白鹤滩拱坝左岸坝基变形特征及机理分析
吴家耀 陈浩 徐建荣 周勇 孟国涛
摘 要：白鹤滩水电站左岸拱坝坝基边坡地质条件复杂，坝基边坡内发育的缓倾坡外的层内错动带、反倾坡内的断层和柱状节理玄武岩是开挖边坡变形响应的重要影响因素。在分析现场监测数据基础上，对白鹤滩左岸拱坝坝基630 m高程以上的剪切变形特征及机理进行了分析研究，采用离散元程序UDEC再现了层内错动带LS3319的剪切变形特征，并对左岸拱坝坝基630 m高程以下的开挖响应特征进行了预测。结果表明：630 m高程以上坝基开挖过程中顺坡向缓倾层内错动带LS3319在开挖面坡脚部位出露前后，对坡脚局部应力场产生较明显的影响，其上下盘岩体表现出不同的变形特征，错动带上盘部分岩体首先出现应力增大或集中现象，随着开挖面下移直至错动带出露，出现开挖卸荷引起的岩体松弛;630 m高程以下受层内错动带LS331影响产生剪切变形，上盘浅层岩体出现卸荷松弛。错动带剪切变形主要发生在错动带的坝基面开挖揭露过程中，变形量值主要受赋存地应力条件、结构面参数和产状等因素控制。
关键词：拱坝坝基;剪切变形;层内错动带;变形机理;白鹤滩水电站
中图分类号：TV642.4+6 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.027
Abstract：
The geological conditions of the left bank arch dam foundation of Baihetan Hydropower Station are complex. The dislocation interface with gentle inclination， the anti-dip fault and the columnar jointed basalt are the main important factors which influence the deformation response during excavating the slope. The shear deformation characteristics and mechanism of the left bank of Baihetan arch dam foundation were analyzed based on the monitoring data. The characteristics of shear deformation of the dislocation interface LS3319 was reproduced by UDEC. The calculation results show that during the excavation process of the dam foundation above E.L. 630 m， LS3319 has a significant influence to the local stress status of the slope before and after it"s exposed in the excavation surface. The rock mass of the upper and lower parts of LS3319 reveals different deformation characteristics; the stress will be concentrated in the upper part firstly and then unloading and relaxation during the excavation surface bench down. Below E.L.630 m， the shear deformation will also occur due to the influence of dislocation interface LS331， rock mass of the upper part of LS331 will behave as relaxation at the same time. The shear deformation of the dislocation interface mainly occurs during the excavation and exposure process of dam foundation surface and the magnitude of the shear deformation mainly is controlled by in-situ stress conditions， mechanical parameters and occurrence of dislocation interface.
Key words：
arch dam foundation; shear deformation; dislocation interface; deformation mechanism; Baihetan Hydropower Station
我國西南地区在近年来有不少大中型水电站项目在建或完建，该地区地形地貌的特殊性以及受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，在内外动力地质作用下，河谷下切深度较大[1]。在深切河谷中修建200～300 m级的高坝，对坝基岩体质量的要求非常高，不可避免对边坡开挖，使坝基岩体质量满足设计要求。由于地质条件的复杂性，结构面、断层发育，地应力量值水平高，坝基边坡在开挖后应力重新分布，在自重和构造应力作用下，沿缓倾结构面发生局部和整体变形，导致边坡失稳，从而严重影响工程进度、威胁人员安全，因此研究缓倾结构面对高陡边坡变形的影响机制，及时消除边坡失稳产生的潜在危害意义重大，又可为边坡失稳预测和加固措施的拟定提供参考依据。
随着工程地质学科计算理论以及计算机科学的发展，岩质高边坡的稳定性分析从最早的基本地质力学模式分析边坡破坏[2]，到采用土力学的极限平衡理论开展稳定分析和失稳预测，再到采用有限元、有限差分、离散元等数值分析手段对边坡变形和破坏过程的全过程仿真[3-7]，使工程地质分析和近代岩石力学理论紧密结合在一起。数值分析手段可以再現边坡破坏过程、内部作用机制、边坡变形机理，从而了解边坡稳定的发展过程。沈华章等[8]、李宁等[9]、宋胜武等[10]对有关高陡岩质边坡稳定性进行了分析，指出了潜在的滑裂面，并提出了相关的加固措施;徐卫亚等[11]通过反分析得到岩体计算参数，研究了顺层岩质高边坡的滑塌成因和加固处理措施;徐奴文等[12]采用数值模拟与微震监测方法研究了卸荷作用下顺层岩质边坡的破坏机制。有限元法受有限元网格的制约，一般采用简化假设理论来研究变形机理，当边坡存在断层、层间层内错动带、节理裂隙等不利地质构造时，有限元方法不能很好地反映沿结构面的不连续变形特征，而离散元方法可以较为真实地反映不连续结构面的变形机制。
针对白鹤滩水电站左岸坝基在开挖过程中出现的边坡变形响应，本文基于坝基地质条件和监测数据，采用离散元软件UDEC/3DEC对坝基630 m高程以上的剪切变形机理进行研究，再现坝基边坡开挖至630 m高程时缓倾坡外的层内错动带LS3319的剪切变形特征，并对坝基后续开挖过程中的响应特征进行了预测，以期为制定坝基工程处理措施提供参考。
1 工程概况
白鹤滩水电站位于四川省宁南县与云南省巧家县交界处的金沙江下游，设计正常蓄水位为825 m，坝顶高程为834 m，混凝土双曲拱坝坝高289 m。坝区地层为单斜构造，左岸属于斜顺向坡，岩层产状为倾向南偏东40°～50°，倾角为15°～20°，倾向上游偏右岸，岩层走向与河流流向约45°斜交，岩层产状对左岸边坡稳定较为不利，其中发育于玄武岩岩层中的层间（内）错动带产状与岩层产状基本一致，且性状较差，在坝基边坡670 m高程以下出露的柱状节理玄武岩、错动带是边坡稳定的控制性因素。左岸坝基边坡以构造应力为主，最大水平主应力为10 MPa，靠近河床部位受应力集中带影响，初始地应力呈增大趋势。坝基开挖面的水平和垂直埋深为30～250 m，在缓倾坡外的层内错动带与各向异性特征明显的柱状节理玄武岩共同影响下，拱坝基础开挖具有较大难度。
2 左岸坝基开挖响应特征
左岸坝基边坡于2014年8月开挖出露F17断层;2014年11月14日开挖至660 m高程，坝基开挖面开始出露缓倾坡外的层内错动带LS3319;2014年12月28日开挖至628 m高程，层内错动带LS3319基本在开挖面完全出露，其上盘岩体已基本临空。坝基自660 m高程开挖至628 m高程期间，660 m高程以上已开挖边坡内的陡倾角断层F17局部产生了张开裂缝，裂缝宽度为20～50 mm;WLM2#帷幕洞、PSL2#排水洞（655 m高程）与缓倾坡外的层内错动带LS3319交切位置的洞壁喷层均产生不同量级的开裂，上下盘岩体出现不连续变形特征，在坝基面上层内错动带LS3319上盘岩体局部位置产生了鼓胀变形。现场变形监测数据表明沿层内错动带LS3319的最大剪切位移约为8 mm（见图1）。
在左岸坝基边坡出现明显变形响应特征前后，在650～660 m高程区域对柱状节理玄武岩进行声波监测。结果表明：①开挖后柱状节理玄武岩的松弛深度为1.5～2.0 m，开挖半个月后增大到3.0～4.0 m，并具备突变特征，最终达到稳定的松弛深度;②从空间分布上看，LS3319上盘岩体松弛深度相对更大，松弛深度为2.9～3.4 m，而LS3319下盘岩体的松弛深度仅为0.5～0.8 m;③锚杆支护对松弛深度的控制有一些作用，但当开挖完成后的30～40 d，甚至半年后松弛深度均不再增加，声波测试成果也显示松弛程度没有明显变化，即松弛区的波速随时间没有出现明显的降低。
3 离散元数值分析模型
3.1 力学参数
柱状节理玄武岩在坝基岩体中十分少见，备受当前国内外学者关注。石安池等[13]对影响柱状节理玄武岩岩体变形的因素和变形各向异性的原因作了工程介绍和解释说明;徐卫亚等[14]、孟国涛[15]、郑文棠[16]采用数值方法深入研究了白鹤滩水电站柱状节理岩体本构关系、参数取值等，分析了岩体开挖卸荷后的松弛特性。从白鹤滩水电站左岸坝基边坡开挖过程中的实际响应特征来看，岩体发育的倾向坡外的缓倾层内错动带是影响边坡开挖卸荷变形的控制性影响因素。因此，本文在数值分析中未考虑柱状节理的各向异性特征，按照岩体质量分级，将坝基的玄武岩分为Ⅲ1类和Ⅲ2类。左岸坝基岩体及结构面的力学参数分别见表1、表2。
3.2 数值模型
数值计算模型见图2。
二维模型主要用来说明坝基边坡开挖过程中的变形机理，三维模型主要用于对后续坝基边坡开挖响应进行预测。边坡地表形态、坡体岩层分区特性及主要地质构造等均依据地质勘测资料进行分析，重点分析LS3319、LS331等典型错动带的变形及稳定问题，对坝基边坡开挖过程进行仿真，每个开挖步的开挖梯段高程为10～30 m。数值模型计算中考虑了层间错动带C3、C3-1和层内错动带LS331、LS337、LS3318、LS3319以及断层F14、F16、F17。
3.3 初始地应力
根据地质资料和相关研究成果[17-19]，白鹤滩左岸坝基水平深度30～200 m、垂直埋深40～250 m。左岸第一主应力为8.0～11.0 MPa，方向为北偏西40°，平均倾角15°;第二主应力为7.0～9.0 MPa，方向为北偏东15°，倾角为48°;第三主应力为3.0～8.0 MPa，方向为北偏东74°，以中缓倾角为主，初始地应力为低-中等应力，河谷区域存在一定的应力集中。数值模型初始地应力分布特征见图3。
4 左岸边坡变形机理
4.1 边坡变形数值分析
白鹤滩拱坝左岸坝基从880.0 m高程开挖至630.0 m高程，水平开挖深度超过180 m。岩体变形和应力调整较为明显，为反映坝基不同高程部位变形的差异，将开挖过程分为两个典型梯段进行分析。
（1）880.0～680.0 m高程開挖梯段。在开挖过程中，坝基面逐渐揭露缓倾的层间错动带（如C3、C3-1以及陡倾断层F17）。680.0 m高程以上坝基地应力相对较小，岩体变形主要是卸荷回弹，变形量小，垂直位移分量为20～40 mm，水平位移分量小于10 mm，与现场实际开挖响应情况基本一致。
（2）680.0～630.0 m高程开挖梯段。开挖过程中逐渐在坝基面揭露层内错动带LS3319，坝基以水平方向上的卸载回弹为主，导致上盘岩体的变形主要指向坡外，即以水平向变形为主，水平变形约10 mm，LS3319边坡出露位置的岩体变形超过20 mm。位移矢量清楚地揭示了层内错动带LS3319影响部位坝基的变形方向的变化情况（见图4）。自700.0 m至660.0 m高程开挖过程中，左岸坝基变形方向基本垂直于开挖面，且LS3319上下盘岩体变形是连续的;当坝基开挖至650.0、630.0 m高程时，LS3319下盘岩体变形仍然垂直于开挖面，但LS3319上盘岩体变形矢量逐渐指向河谷方向、近乎平行于开挖剖面，即水平向分量随着开挖高程的降低逐渐增大。
建基面岩体应力随开挖过程的变化情况见图5。
位于LS3319上盘岩体的监测点B，在坝基开挖至660.0 m高程时，最大主应力从3.0 MPa变为6.0 MPa，即LS3319暴露在开挖面上之前呈现应力集中现象;当LS3319完全在开挖面出露后，B点最主大应力从6.0 MPa变为0.5 MPa，最小主应力持续减小，应力状态以松弛卸载为特征。LS3319下盘岩体应力监测点A点在开挖过程中最大、最小主应力逐渐减小，与一般的开挖卸荷松弛特征一致，相比B点没有经历明显的应力集中过程。
LS3319的剪切变形随开挖过程的变化特征见图6。LS3319的剪切变形主要发生在坝基自660.0 m到640.0 m的开挖过程中，后续开挖导致的LS3319剪切变形不明显。计算得到的最大剪切变形约为25 mm，排水洞位置的剪切变形约为12 mm，该值与WLM2#帷幕洞中监测得到的剪切变形（10 mm）接近。
4.2 边坡变形机理
顺坡向缓倾层间和层内错动带在开挖面坡脚部位出露前后，会对坡脚局部应力场产生较明显的影响，其上下盘岩体表现出不同的变形特征。从应力调整角度看，错动带上盘部分岩体首先出现应力增大或集中现象，随着开挖面下移直至错动带出露，又出现开挖卸荷引起的岩体松弛，因此下盘岩体的应力调整程度不如上盘显著。从变形发展趋势看，层间和层内错动带的剪切错动变形主要发生在错动带坝基面开挖揭露过程中，错动变形大小主要受赋存地应力条件、结构面参数和产状等因素控制。
左岸坝基在680.0～630.0 m高程梯段开挖阶段，LS3319附近的变形出现明显差异，原因在于：①当边坡开挖至660.0 m高程时，在LS3319上盘与坝基开挖面之间4～9 m厚度岩体形成了一定程度的应力集中，薄层岩体中的应变能逐渐增大，岩体产生扩容出现裂缝，从而引起坡面喷混凝土的鼓胀变形，并且沿LS3319开始出现剪切变形;②边坡开挖至630 m高程时，LS3319完全暴露在开挖面上，LS3319上盘与坝基开挖面之间4～9 m厚度的薄层岩体完全临空，表现出明显的松弛特征;③在整个开挖过程中，LS3319上盘和下盘岩体变形表现出完全不同的响应特征，受开挖过程约束条件改变的影响，LS3319上盘岩体经历了应力集中至卸荷松弛过程，而下盘岩体以卸荷回弹变形为主，从而导致LS3319的变形呈现出明显的剪切错动现象。
4.3 后续开挖响应
坝基边坡开挖完成后以向临空面的变形为主，在680 m高程以下部位，坝基边坡受LS3319、LS331等缓倾层内错动带影响，横河向水平变形比上部坡体更加明显，累计变形为20～30 mm，层内错动带影响位置的变形为30～50 mm。LS331剪切变形主要发生在570 m高程以下的开挖过程中，最大剪切变形约为35 mm，位于坡脚开挖面的中间部位，剪切变形大于20 mm的深度约为40 m。边坡坡脚开挖卸荷后，受上下游侧边界三维约束影响，坡脚部位LS331上盘岩体的应力松弛并不明显，松弛现象仅发生在浅表层区域，最大主应力仍维持在2～5 MPa。随着LS331在开挖面揭露，LS331上盘浅层岩体出现塑性屈服，深度为3～7 m。
5 结 论
（1） 白鹤滩左岸坝基边坡中上部880～680 m高程梯段开挖岩体以垂直向卸荷回弹变形为主;边坡中下部680～630 m高程梯段开挖时，岩体开始出现水平卸荷，680 m高程以下部位受LS3319影响产生了较明显的水平向变形，LS3319上盘岩体表现出典型的卸荷松弛变形;边坡坡脚630 m高程以下梯段开挖时，水平应力卸荷作用占主导地位。
（2） 左岸坝基边坡变形受缓倾层间和层内错动带控制性特征明显，其中：C3-1的性状较差，剪切变形主要发生在边坡880～680 m高程开挖阶段，后续变形迹象不明显;层内错动带LS3319最大剪切变形约为25 mm，主要发生在660～630 m高程开挖过程中。
（3） 左岸坝基岩体变形包括岩体的卸荷回弹变形和沿缓倾结构面产生的剪切变形，层内错动带LS3319产生剪切变形的原因是地应力相对较大、错动带性状较差、倾角较陡、上盘岩体较薄，在开挖前后分别经历了应力集中和松弛过程，从而产生屈服，这与现场监测数据和岩体实际开挖响应情况一致。
（4）630 m高程至河床坝基范围LS331上盘岩体开挖临空后，易松弛回弹，近开挖面一定范围可能出现沿错动带LS331的剪切变形。
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