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三峡永久船闸高边坡岩体长期变形与稳定研究

三峡永久船闸高边坡岩体长期变形与稳定研究
2010年08月19日
　　 三峡永久船闸高边坡岩体长期变形与稳定研究 孙钧
　　（同济大学） 摘要：三峡工程永久船闸高边坡岩体开挖后的长期变形与持续稳定控制是工程的关键技术之一，为此，进行的研究工作包括一些非常规岩石力学试验以及对边坡岩体外露表面和浅部岩帮进行变形监测，进而采用DEM、DDA等多种方法，按三期空间问题进行计算分析。一些重要的结论和建议对设计与施工都是很有帮助的。
　　关键词：高边坡岩体；变形；稳定；三峡工程 1 工程概况
　　三峡水利枢纽工程规模宏伟，技术复杂，居世界之最。其中永久船闸高边坡岩体开挖后的长期变形与持续稳定性控制是工程的关键技术之一。三峡永久船闸系上下行分设的双线五级船闸，五级船闸段的总长约1600m，连同上下游引航道全长达6456m，船闸闸室的净宽为34m，闸室之间保留有60m宽的中隔墩。人工深挖山体土石方4 166万m3，垂直边坡最高达176m，一般也在50～120m左右，属高、陡边坡岩体，其持续稳定性和长期变形量的大小需要确切论证。
　　边坡岩性主要属闪云斜长花岗岩，新鲜岩体坚硬致密，完整性较好，中间夹有多处岩脉和捕虏体显露；表层风化壳较厚，其底板受地形和构造控制，起伏比较大，自上而下分别为全、强风化，中风化（放坡开挖部分）和弱风化以及微、新岩体（直立墙闸室部分）。部分岩体结构面和节理裂隙较发育，闸室区发现有小尺度的断层 77条，其中走向与船闸轴线交角 ＜30°的两组分属NWW和NEE组，构造岩胶结较差，对边坡稳定不利。
　　观测资料表明，上层地下水位于弱风化带内，属季节性裂隙孔隙水，对降雨反映敏感；中下层地下水属裂隙水，渗透性弱，日后受库水补给影响，呈动态变化。除少数断续性裂隙密集带外，多数出水点均沿单个结构面或岩脉接触面出露，便于疏排。
　　边坡开挖以后，岩体应力重新分布，且在开挖爆破的动力作用下，在坡帮岩体内将形成卸荷松弛带和塑性屈服区，这些都对岩坡的稳定与变形发展不利。
　　在船闸边坡和闸室岩体开挖施工中，成功地运用了光面爆破和预裂爆破技术，最大限度地减少对坡帮和闸面岩体的扰动；同时，闸室岩壁采用高强预应力锚索和系统锚杆锚固，其用量分别超过4000束和逾10万根。从岩体内埋设的1500多件各种仪器的监测数据分析，高边坡岩体总体上保持了较好的稳定态势。
　　2 研究内容和重要性
　　船闸建筑物是深置于天然岩体内的巨型石室，岩体是赋存于大地应力场作用下经历亿万年地壳运动变化的复杂地质体。通过选址详勘和反复论证，三峡岩体的整体持续稳定是有保证的；但经施工开挖扰动，岩体浅部地应力释放而卸荷松弛，在开挖面以内一定深度范围的地应力将重新再分布为二次应力场，并沿坡面和闸室岩壁产生随时间增长变化的内空收敛变形。同时，在施工期间或以后还有可能导致岩帮局部失稳塌落，因而需要对岩面作锚固、注浆处理，这些都是研究工作的主要内容[1]。
　　众所周知，岩体边坡工程的设计、施工和日后运营安全均有赖于对上述岩体的强度、变形和稳定性等方面的深刻认识，进而作出相应的分析和评价。
　　岩体开挖后其变形增长总体上可区分为：开挖瞬间产生的弹性（或弹塑性）变形；由分步开挖应力和变形逐次释放产生的时效变形，含岩体的早期流变；以及开挖完成后仍需经历长时间持续发展的后期流变。岩体流变包括蠕变、应力松弛及长期强度衰减。此外，考虑到边坡岩体的岩层走向与闸室纵向轴线有一定的交角，以及岩体内的多组主干断裂和坡内井、洞交叉的实际受力条件，需要按三维空间进行计算，进而综合上述的变形时效，即所谓边坡岩体分析的时空效应问题。
　　由于闸室岩壁的变形收敛情况，包括完成收敛的时间及其收敛值的大小，都直接关系到闸室现浇钢筋混凝土内衬和安装钢闸门的工期（要求在变形基本收敛稳定以后进行）；其变形位移的量值如果过大，还将影响日后钢闸门的启闭，故而研究成果对指导闸室衬砌结构和钢闸门的设计施工都具重要的工程价值。
　　3 实验、监测
　　在各个不同的勘测、设计阶段，三峡工程岩体除完成了大量的室内岩石力学常规力学参数（含坡帮卸荷带内相应值的变异）实验和岩样流变实验以及现场测试工作以外，由于以上研究工作的需要，还进行了各项非常规岩石力学试验，诸如[2]：
　　（1）利用附设有加载台的高倍扫描电镜，对岩体的细观时效损伤特征及其CT识别和损伤力学行为进行细观实验；
　　（2）复杂应力状态岩体在开挖卸荷条件下的多轴不同卸荷路径及卸荷破坏试验；
　　（3）岩样抗拉全过程的单轴破坏试验（直接拉伸与劈裂拉伸条件）；
　　（4）饱水岩样壁裂拉伸时效强度试验及其长期抗拉强度，等等。
　　下面谈一下船闸边坡岩体的现场监测结果[3]。
　　从多年来已经进行的对边坡岩体外露表面和浅部岩帮各测点的变形监测以及岩帮裂缝开度的监测结果，可对边坡变形位移的现状作如下的初步分析：
　　控制边坡岩体变形位移量大小的主导因素是岩体的风化程度和岩帮开挖卸荷扰动带对初始岩性的削弱。在闸室直立岩壁部分和中隔墩顶部关键部位的弱风化带和微、新岩体中，约60％以上测点的累计位移量均＜20mm，而＞30mm的则仅占该类岩体总测点数的10%弱，个别测点的最大位移量约在35～48mm之间；而在全风化带放坡开挖的上层岩坡内，则几乎全部测点的位移量均＞30mm，它对工程的不利影响不大。
　　经分析认为，闸室岩壁少数测点变形位移量较大的原因，多半是由于局部的不良地质因素所造成的，例如测点落位于断层、破碎带所构成的块体之上。因此，少数局部岩体不良条件对整体工程稳定的影响可以排除，闸室直立岩壁和中隔墩顶部岩体累计位移的绝大多数都在30mm以内，这与后述的理论分析计算结果基本吻合。
　　闸室开挖落底结束以后，最近的大量监测结果已证实，岩帮各处的变形位移量值及其增长速率都已急剧变小，有望逐渐趋近于稳定的收敛值。
　　4 理论研讨
　　对船闸高边坡岩体若干关键科学技术问题所进行的应用基础理论研究，涵盖了以下方面的主要内容[1]：
　　（1）边坡岩体施工期地质条件的综合评价；
　　（2）边坡岩体宏观力学参数的仿真模拟计算，地质体的构造仿真及其应用与检验；
　　（3）降雨导致边坡岩体与闸室岩壁的非稳态渗流及对内衬结构不利的外水荷载研究，地下水对加剧岩体损伤、恶化边坡稳定条件的影响；
　　（4）边坡岩体的卸荷、失稳机理与分析方法；
　　（5）边坡岩体稳定与变形的数值分析及其粘弹塑性时空效应研究；
　　（6）工程爆破和地震灾害对边坡岩体稳定的影响；
　　（7）边坡锚固作用机理与分析方法；
　　（8）边坡岩体开挖施工性状监测的位移反演分析及其变形趋势预测。
　　在上述应用基础理论研究方面，通过多年来的工作探索与实践，取得了以下科学进展：
　　（1）完善了岩体构造及其宏观力学参数模拟理论，并形成了与之相应的计算机分析系统；
　　（2）在岩体断裂损伤介质分析方面，建立了在岩体断裂损伤弹塑性模型基础上的计算机模拟系统，可用于岩体稳定安全度的敏感分析；
　　（3）各种非连续岩体开裂滑动失稳模式及其相应的数值分析方法（如DEM法，DDA法）得到了进一步的实践采用、拓展和深化，将有助于直接评价并估计岩坡的滑动安全度。此外，还运用塑性力学上下限理论开拓了分形块体的刚体极限平衡分析方法；
　　（4）对流形元法、自适应有限元法等一些新的连续介质力学方法在岩坡稳定与变形研究中得到了初步采用并取得成效，其前景可喜；
　　（5）暴雨引起非稳态渗流场问题的研究有了新的进展，提出了渗流与流变损伤场耦合的力学模型和计算方法；
　　（6）采用新的锚固模型于岩体流变损伤分析，并探讨其锚固作用机理，提出了锚固力学微观机制及其宏观分析手段；
　　（7）从岩体开挖卸荷条件下的多轴破坏试验，得到了各种不同卸荷路径与加荷情况不同的实验依据，对饱水岩样的拉伸时效强度及其长期抗拉强度的上下限阈值，建立了在一定范围内适用的实验关系式，等等。
　　5 主要结论和建议
　　从已经得到的研究成果，对三峡工程永久船闸高边坡岩体的变形与稳定问题可得出以下结论和建议[2]：
　　（1）在三轴刚性压力机上进行了三轴卸荷σ·ε全过程破坏试验，以及模拟边坡岩体的开挖卸荷情况的试验结果表明：围压的大小对岩石强度影响极其显著，试验得出了闪云斜长花岗岩、微新岩样卸除侧压与否其抗压强度方程的经验关系式。
　　（2）从已进行的岩样细观时效损伤电镜试验认定：岩石发生蠕变破坏的应力水平平均只合单调加载单轴抗压强度平均值的86.0%，亦即微新花岗岩岩体的后期（长期）抗压强度只合短时破坏试验相应标准值的0.86倍。
　　（3）在对岩体所作开挖卸荷后的时效损伤分析之后认定：如按当前地应力水平最高约合13～16MPa计算，且仅从微新岩石材料的蠕变损伤—断裂的历时发展看，由所建议的蠕变损伤演化公式可计算出最终导致闸室段岩体失稳塌落的时间，从理论而言约合4.066×1029年。由此可见，船闸闸室段岩体的长期稳定性是好的，其持续安全有足够保证。
　　（4）研究中提出并建立了可用于岩质边坡与闸室段岩体稳定分析的分形块体理论。有以下几点对设计、施工有用的建议意见：
　　① 三峡永久船闸高边坡南、北坡均存在一定数量的关键分形块体。由于闸室段是直立壁开挖的，故其分形块的分布在微新岩体的闸室段内反而多些，且南坡多于北坡；开挖临界坡度也是南坡（67.0°）小于北坡（73.9°）。因此，闸室加固（指以锚喷网支护）的重点应该是闸室部分的微新岩体段，且南坡加固程度应高于北坡。上部放坡开挖段由于坡面设计坦平，一般仅需作防风化面层喷混凝土处理。
　　② 凸形边坡不利于岩石稳定，闸墙底与底板交会的角隅处岩体还存在一定范围的压剪屈服区和高应力集中，建议将闸室直立段底角隅做成凹圆弧形，这对改善该部分岩体的应力状态及其局部稳定性都有利。
　　③ 关键分形块体滑坡帮径向内侧的分布范围表明，变形影响坡帮内的进深有限，区域深度多在3～6m以内。因此，只要在开挖时加强监测和施工中做好地质险情跟踪预报，就可以及时发现并作适当的锚固处理，确保施工期和船闸长期运行的安全。
　　（5）岩体渗流场与损伤场的耦合相互作用，将显著降低裂隙岩体的强度，恶化并加剧边坡岩体的失稳条件。通过这方面所作数值模拟计算的结果，有以下几点建议：
　　① 上、下行船闸闸室段的中央部位、中隔墩上部以及直立岩壁与上面斜坡的交隅转折处，是岩体加固的重点部位，需要提高受渗压损伤后的岩体强度。
　　② 在近地面和边坡内断裂、破碎带部分，由于渗流损伤作用明显，局部地段宜设计成灌浆锚固岩体，既提高岩体强度，又可降低断裂、破碎岩脉带的渗透压力作用。
　　③ 根据在施工过程中对开挖卸荷与爆破引起裂隙岩体附加的卸荷损伤与爆破损伤所得的观测资料，应对现有的闸室段岩体加固设计再作一定的调整和修改。
　　（6）对边坡与闸室段岩体在分步开挖、逐次卸荷条件下进行了各种方法的数值分析，其目的主要是：
　　① 预测岩体各部位位移随时间的增长发展，及其后期最终变形位移的收敛稳定值，为构筑二次内衬、安装钢闸门及其合适的安装时间提供依据与安全保证；
　　② 从坡帮各部位应力水平的大小与分布，检验岩体的局部稳定状态及有可能局部失稳的部位与其危险程度；
　　③ 确定坡帮岩体拉剪/压剪塑性屈服区的部位、大小和范围，为锚固设计提供理论依据。
　　通过对岩体所作弹一粘弹一粘塑性数值计算与分析后认为：
　　① 开挖后瞬间产生的位移属弹性变形（占总变形值约14%），不致危及岩体的稳定；后期变形的时效增长主要由向下分层分部开挖、逐次卸荷使边坡岩体应力与变形也都逐次释放、逐次增大，以及岩体早期蠕变迭加所产生的粘弹性位移。在闸室开挖到位后，这部分的粘性时效变形也已基本完成（它约占总变形位移值的70%左右）；再后，由于岩体后期流变（蠕变形）继续增长发展的变形量占总变形的比值不大（只约合16%左右）。
　　②上述变形能在较短时间（约在全部开挖到位后8～11个月）内收敛到一个稳定的最终值。总的变形位移量值的大小视岩体所在部位不同而变化，一般以二闸首20～20′截面闸室与中隔墩顶部处为最大，约合25～30mm。这样，可以认为它并不致影响钢闸门的启闭；如果闸门安装时间适当滞后，例如在岩体开挖到位、锚喷和内衬浇筑结束以后半年以上时间再进行，应该不会有问题。
　　③ 闸室段岩体塑性区在其顶部与边坡段交接处呈拉剪屈服状态，自坡帮向内（和在中隔墩内）延展约深5～8m；在闸室直立壁底端与底板交接处以及中隔墩底端则均呈压剪屈服状态，自坡帮向内延展约深6～8.5m。这些部位的岩体应是锚固的重点。所述岩帮塑性区的大小、范围与延展深度则是制定锚固支护诸参数的主要依据。
　　④岩体的流变主要表现在发育的节理、裂隙等软弱结构面，特别是几处断裂、破碎带内，以剪切流变为主。对这些流变显著发展的部位，应作及时的二次高压灌浆加固。 ⑤ 由于微新岩体的抗压、抗剪强度值都很高，而地应力水平则相对较低，经开挖后坡帮二次应力场调整的变化值亦多在允许范围之内。所以，岩体的失稳一般不受应力水平与岩石强度的控制，而主要取决于帮面附近随机块体、定位或半定位块体及其与开挖后临空面的不利组合而造成的局部掉块或塌落。因此，加强施工监测，控制爆破药量与优选爆破作业方式以及及时加固处理等等应是控制岩体局部失稳的主要手段。研究认为，做好以上各点，闸室段岩体开挖后的稳定性是有保证的。
　　（7）建议对后述若干问题继续开展深化研讨[4]
　　① 边坡岩体的长期变形今后是否收敛于一个稳定的终值，闸室岩壁总的时效变形位移量及其变形趋于最终稳定值的持续时间；
　　② 岩帮卸荷带的规模与范围、自岩面向内的进深及其性质；
　　③ 现在用的岩壁锚固措施是否长期持续有效，预应力锚索的徐变损失测算；
　　④ 就多种可能对岩坡变形与稳定起潜在不利影响的某些因素（如坡面和闸室壁的临空面方位、原始地形、随机少约束块体、卸荷松弛带尺度、爆破开挖扰动，以及短时日的暴雨迳流等等）进行逐项和综合分析。
　　参考文献 [1] 张有天,周维垣主编.岩石高边坡的变形与稳定——三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究丛书[M].北京：中国水利水电出版社，1999.
　　[2] 孙钧.三峡船闸边坡岩体弹塑粘性时空效应及对工程稳定的影响，——《三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究》.1996，1997，1998，1999年度专题研究报告[R].上海：同济大学岩土工程研究所.
　　[3] 王德厚等.三峡水利枢纽永久船闸高边坡安全监测资料研究分析报告（ 1996年度及以后）[R].宜昌：中国长江三峡工程开发总公司安全监测中心，1999—11.
　　[4] 陈德基.永久船闸高边坡稳定性几个问题的初步分析[R].武汉：长委综合勘测局、水利部长江勘测技术研究所，1999—11. [作者简介]
　　收稿日期：2002-06-18
　　作者简介：孙钧，中科院院士，上海同济大学岩土工程研究院教授。

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