英文翻译修改稿

工程地质59（2001）59-72
中国五强溪船闸边坡设计和施工的
工程地质力学分析和监测控制
Z. F. 杨，Y. J. 尚，S. J. 王，C. M. 王，T. H. 柯
工程地质力学实验室，研究所地质与地球物理，中国科学院，北京100029 ，
中华人民共和国
中-南研究所设计的水电工程，交通部，电力，长沙410014 ，
中华人民共和国
1999年5月6日收到 ;2000年6月23日接受出版
摘要
五强溪水电站座落于元江在中国中部的湖南省。

在左河岸形成的板岩（Pt1）和砂岩（Pt2），属于该五强溪形成物，上本溪组的地质情况有利于船闸边坡的稳定性。

船闸边坡受一系列大断层共同作用，而岩石也被剧烈风化。

这些因素使那边的工程地质情况不利于船闸边坡的稳定性。

在深基坑支护所涉及的建设中，船闸边坡受到威胁而发生滑坡。

为了防止开挖边坡和混凝土浇筑的失败，岩土工程设计的技术监测和控制（MCGE）的一项技术被得到提出和发展。

结果在挖掘和事后施工阶段边坡稳定通过。

这证明该技术的建议是合理的和适用的。

关键词：岩体;边坡稳定;监测和控制;中国
1导言
五强溪水电站有1200兆瓦负荷量，坐落于中国中部湖南元和。

该枢纽工程由混凝土重力坝，发电建筑物（在河床的右侧和大坝的后侧），浅滩大坝（在河床的左侧）及一个三层的船闸（左岸附近）组成。

大坝的左坝肩位于溪谷5 的东侧（图1）。

交叉口的夹角在船闸的长轴和大坝之间是88°。

船闸边坡从溪谷5东侧至溪谷7西侧（即在去年底船闸）长有400多米。

它被溪谷6分成两部分：西部斜坡位于溪谷5和溪谷6之间，东部斜坡位于溪谷6和溪谷7之间。

原始的斜坡角度是30-50°，最大边坡高度达165m.
斜坡是由板岩（Pt1）及中度硬砂岩（Pt2）组成。

斜坡的风化深度范围是28-85米。

在地质历史时期，发生在不同时期的构造运动导致产生密集的断层和激烈裂隙岩体。

＊作者联系电话： 186-10-6200-8072 ;传真：186-10-6204-0574 。

图1船闸边坡示意图显示的工程地质条件及仪器分布（1）灰绿色千枚岩，紫色千枚岩，灰绿色砂质板岩与石英岩; （2）灰绿色千枚岩，砂质板岩与灰白色石英岩; （3）灰白色石英岩与灰绿色千枚岩，灰黑色板岩; （4）灰绿色板岩与灰白色石英岩; （5）灰黑色板岩与灰白色石英岩; （6）灰绿色砂质板岩; （7）灰绿色砂岩，灰紫色砂岩，砂质板岩和石英岩互层。

包括F87，F112，F109，F121和F115在内的一些断层，均有高倾角的角度，可以从西面向下到东侧，达到了东斜坡的坡脚间接的剖析船闸边坡。

此外，背斜轴向F87 - F112的前缘平行延伸，浸渍到山边，被严重挤压（图2）。

在斜坡的东部， Pt1被占主导地位的阶层和向下延伸到斜坡脚趾的断层，造成地质条件明显不利于边坡稳定性。

在F87 - F112的南面一侧，相应Pt2 主要出现在西面坡的较低的一部分（图1）。

因为Pt2比Pt1的完整性和硬度要强，它支持从断层及Pt1上面加载的应用有利于工程地质条件，这方面在西部斜坡优于在东斜坡。

因此，在船闸边坡的不利的工程地质条件，尤其是在东部的斜坡，开挖与不可接受的变形和破坏有可能造成边坡不稳定，从而危及安全。

在另一方面，保守的设计是不鼓
励的，因为那样会花费更多的钱。

从一家顾问公司及相关工程监理员得到的报告中，边
坡稳定性在这个项目中也被视为关键问题之一（王，1994年）。

图2 0+360m地质剖面和仪器分布及地面标志。

（1）-（7）看图1 ，（8）泥岩;（9）断层;（10）间接滑动断层;（11）破碎带;（12）岩性接触;（13）完全风化基地;（14）高风化基地;（15）轻微风化基地;（16）地下水位;（17）多点引伸器;（18）垂直倾斜仪;（19）表面标志;（20）开挖序号复杂地质条件下的船闸边坡是被认为是一个开放和复杂的大系统（杨， 1993年）。

以岩土工程监测和控制设计（MCGE）提出的建议来处理。

同时，相应的措施和技术，如监测点的安装和各种监测数据的分析方法也有发展。

在开挖施工船闸边坡中，这些方法和技术发挥了重要的作用。

这个只设计东
斜坡的文件被作为用来解释与MCGE有关的原理和方法的一个例子。

2工程地质情况
图1和图2分别显示了平面布置图及断面船闸边坡及工程地质条件（杨等人，1995年）。

2.1 岩性和风化
除了第四纪沉积，在船闸边坡的岩石主要是由板岩（Pt1）和灰绿色的砂岩（Pt2），
它们都属于上本溪组的前震旦纪五强溪组。

Pt1形成物可分为5个小组的地层，总厚度146.75米。

Pt2形成物可分为两个小组的地层，总厚度81.49米。

该背斜轴部横断斜坡的较低部分。

轴向平面向山边倾斜，使在其南翼的Pt1地层大多倾向于同一方向（图2）。

构造过程产生了沿接触区的硬土层和软土层的位移。

由此产生的断裂带表现为地下水和风化影响下的弱夹层。

弱夹层中出现的控股粘土大小占17 -2 2％的粘土矩阵材料表面看起来有条纹或结核。

粘土矿物主要是水云母或高岭石，并有少量的蒙脱石。

在弱夹层样本内部的摩擦角（φ）是10-15°30’，在原位剪切试验获得了凝聚力的范围是0.002-0.007MPa，（五强溪水电工程的建筑公司，湖南，1994年）。

从Pt13地层顶部到Pt22地层顶部总厚度为126米，有39个厚度为2-6米的弱夹层。

风化是剧烈的。

勘探表明，在西坡风化深度向东增大。

高度风化的岩石地层深度高达13-40米;新鲜岩石地区的深度在28-54米之间。

在东部的斜坡，这种高度风化的岩石和新鲜岩石的深度分别高达50-80米和50-85米（图2）。

2.2 结构
斜坡的断层较密集。

他们的断裂总方向是NEE向，和船闸斜坡相交的角度小，不利于边坡稳定性。

背斜轴部以65-70°的方向横断船闸边坡。

在溪谷5的附近，轴离左河岸脚150 - 200米远，而溪谷7的附近它到达了河床。

该背斜轴向平面倾向西北，倾角5-15°，其与F87 - F112的交叉角度是5 – 8°。

在两个背斜翼部沿软弱夹层的滑动是显而易见的。

翻转过来看，本地南翼可以看出。

在船闸边坡大部分断层沿NEE-EW向延伸。

其主要性能列于表1 。

在船闸边坡的连接处分为6部分。

他们大多数以大角度倾向SE或NW向，有利于边坡稳定。

大部分连接处倾向山边，分布在坚硬岩石上。

2.3 地下水
在船闸边坡，地下水分为两种类型：孔隙水和裂隙水。

前面的表格数据随季节波动。

后面的表格数据是斜坡表面的附近，但到一定深度其数量减少，是因为岩体低连续性和岩体的低渗透性。

2.4 岩体的结构划分
岩体的结构性是在边坡中控制的变形和破坏模式的基本的主要因素之一。

根据（1979年）提供的计划，以下四个亚型的岩体结构在该地区可以观察到。

（1）层状结构（Ⅱ1）。

在西部斜坡它出现在轻微风化和新鲜砂岩（Pt2）。

虽然受构造过程的影响，但岩石是坚硬和完整的。

存在于西部边坡较低部分的这种结构岩石，支持上部破碎地层Pt1和F87-F112断层的荷载，并有助于边坡稳定性。

（2）薄层状结构（Ⅱ2）。

这种结构主要出现在东部和西部的斜坡略有风化及新鲜板岩（Pt1）地层。

大部分的岩石是坚硬或中等坚硬，夹有软弱岩石。

每一个地层并不厚但是不均匀的，这是由于在其内部存在薄弱夹层。

因此，其工程地质性质不如的层状结构（Ⅱ1）。

（3）裂隙-层状结构（Ⅲ2）。

这是一个裂隙结构的亚型。

岩体已被压碎成块，其中有各种大小和多弱面，这是由于接口或压缩面。

岩块间的支持力是很小以致于很容易使岩石发生变形。

在有断层的影响地区的岩石，如F87，F112，F115和F121通常显示出这种结构。

（4）松散结构(Ⅳ) 。

它普遍出现在：（a）破碎和松散岩体;或（b）在断层交叉处的岩石。

在（a）情况下，主要指完全风化的岩石或高度风化的岩石的上面部分，它表面看像砌体，有时充满泥或岩石碎片，表现出高孔隙比。

在（b）情况下，它是指破碎地区的断层。

这种结构下的岩体强度低，对开挖反应灵敏。

3 设计中的问题
在船闸边坡的变形和破坏的威胁下边坡底部和船闸都安全进行。

在设计中的问题如下。

在东部的斜坡，稳定可能会更严重，由于由于软弱破碎岩石（Pt1）和断层不利的工程地质情况，如F87，F112，F109，F121和 F115斜向横断斜坡。

斜坡从开挖的基础达180米高。

在这种情况下，如果是处理不当，灾难性的崩溃。

一些工程师甚至担心由暴雨影响下潜在的泥石流。

只是基于理论分析和计算来有效率的解决复杂问题，难以采取传统的方法。

因此，重要的是要引进一种新方法来设计船闸边坡。

图3 确定潜在破坏复杂方法.
4 岩土工程设计的监测和控制
正如上面所讨论，通过常规的做法来评价边坡稳定性并作出设计，是很困难的，这是由于被开挖边坡的岩体的复杂特点。

根据理论研究和工程经验，基于船闸边坡设计的监测控制，一种新技术被提供用于边坡合理的、经济的开挖和施工。

MCGE技术是在五强溪提出的。

一般，根据该场地岩体的位移和地下水的水位的反馈信息来衡量的，以及进一步开挖所暴露的地质信息，例如：出现裂隙的岩石或建筑物，负责的工程师应及时的修改设计，然后在施工建设中对它们进行处理。

在监测和控制过程中，速度（监测，反馈，分析，修改和必要的工程措施的速度）是关键问题之一。

监测控制可以通过两种方式完成：对当地的信息的分析和对全球信息的分析。

4.1 在本地信息上的监测控制
曲线的相对位移随时间变化可以帮助工程师及时修改设计，根据变化调整工程措施。

图4 斜坡上外部监控的表面标志分布.圆圈和数字表示标志.
由于开挖在附近的一个地点使曲线的激烈上升到某一个程度上，工程师应作出决定停止挖掘，并采取可行的加固，或及时的调整开挖的过程。

4.2在全球信息基础上的监测控制
虽然考虑到时间关系，仅仅从当地每个监测点的资料完成监测控制，这是很难的，除非也获得了被测物体的空间信息。

在施工的设计和监理的修改中，空间信息是和速度一样重要的。

换言之，的对于工程师而言，了解空间位移的变化也是必要。

因此，分析暂时-空间位移的方法是必要的。

这就涉及到信息的五个方面，即三维监测点的坐标，位移和时间。

由于提供的直角坐标空间系统简洁，在场地上它可以帮助工程师作出决定，采取以下程序。

⑴斜坡和监测点的项目三维数据在一个坐标平面xoy内，以便用于二维的过程中。

⑵在单位时间内在纵轴上表示各点位移。

单位时间的下选择取决于实际情况。

举例
来说，如果位移变化是剧烈，单位时间可能需要1或2天。

当变化小时，单位时间可能
会一周，半个月，甚至一个月。

当它很小，单位时间可能会三个月，半年，一年，或更长的时间。

图5 加固船闸边坡原始横道的锚杆结构
⑶在一定时间间隔内通过制作动画片的方式连接这些点表现出位移的空间变化。

也就是说，在相同的时间单位下一个又一个做出分析的数据，然后在时间间隔的时间序列中安排它们。

5 位移监测系统
根据在破裂的观点（杨，刘，1979年;尚等人，1996年），经常依靠强调实力的比例，总是从一个或几个点命名的破裂开始，然后逐步发展为断裂。

比例相应变化伴随着进一步的变形和破坏（包括崩塌）。

因此，一个有效的监测系统的设计应考虑到的潜在的破坏点的位置。

5.1 破裂的确定
正如上面所讨论的，在安装了一个监测系统之前和期间，确定破裂的位置是基本的。

推荐采用图3所表示的先进的方法，这种方法有点类似于兰格（1999年）所提出的方法。

通过地质条件的调查，初步鉴定破坏的位置，在五强溪的有限元计算，以及物理模拟，在3个循环位置的破裂作为潜在破坏的地区的（图1）关键部位进行监测。

5.2 监测系统
监测系统包括：（1）指向表面膜的外部监测系统（图4）; 及（2）主要分配表面的下面的内部监控系统，如硐室，钻孔，等（图1）。

在外部监测系统使用经纬仪和水准仪器等。

图6 EX101-4点随时间的相对位移以及采取的工程措施。

注：（1）加固-包括以使用锚杆（它的结构见图5所示）为主，在表面喷射混凝土，并在当地通过网格梁及灌浆;（2）间隔开挖-有利于整个边坡的稳定性的开挖的详细设计方法。

表面标志分布在涵盖整个边坡变形的斜坡面不同的部分上。

内部监控系统由9种类型的工具组成。

举例来说，安装有十一个多点伸长仪，每个之间有36-45米的间隔；五个竖直钻孔倾角仪，每个有50米长;和五个溢水倾角仪。

在五强溪，工具大多排列在三个潜在破坏位置，即在图1显示的破裂。

值得注意的是在记录设置标志和仪器时应与事先开挖的位置顺序一致。

6 、开挖及加固的设计
在开挖设计中，采取一种模拟的天然斜坡尺寸的方法（杨等人，1997年）：
切断斜坡的倾角不大于天然的关键斜坡。

加固设计是建立在更好加固破裂的基础
上，使船闸边坡与环境更和谐。

在五强溪的初步设计如下：
（1）一些部分主要由完全和高度风化的岩石构成，斜坡面梯度是1:1.60-1:1.85 。

另一部分由中等，略有风化和新鲜岩石组成，坡度大约是
1:1.00 ，界面以20米间隔的高度被切断。

图7 曲线表示的是在0+260m地区河床方向七个表面标志的水平位移（2）根据地质情况和稳定的程度采用不同的加固措施。

西部的边坡上，采取
的措施是如下：在边坡的上面部分，在同一时间内伴随着加固和排水系统挖掘较
低的部分。

在不良的工程地质情况下的东斜坡（尤其是在图1中显示的潜在的破裂），这项措施是如下：削减斜坡，加强边坡趾，并在斜坡深度内设置排水系统。

图8倾斜仪深度的相对位移概况（ZC5位置见图1）.仅有部分日期被划分清楚。

无标签的实线和记号代表零位移。

图9 各点的时空位移（规模见图1）：（a）1992年8月;（b）1992年10月;
（c）1992年12月
（3）在该边坡存在严重破碎岩体的部位，预先存在的硐室，可以设置锚杆来进行加固。

锚杆的作用是有利的，因为它利用钢管和钢筋的拉伸强度沿锚杆的长轴排列（图5）。

为了监控活动的板块和加强锚杆在建设和运营阶段的实际效果，应安装钢筋压力棒和拉伸仪。

事实上，在锚杆也是在斜坡内的一个重要的监测对象。

（4）斜坡面应保存完整，以防止斜坡面附近的逐步侵蚀、冲刷和风化，以及雨水的渗流。

（a）完全风化的岩石（主要在斜坡顶部），钢筋混凝土板梁和种植在板上的草用于保护边坡。

（b）裂隙岩体与裂隙-层状结构，表面板块现浇注钢筋混凝土保护边坡。

（c）岩体层状结构或薄层状结构，喷射混凝土是用来保持的斜坡面。

（d）较宽的断裂带断层和薄弱层，挖沟和回填的混凝土达到提高应力传递和减少压缩变形破坏的能力的目的。

7 、在五强溪船闸边坡MCGE的应用
图6显示的是在EX10拉伸仪的四点上相对位移时间曲线，它安装在海拔82米，0+360米的部位上。

它也显示了工程师如何及时修改设计和调整的工程措施。

监测和控
制的有利结果是显而易见的。

图9 （待续）
虽然相应的工程措施并没有如此直接显示在图7上，七个表面膜安装在溪谷6的西侧的监测数据绘出的曲线，揭示了在河床施工期间位移的方向的变化。

线性持续上升的曲线，是由开挖导致的。

向河床的水平位移，甚至达到180毫米，这应该是七个表面标志的关键值。

之后，应用技术监测和控制，获得光滑曲线这个有用的结果。

图8显示的是在海拔110米， 0 + 220米钻孔倾斜仪ZC5监测点位移随时间的变化。

它意味着：（1）从钻孔的底部到顶部，没有被发现在该曲线在同一时间的明显的间断性。

这表明，没有发生在钻孔深度范围内岩石滑动; （2）1993年10月30日（第7号曲线）测量数据非常接近于1994年7月23日（第8号曲线）的数据，这证明了在过去9个月位移的变化变小。

因此，可以说，加固是有效的。

借助软件，采取逆距离作为网格化方法力量，参数选择的力量为2，平滑为0时，图9（a）-（d）是被抽出用来显示在排列在五强溪船闸斜坡11拉伸仪的第一个点的相对时空位移。

图9a 显示船闸边坡在1992年8月的位移，在边坡西部的第0+220
米部分进行开挖。

图9 （待续）
图9 （待续）
它表明：（1）位移小;（2）虽然到目前为止，0+360米部位的开挖面积，位移异常大。

在1992年10月接着向东开挖。

图9b显示位移比图9a的位移相比显著增加了。

在8月，EX6位移是非常小的，但在10月增加到12.28毫米。

因此，这可以被确定为破裂的一个，在东斜坡和关键位置的一致所需的监测（图1）。

为了避免灾难性的崩塌，工程师们通过加固方式如在网格梁及时加固。

因此，在1992年12月的位移下降（图9C）。

举例来说，在EX6位移变化在10月从12.28毫米到在12月2.41毫米。

EX10位移也显示下降。

在同一时间内，EX md24 （在适当的顶部图9C）位移达到10.35毫米。

这表明，一个潜在破裂的位置从EX6向EX md24迁移.EX md24安装在第24号锚杆是加固的关键。

它表明，一个很严重的问题可能在那。

然后，它是由灌浆处理的。

在1993年一个月的小平均位移（图9d）表明灌浆具有良好的效果。

图9 （待续）
8 结论
（1）基于从安装的内部和外部的监测系统的复杂方法确定潜在的破裂。

（2）提出MCGE技术并成功地应用于设计五强溪水电站的船闸边坡。

它是在开挖过程中帮助防止边坡的不良地质情况发生。

（3）测量结果澄清，在程序调整的开挖及加固该技术的应用及其作用的意义。

（4）这宗个案实例表明，上述方法和技术适用和可行的。

在实践中，船闸边坡顺利完成开挖施工阶段，而且节省了大量成本。

致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（projectno.49772166）的财政支持。

作者谢谢中南研究所水电设计部的J.Wang先生和C.H.Tang先生，长沙能源资源部和水利部的有价值的信息帮助，和我们的实验室的W.L.Dong先生在场地的帮助。

我们感激S.Z.Zhang教授进行的英语更正。

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