溪洛渡水電站進(jìn)水口高邊坡穩(wěn)定性分析

蘇 星

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

溪洛渡水電站進(jìn)水口高邊坡穩(wěn)定性分析

蘇 星

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

溪洛渡水電站兩岸進(jìn)水口底板至谷肩的邊坡總高度均超過200 m，其安全穩(wěn)定對(duì)工程施工及電站的永久運(yùn)行關(guān)系重大。因兩岸邊坡具有相似的工程地質(zhì)條件，根據(jù)該電站的特點(diǎn)，結(jié)合前期勘察成果、施工期開挖揭示的地質(zhì)現(xiàn)狀及水工建筑物的要求，以現(xiàn)場(chǎng)收集的資料為基礎(chǔ)，對(duì)右岸高邊坡的穩(wěn)定性和危巖體的形成機(jī)理、破壞過程進(jìn)行了分析并采取了相應(yīng)的支護(hù)處理措施。

高邊坡；穩(wěn)定性；危巖體；形成機(jī)理

1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷，最大壩高285.5 m，以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪、改善下游航運(yùn)等綜合效益。工程樞紐由混凝土雙曲拱壩、兩岸引水發(fā)電建筑物、泄洪消能建筑物等組成。

河谷斷面呈較對(duì)稱的“U”型，河谷寬闊平緩，兩岸山體陡峭雄厚由二疊系上統(tǒng)峨嵋山玄武巖組成（P2β），根據(jù)其生成年代的先后及巖性的差異共左分為14個(gè)巖流層，各巖流層上部主要為角礫（集塊）熔巖，中下部為玄武巖，屬堅(jiān)硬～極堅(jiān)硬巖。壩區(qū)無(wú)斷層發(fā)育，主要地質(zhì)構(gòu)造為各種性狀的結(jié)構(gòu)面，包括層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙及柱狀節(jié)理。玄武巖致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，風(fēng)化作用主要沿裂隙和層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)等軟弱面（帶）進(jìn)行，具有典型的裂隙式和夾層狀風(fēng)化特征。

右岸進(jìn)水口邊坡總高度大于200 m，進(jìn)水口底板高程516 m，谷肩高程785～740 m；邊坡總長(zhǎng)度282.5 m，自下游至上游共布置9臺(tái)機(jī)組，編號(hào)依次為10～18號(hào)機(jī)組，間距30.5 m。610 m高程處設(shè)置開挖平臺(tái)，平臺(tái)以下為開挖邊坡，總高度94 m；平臺(tái)以上除坡肩進(jìn)行淺層削坡處理、坡腳因工程需要進(jìn)行開挖外，大部分以自然邊坡為主，總高度130～170 m。

2 開挖邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡基本地質(zhì)條件及開挖現(xiàn)狀

右岸電站進(jìn)水口610 m平臺(tái)以下為開挖邊坡，出露的巖性主要為P2β7～P2β11層含斑玄武巖、致密狀玄武巖和角礫熔巖，巖層總體產(chǎn)狀平緩傾下游、偏左岸，邊坡為弱風(fēng)化～微新巖體，宏觀巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部塊狀、鑲嵌結(jié)構(gòu)。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，控制性結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶和規(guī)模較大的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，層間錯(cuò)動(dòng)帶涉及C7～C11，產(chǎn)狀總體為N15°～30°E／SE∠4°～7°傾下游，偏左岸，順河向貫穿整個(gè)邊坡，主錯(cuò)帶及影響帶寬度可達(dá)10～30 cm，均以含屑角礫型為主，部分巖屑角礫型。

層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶受層間錯(cuò)動(dòng)帶控制，普遍為小于30°的緩傾角，出露長(zhǎng)度一般25～40 m左右，個(gè)別規(guī)模較大，延伸長(zhǎng)度大于100 m；帶寬多為2～5 cm，以含屑角礫型為主。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶可集中發(fā)育，主要特征為數(shù)量多、間距小，部分交匯形成夾層狀風(fēng)化破碎帶。

裂隙較發(fā)育，P2β7～P2β11各層上部的角礫熔巖中長(zhǎng)大裂隙為其主要特點(diǎn)，延伸長(zhǎng)度多在5～10 m，間距大于1 m，且多近順坡向發(fā)育，以中陡傾角為主；各層中下部的玄武巖內(nèi)裂隙多短小，局部呈裂隙密集帶，帶內(nèi)巖體較破碎，多呈鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)。P2β12下部玄武巖內(nèi)的柱狀節(jié)理較發(fā)育，長(zhǎng)度一般0.5～1.5 m，間距10～20 cm，面平直粗糙。

610 m平臺(tái)以下邊坡走向N55°W，底板高程516 m，總高度94 m。邊坡設(shè)2級(jí)馬道，分3個(gè)梯段，以垂直、坡比1∶0.3的組合形式進(jìn)行開挖（見圖1）。垂直邊坡最大高度32 m，坡比1∶0.3的邊坡最大高度30 m。

圖1 右岸610m以下邊坡開挖典型剖面示意

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.2.1 整體穩(wěn)定性分析

溪洛渡右岸電站進(jìn)水口邊坡的玄武巖堅(jiān)硬、強(qiáng)度高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)；坡肩部位水平埋深20～30 m，坡角部位水平埋深45～55 m，巖體弱風(fēng)化～微新，總體較完整?？刂七吰抡w穩(wěn)定性的主要因素為順河向貫穿整個(gè)邊坡的層間錯(cuò)動(dòng)帶C7、C8、C9、C11及P2β8、P2β9層玄武巖內(nèi)發(fā)育規(guī)模較大的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶。其中規(guī)模較大的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶優(yōu)勢(shì)方向共4組，分別為L(zhǎng)c1：N60°～70°E／SE∠35°～40°、Lc2：SN／E∠5°～8°、Lc3：N20°E／NW∠15°～20°、Lc4：N10°～30°E／SE∠4°～7°（Lc4與層間錯(cuò)動(dòng)帶平行，故以層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行分析處理）。

將邊坡巖體中的層間錯(cuò)動(dòng)帶、優(yōu)勢(shì)方向的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶分別采用赤平極射投影法，以結(jié)構(gòu)面與坡面的組合關(guān)系為依據(jù)，對(duì)邊坡進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析。層間錯(cuò)動(dòng)帶C11、C9主要出露于坡比1∶0.3的坡段；C10呈熔結(jié)型，出露不明顯，不構(gòu)成邊坡整體穩(wěn)定的控制性結(jié)構(gòu)面。C8、C7主要分布于邊坡垂直開挖段。因?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀相似，近于平行，故只考慮單組與坡面的組合關(guān)系，以C7、C11為代表進(jìn)行分析，赤平投影圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向近于正交，交角大于40°，較穩(wěn)定。

圖2 C7、C11與邊坡（p）組合的赤平投影

層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶多未穿層，且對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用的錯(cuò)動(dòng)帶多未交匯，故不需要考慮層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和層間錯(cuò)動(dòng)帶的組合及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶之間的組合關(guān)系，僅考慮層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶單組優(yōu)勢(shì)方向?qū)吰碌挠绊?，其與邊坡的組合關(guān)系如圖3所示。Lc1、Lc2、Lc3與邊坡斜交，交角大于40°，玄武巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，層面延伸長(zhǎng)度有限，產(chǎn)狀平緩，不存在因結(jié)構(gòu)面不利組合形成的滑動(dòng)塊體，故3種組合關(guān)系a、b、c較穩(wěn)定，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶與邊坡的組合關(guān)系

2.2.2 局部穩(wěn)定性分析

邊坡雖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但仍存在局部穩(wěn)定問題。進(jìn)水口大規(guī)模開挖造成邊坡巖體應(yīng)力狀態(tài)急劇變化，邊坡表部應(yīng)力釋放、降低，巖體向臨空面回彈，發(fā)生松弛、卸荷，淺表部形成松弛帶，在裂隙密集帶、錯(cuò)動(dòng)帶集中發(fā)育交匯區(qū)等較破碎，巖塊嵌合松弛，易發(fā)生掉塊、塌落；P2β7～P2β11各層上部的角礫熔巖中長(zhǎng)大裂隙較發(fā)育，延伸長(zhǎng)度多在5～10 m，間距大于1 m，走向多與邊坡小角度相交、傾角略小于坡腳，裂隙頂部為層間錯(cuò)動(dòng)帶、底部貫穿出坡面且埋深較淺，易發(fā)生滑動(dòng)破壞；玄武巖內(nèi)短小的隨機(jī)裂隙較發(fā)育，在坡面的裂隙不利組合形成了較多的小規(guī)模潛在不穩(wěn)定塊體，易發(fā)生掉塊現(xiàn)象。P2β12層巖體中細(xì)長(zhǎng)柱狀節(jié)理十分發(fā)育，受卸荷松動(dòng)和緩傾角裂隙切割，易沿柱狀節(jié)理根部發(fā)生折斷進(jìn)而發(fā)生掉塊、崩塌現(xiàn)象。

3 天然邊坡穩(wěn)定性分析及危巖體形成機(jī)理

3.1 天然邊坡穩(wěn)定性分析

610m平臺(tái)以上天然邊坡為P2β12、P2β13層致密玄武巖、角礫熔巖。邊坡巖體抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，卸荷作用明顯，巖體的卸荷作用主要表現(xiàn)為裂隙數(shù)量的增加和裂隙開度的增大，并沿主要的結(jié)構(gòu)面卸荷松弛，兩岸谷坡強(qiáng)卸荷帶水平深度小于10 m，弱卸荷帶水平深度20～40 m。邊坡宏觀上以塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)面包括層間錯(cuò)動(dòng)帶C12、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、構(gòu)造裂隙及廣泛發(fā)育于P2β12、P2β13層中下部玄武巖內(nèi)的柱狀節(jié)理。層間錯(cuò)動(dòng)帶C12及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀普遍平緩，錯(cuò)動(dòng)強(qiáng)烈，延續(xù)性好，含屑角礫型、巖屑角礫型為主；裂隙多隨機(jī)發(fā)育，坡體表層分布有較多的順坡向卸荷裂隙。天然邊坡坡形完整，對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用的層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀平緩，未發(fā)現(xiàn)較大的變形體，變形破壞跡象不明顯，天然邊坡整體穩(wěn)定。

因天然邊坡處于強(qiáng)卸荷帶內(nèi)，近順坡向的構(gòu)造裂隙較發(fā)育，可與緩傾角的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、緩裂等形成結(jié)構(gòu)面不利組合，在各種地質(zhì)力的長(zhǎng)期作用下表現(xiàn)為潛在不穩(wěn)定塊體或危巖體，致使邊坡局部不穩(wěn)定，對(duì)工程安全意義重大。

3.2 危巖體形成機(jī)理

危巖體是指位于陡坡或陡崖上由多組巖體結(jié)構(gòu)面切割穩(wěn)定性較差、易發(fā)生破壞的巖體。溪洛渡右岸進(jìn)水口天然邊坡發(fā)育的危巖體、倒懸體對(duì)下方施工及電站永久運(yùn)行存在較大的安全隱患。天然邊坡表層為強(qiáng)卸荷巖體，發(fā)育有較多的近順坡向卸荷裂隙，部分裂隙成為危巖體的主控結(jié)構(gòu)面，為危巖體的形成創(chuàng)造了有利條件。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查、分析，從受力破壞方面將進(jìn)水口的危巖體分為三種：剪切破壞、拉張破壞及兩者的組合。

3.2.1 剪切破壞

以剪切破壞為主的危巖體一般形成于主控結(jié)構(gòu)面走向、傾向與邊坡近于一致，傾角略小于坡角的陡坡地形。該類危巖體多以順坡向陡傾裂隙作為其主控結(jié)構(gòu)面，一般從陡崖的腳部逐漸向陡崖頂部發(fā)育的，個(gè)別因緩傾角的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育可形成倒懸體。主控結(jié)構(gòu)面在日照、降雨、風(fēng)等作用下其物理力學(xué)性質(zhì)不斷變差，連通性不斷增大，且危巖體一般發(fā)育于坡體表層，部分結(jié)構(gòu)面中充填粘土、次生泥，遇水易軟化，當(dāng)危巖體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，在重力作用下受其他誘發(fā)因素影響（如降雨、爆破振動(dòng)、地震等）將發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切、剪斷滑移、墜落，其破壞過程具有突發(fā)性。

P2β12層巖體內(nèi)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶（Lc）較發(fā)育，多為緩傾角，局部與陡傾角裂隙構(gòu)成的不利組合促成了倒懸體的發(fā)育（見圖4）。當(dāng)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶（Lc）或緩傾角長(zhǎng)大裂隙貫穿于陡傾角裂隙（L）的中下部時(shí)，②區(qū)即為不穩(wěn)定塊體。因?qū)觾?nèi)錯(cuò)動(dòng)帶于自然邊坡表層主要多表現(xiàn)為巖屑角礫型、含屑角礫型，帶內(nèi)物質(zhì)松弛以巖屑、角礫為主，且位于②區(qū)的上部，將其與上部巖體的連接切斷，故②區(qū)的穩(wěn)定僅受陡裂（L）的性狀控制。當(dāng)陡傾角裂隙受各種地質(zhì)作用、其性狀逐漸變差時(shí)其穩(wěn)定性也將隨之降低，直至最后②區(qū)滑落、崩塌。由于②區(qū)已破壞，則①區(qū)即形成倒懸體。倒懸體下部臨空，失去支撐，在自身重力作用下，隨著陡裂的進(jìn)一步發(fā)育、貫通或巖體受重力作用將被拉斷，隨即發(fā)生滑落、崩塌。

圖4 個(gè)別倒懸體形成示意

3.2.2 拉張破壞

以拉張破壞為主的危巖體一般形成于主控結(jié)構(gòu)面走向、傾向與邊坡一致近于直立的陡坡地形。該類危巖體一般是由陡崖的頂部逐漸向陡崖的腳部發(fā)育的。主控結(jié)構(gòu)面于陡崖的頂部多張開3～5 cm，部分可達(dá)10～30 cm，但未貫穿出坡外，且由于風(fēng)、降雨等作用，裂面內(nèi)張開部分的充填物一般多被沖走。該類危巖體的受力初期主要表現(xiàn)為在重力作用下，以主控結(jié)構(gòu)面的下端部或其延長(zhǎng)線上一點(diǎn)為虛擬支點(diǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)軸），陡崖頂部裂面逐漸張開，繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在重力作用下，裂隙由頂部向底部逐漸向下劈裂；隨著裂面的不斷張開，危巖體自身的重心及虛擬支點(diǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)軸）也向臨空方向和下部發(fā)生的位移，危巖體腳部主要為受壓區(qū)，內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為受拉區(qū)，當(dāng)受壓區(qū)、受拉區(qū)達(dá)到臨界狀態(tài)或重心外移距離較大時(shí)，在誘發(fā)因素的影響下將發(fā)生傾倒破壞，其受力示意如圖5所示。

圖5 危巖體張拉破壞受力示意

4 邊坡支護(hù)措施

針對(duì)溪洛渡水電站進(jìn)水口高邊坡的局部穩(wěn)定問題，經(jīng)多方研究后采取了相應(yīng)的處理措施。對(duì)于開挖邊坡主要采取了以下措施：

（1）對(duì)整個(gè)開挖邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)的噴錨支護(hù)（掛網(wǎng)、噴混凝土、錨桿），并在關(guān)鍵部位進(jìn)行了錨索加固；

（2）在裂隙密集帶，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)集中帶發(fā)育區(qū)等巖體破碎的部位進(jìn)行掛網(wǎng)并加強(qiáng)支護(hù)；

（3）對(duì)部分順坡向裂隙進(jìn)行錨桿束鎖口處理。

對(duì)于天然邊坡主要采用（1）預(yù)應(yīng)力錨桿方式對(duì)自然邊坡的強(qiáng)卸荷巖體進(jìn)行整體加固處理；（2）有針對(duì)性的清除部分危巖體，并在天然邊坡中下部的緩坡地形設(shè)立柔性防護(hù)網(wǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)不同類型的地質(zhì)問題以適宜的方式進(jìn)行處理后，有效的改善了邊坡的穩(wěn)定性，確保了工程在施工及運(yùn)營(yíng)期的安全。

［1］ 孫憲立.工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］ 江康明、彭胤宗.巖土工程［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［3］ 黃潤(rùn)秋.高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究［M］.成都：成都科技大學(xué)出版社，1991 .

TV223

B

1003－9805（2015）02－0035－04

2014－08－18

蘇 星（1983－），男，甘肅合水縣人，工程師，從事水電站工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)工作。