度成果截止至2015年5月18日

弛深度没有变化。2015年4月19日A1区有4个孔松弛深度受现场施工环境影响增加0.6～1.8 m， 1个月后松弛深度基本稳定。其余孔松弛深度无变化，松弛深度长期观测值基本稳定(见图3(a))。A2区6个孔松弛深度在整个检测过程中基本无变化，平均松弛深度为0.53 m，长期观测值基本稳定(见图3(b))。

图3 试验A1和试验A2区松弛深度历时曲线Fig.3 Time-history curves of relaxation depth intest area A1 and A2

4.2 试验B区声波检测成果

试验B区10个孔松弛深度汇总如表3所示，松弛深度范围为1.1～4.2 m，平均松弛深度3.17 m。从首次测试至2015-07-26历时244 d， B1-1孔松弛深度增加了0.4 m，松弛深度时间效应不显著；其余各孔松弛深度增加了1.1～4.2 m(B2-2)，松弛深度时间效应显著。

表3 试验B区松弛深度汇总(砂浆锚杆支护)

注：B1-1，B2-3，B2-4松弛深度成果截止至2015年7月5日

B1区爆破开挖后立即进行砂浆锚杆支护，次日测试的松弛深度不大(0.1～1.2 m)；松弛深度增大主要发生在2014-12-13至2014-12-25 高程650～635 m爆破开挖期间(即B1区域爆破开挖后的32 d以内)，松弛深度增加了0.4～3.0 m；随后岩体松弛情况基本稳定(见图4(a))。

B2区爆破开挖后立即测试松弛深度小，在0.1～0.2 m之间；松弛深度增大主要发生在2014-12-03至2015-01-06高程650～628 m爆破开挖期间(即其爆破开挖后的44 d内)，松弛深度增加了1.0～4.1 m；随后岩体松弛情况基本稳定(见图4(b))。

图4 试验B1和试验B2区松弛深度历时曲线(支护后)Fig.4 Time-history curves of relaxation depth intest area B1 and B2(after support)

4.3 试验C区声波检测成果

试验C区13个钻孔松弛深度汇总如表4，弛深度范围为1.6～4.3 m，平均松弛深度2.84 m。从爆后至2015-07-26，历时234 d，C1区的C1-1，C2-2，C2-4松弛深度增加了0.2～0.6 m，松弛深度时间效应不明显；其余钻孔松弛深度增加了1.4～3.6 m，松弛深度时间效应显著；孔C1-6，C1-7，C2-6从2月份开始测试的孔松弛深度在1.9～2.6 m。

表4 试验C区松弛深度汇总(预应力锚杆支护)

注：C2-5松弛深度成果截止至2015年5月1日

C1区爆破开挖后立即测试(C1-6,C1-7除外)的松弛深度较大，为1.0～2.2 m；松弛深度增大0.2～2.2 m，主要发生在2014-12-05至2014-12-28 高程650～628 m爆破开挖期间(即其爆破开挖后的29 d)；随后岩体松弛情况基本稳定(见图5(a))。

C2区爆破开挖后立即测试的松弛深度为0.4～1.2 m；松弛深度增大0.5～3.6 m，发生在2014-12-05至2015-01-16高程650～628 m爆破开挖期间(即其爆破开挖后38 d内)；随后岩体松弛情况基本稳定(见图5(b))。

图5 试验C1区和试验C2区松弛深度历时曲线(支护后)Fig.5 Time-history curves of relaxation depth intest area C1 and C2(after support)

5 柱状节理试验区声波检测成果分析

5.1 无支护条件下松弛深度影响分析

无支护条件下试验A区松弛深度最小，平均松弛深度0.83 m,远小于试验B区(3.17 m)和C区(2.84 m)的松弛深度。

分析原因为试验A区位于LS3319层内错动带下盘，靠近坝肩槽上游边坡(嵌固作用)，松弛程度较小；试验B区和C区位于LS3319层内错动带上盘和LS3323层内错动带下盘，靠近坝肩槽下游边坡，而下游侧山体较为薄弱，坝基和边坡下挖临空面范围大,受错动带影响整体松弛程度较大。

5.2 不同支护条件下松弛深度影响分析

试验B区爆破开挖后立即采取砂浆锚杆支护，次日测试的松弛深度不大，B1区在0.1～1.2之间，B2区在0.1～0.2 m之间。受附近梯段爆破开挖影响，B1，B2区不同时期均出现异常增大的现象；爆破开挖结束后，松弛深度情况基本稳定，砂浆锚杆防松弛作用不明显。

试验C区松弛深度在预应力锚杆安装后初期有所减小：C1-1钻孔在预应力锚杆安装后7 d，松弛深度为2.2 m，锚杆安装后11 d松弛深度降为0.2 m；C1-2钻孔爆破后松弛深度为1.4 m，锚杆安装后3 d测试松弛深度降为0.2 m；C1-3钻孔爆破后松弛深度为1.9 m，锚杆安装后3 d测试松弛深度降为0.2 m；C1-4钻孔爆破后松弛深度为1.5 m，锚杆安装后3 d测试松弛深度降为0.4 m。检测成果显示预应力锚杆在支护初期一定时间内能起到一定的防松弛作用，但随着时间的延续，松弛深度和程度继续增加，防松弛作用降低。

基于上述分析，由试验B区和C区平均松弛深度(分别为3.17,2.84 m)可得：砂浆锚杆防松弛作用差于预应力锚杆。

6 结 论

基于上述分析结果，得出结论如下:

(1) 无支护条件下试验A区松弛深度最小，平均松弛深度0.83 m；砂浆锚杆支护条件下，试验B区平均松弛深度为3.17 m；预应力锚杆支护条件下，试验C区平均松弛深度为2.84 m。

(2) 无支护条件下，柱状节理玄武岩松弛深度主要受地质条件影响。

(3) 不同支护条件下，砂浆锚杆防松弛作用差于预应力锚杆，建议在对柱状节理玄武岩体进行支护时，应选择预应力锚杆作为主要支护措施。

[1] 石安池，唐鸣发，周其健.金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体变形特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(10)：2079-2086.

[2] 徐卫亚，郑文棠，宁 宇,等．柱状节理坝基岩体三维各向异性数值计算[J]．岩土力学，2010，31(3)：949-955.

[3] 孟国涛．柱状节理岩体各向异性力学分析及其工程应用[D].南京：河海大学，2007.

[4] 郑文棠．不规则柱状节理岩石力学及在高边坡坝基岩石工程中的应用[D]．南京:河海大学，2008.

[5] 王红彬，郝宪杰，李邵军，等.白鹤滩柱状节理岩体几何结构特征与卸荷松弛特性分析[J].土工基础，2015，29(3)：84-87.

[6] 严 鹏，邹玉君，卢文波,等.基于爆破振动监测的岩石边坡开挖损伤区预测[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35(3):538-548.

[7] 吴 刚，王 敏.柱状节理玄武岩爆破开挖现场试验研究[J].水电与新能源，2015，129(3)：5-10.

(编辑：刘运飞)

Characteristics of Excavation-induced Relaxation of Columnar JointedBasalt in the Left Bank Dam Foundation of BaihetanHydropower Station

KE Chuan-fang, YU Sheng-li

(Three Gorges Construction Management Co., Ltd., China Three Gorges Corporation, Chengdu 610000, China)

Columnar jointed basalt rock masses are exposed and easily relaxed on the left bank dam foundation of Baihetan hydropower station, posing large influence on the safety and stability of slope. In the aim of obtaining the variation rule and development trend, the relaxation depth of columnar jointed basalt in different areas under various support conditions was detected using acoustic detection technology. The area at elevation 650-660m of the dam foundation slope was selected as the test area. According to detection results, the relaxation depth of the columnar jointed basalt is affected by geological condition; pre-stressed anchor could prevent the rock mass from relaxation by compacting it, and the effect is better than that of mortar anchor.

Baihetan hydropower station; columnar jointed; excavation-induced relaxation; acoustic wave detection; pre-stressed anchor

2016-03-07；

2016-05-11

柯传芳(1987-)，男，江西瑞昌人，工程师，硕士，研究方向为大坝安全监测，(电话)0834-2675143(电子信箱)kechuanfang2009@163.com。

10.11988/ckyyb.20160184

2017,34(6):128-131

TV542

A

1001-5485(2017)06-0128-04