某水電站卸荷傾倒變形體成因和穩(wěn)定性分析

黃興喜

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 變形體工程地質(zhì)概況

傾倒變形體位于壩址區(qū)河谷右岸，壩區(qū)河谷呈倒變型，右岸山頂高程2580～2800m，相對(duì)高差200～420m，岸坡順直，走向近東西，自然坡度40°～45°，大部分基巖裸露，僅坡腳處分布厚5～10m的崩坡積物。基巖為石炭系（C3k）灰黑色變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀50°～60°SE∠65°～75°。 右岸順層斷層較發(fā)育，間距一般2～8m，破碎帶寬0.3～1.0m，由碎裂巖、糜棱巖夾斷層泥組成，產(chǎn)狀50°～60°SE或NW∠50°～85°。

根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪及平硐揭露，右岸節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀變化大，主要有2組：①組產(chǎn)狀：45產(chǎn)～55產(chǎn)狀：∠50產(chǎn)～70產(chǎn)，面多平直光滑，多為順層裂隙，無充填，延伸長(zhǎng)度2～5m；②組產(chǎn)狀：295°～305°：光∠705～805，多平直光滑，相對(duì)較少，無充填，延伸長(zhǎng)度2～3m。

工程所在區(qū)域?qū)俅箨懜珊敌詺夂?，氣溫變化大，降雨量極少，且蒸發(fā)強(qiáng)烈，邊坡巖體中基巖裂隙水補(bǔ)給來源主要是冰雪融水和大氣降水，埋深在2410m高程以下，無統(tǒng)一水位，地下水流向是基巖裂隙水補(bǔ)給河水。

在勘察過程中為查明右岸壩肩邊坡巖體卸荷特征，不同高程共布置4個(gè)勘探平硐，右壩肩上部2478m高程布置鉆孔1個(gè)。通過平硐和鉆孔揭露，邊坡巖體卸荷強(qiáng)烈，且均發(fā)生傾倒變形，依據(jù)巖層傾角、層間裂隙發(fā)育密度不同、巖體松弛程度、巖體結(jié)構(gòu)、縱波速度等，可將傾倒變形體劃分為強(qiáng)、弱卸荷傾倒變形帶，變形體強(qiáng)、弱傾倒變形劃分如表1，圖1，圖2。

由表1可知，變形體內(nèi)未見地下水出露，所有平硐均干燥，壩址區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度地震動(dòng)峰值加速度為0.10g的區(qū)域內(nèi)，地震烈度為7°，屬于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差的地區(qū)。

表1 變形體強(qiáng)弱傾倒變形劃分

圖1 強(qiáng)傾倒變形體

圖2 弱傾倒變形體

2 巖體卸荷傾倒變形成因機(jī)制及邊坡破壞模式

2.1 變形成因機(jī)制

2.1.1 變形體

為晚古生代陸源盆地石炭系地層，巖性為薄層狀的千枚狀泥灰?guī)r、夾砂巖，結(jié)構(gòu)面中：片理面、層理面較為發(fā)育，岸坡巖體坡度較為陡峻，且河谷走向多與巖層走向小角度相交。

2.1.2 構(gòu)造線

工程區(qū)其構(gòu)造線主要為近NE走向，處于多條NE向區(qū)域性斷裂之間，地層多為線狀緊密褶皺，地層受逆沖推覆構(gòu)造作用向東南方向倒轉(zhuǎn)，該處地應(yīng)力較高，最大壓應(yīng)力方向與河谷近正交。

2.1.3 應(yīng)力分布特征

根據(jù)張倬元、王士天、王蘭生的《工程地質(zhì)分析原理》，河谷區(qū)巖體內(nèi)自由凌空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用的一般規(guī)律為：主應(yīng)力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯變化，通常重分布后的最大主應(yīng)力與臨空面平行，最小主應(yīng)力則與之垂直，最大主應(yīng)力從內(nèi)向外逐漸增大，到達(dá)臨空面達(dá)到最大值，而最小主應(yīng)力變化則相反，剪應(yīng)力在臨空面附近特別是坡腳處和河谷底部顯著增大，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)巖體內(nèi)應(yīng)力超過其強(qiáng)度，巖體就發(fā)生破裂變形，形成各類表生結(jié)構(gòu)面。

河流右岸為沖刷岸，下切作用強(qiáng)烈，造成河谷應(yīng)力呈駝峰分布，應(yīng)力釋造成Ⅰ、Ⅱ型卸荷裂隙的發(fā)育。伴隨地質(zhì)歷史時(shí)期的地殼上升和河谷下切的外力改造過程中，根據(jù)黃潤(rùn)秋、林峰的研究［4］，其邊坡應(yīng)力調(diào)整為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，呈駝峰狀分布?？偨Y(jié)邊坡卸荷的應(yīng)力破壞機(jī)制，有3種I類卸荷裂隙發(fā)育在坡體的淺表層，并且向坡內(nèi)逐漸減弱的特征，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表生改造，實(shí)際工程中還有3種II類的卸荷裂隙，包括剪切松弛型卸荷裂隙、剪切錯(cuò)動(dòng)型卸荷拉裂。河谷區(qū)的裂隙分布和應(yīng)力分布，如圖3。

圖3 河谷區(qū)的裂隙分布和應(yīng)力分布

2.2 邊坡破壞模式

隨著河流下切、地殼相應(yīng)抬升，根據(jù)反傾或陡立層狀巖質(zhì)邊坡的力學(xué)破壞機(jī)制為力學(xué)模型懸臂梁的力學(xué)模型，破壞機(jī)理是在自重彎矩及外力作用下的懸臂梁式彎曲破壞，巖層可見明顯彎曲、折斷現(xiàn)象，楔形縫發(fā)育，卸荷拉裂階段，使得岸坡巖體向臨空面方向發(fā)生卸荷傾倒—板梁彎曲—拉裂—折斷—形成底滑面，然后滑移—崩塌的破壞模式如圖4。

圖4 變形示意

3 邊坡穩(wěn)定

3.1 穩(wěn)定性分析

右岸邊坡坡高200～260m，坡度40°～45°，坡體表層強(qiáng)卸荷傾倒變形帶中裂隙發(fā)育且多張開，巖體互層狀結(jié)構(gòu)，整體松弛，呈碎裂結(jié)構(gòu)，工程力學(xué)性質(zhì)較差：弱卸荷傾倒變形帶卸荷裂隙發(fā)育，卸荷裂隙之間的巖體工程性狀稍好，呈鑲塊塊裂結(jié)構(gòu)；據(jù)平硐揭露，坡體表層2m范圍內(nèi)，卸荷裂隙大部分充填粉土或碎石；在天然條件下，邊坡整體穩(wěn)定。

根據(jù)右岸邊坡形態(tài)和可能破壞的形式及裂隙組合情況，采用剛體極限平衡法進(jìn)行初步穩(wěn)定性計(jì)算，考慮平面型滑面滑動(dòng)分析。其計(jì)算公式：

地震力Pb=KHW

式中 W為滑體的重力（kN）；φ為滑面的內(nèi)摩擦角（°）；c為滑面黏聚力 （kPa）；L為滑體長(zhǎng)度 （m）；α為坡腳（°）；β為結(jié)構(gòu)面傾角（°）；KH為地震系數(shù)（根據(jù)7°烈度確定為0.1）。

對(duì)于計(jì)算剖面，主要是確定邊坡的滑移面。綜合考慮邊坡巖體的裂隙產(chǎn)狀、卸荷傾倒變形帶深度及性狀、坡面形態(tài)以及可能的失穩(wěn)模式，推測(cè)有2個(gè)可能的滑移面：①沿強(qiáng)卸荷傾倒變形體與弱卸荷傾倒變形體分界面（滑面Ⅰ）產(chǎn)生滑移；②沿弱卸荷傾倒變形體下限界面（滑面Ⅱ）產(chǎn)生滑移，如圖5。

圖5 右岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算地質(zhì)剖面

樞紐工程區(qū)右岸邊坡均分布卸荷傾倒變形體，一旦失穩(wěn)對(duì)樞紐建筑物影響巨大。參照DL/T5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，綜合考慮邊坡所處部位、邊坡規(guī)模、邊坡工程地質(zhì)條件，確定邊坡級(jí)別為A類一級(jí)。穩(wěn)定性計(jì)算工況如表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算工況、荷載組合及安全系數(shù)

根據(jù)平硐和鉆孔觀測(cè)水位表明，在天然、暴雨、久雨條件下，坡體均無穩(wěn)定的地下水為干燥狀態(tài)，不考慮地下水壓力的影響計(jì)算中不考慮地下水位。

對(duì)于計(jì)算參數(shù)，主要是確定滑面抗剪強(qiáng)度，滑面Ⅰ以上巖體多呈干砌石狀，天然狀態(tài)下取黏聚力C=0.05MPa，摩擦系數(shù)f′=0.78；庫水作用下取C=0.02MPa，f′=0.73；滑面Ⅱ（弱卸荷傾倒變形體下限界面）以巖體抗剪斷強(qiáng)度的0.8折減取值，天然狀態(tài)下C=0.6MPa，f′=0.81，庫水作用下時(shí)，僅高程2460m以下處于飽和狀態(tài)，C=0.4MPa，f′=0.8。巖體天然重度取26.6kN/m3，飽和重度取27.0kN/m3。計(jì)算未考慮坡腳第四系堆積體的阻滑作用。

綜合考慮天然狀態(tài)（持久狀況）裂隙無水及庫水使高程以下裂隙充水情況；偶然狀況為天然狀態(tài)與7°地震的荷載組合。計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算滑面為推測(cè)界面 （實(shí)際無連續(xù)結(jié)構(gòu)面），且本階段未進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)工作，計(jì)算公式單一，計(jì)算成果僅供參考。

3.2 穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 現(xiàn)狀條件

邊坡整體基本穩(wěn)定，不存在發(fā)生滑動(dòng)的可能性；但在7°地震條件下，表層的強(qiáng)卸荷巖體會(huì)產(chǎn)生崩塌為主的變形破壞，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 施工期間

對(duì)坡腳覆蓋層開挖，邊坡表部厚8～10m的強(qiáng)卸荷傾倒變形巖體可能產(chǎn)生局部塌滑或蠕動(dòng)變形，其破壞特征為表部逐步的、小規(guī)模的塌滑及掉塊。

3.2.3 運(yùn)行期間

邊坡表部厚8～10m的強(qiáng)卸荷傾倒變形巖體可能產(chǎn)生塌滑或蠕動(dòng)變形。由于邊坡（1/2以上坡體）位于庫水以下，初步分析，其產(chǎn)生大的涌浪可能性不大。弱卸荷傾倒變形巖體在各種工況下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 對(duì)大壩工程的影響及處理措施

右岸壩肩邊坡在天然情況下處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，在卸荷作用和風(fēng)化作用等表層改造下，會(huì)發(fā)生中小規(guī)模崩塌現(xiàn)象，依據(jù)前期的勘探成果和地質(zhì)測(cè)繪資料經(jīng)綜合分析，基于右岸壩肩卸荷傾倒變形問題提出以下處理措施：

（1）右岸坡表部強(qiáng)、弱卸荷傾倒變形巖體卸荷裂隙發(fā)育，巖體整體呈塊碎狀，結(jié)構(gòu)松弛，工程力學(xué)性質(zhì)較差，不宜作為趾板及心墻基礎(chǔ)，建議清除處理。

（2）表部厚8～10m的強(qiáng)卸荷傾倒變形巖體結(jié)構(gòu)呈干砌石狀，其中表層2m結(jié)構(gòu)近似含土塊碎石，不能滿足土石壩體基礎(chǔ)要求，建議按自然坡度清除。

（3）對(duì)趾板及心墻基礎(chǔ)須采取固結(jié)灌漿等處理措施，遇到卸荷裂隙時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)灌漿等處理措施。

（4）壩體以上邊坡表部強(qiáng)卸荷傾倒變形巖體，可能產(chǎn)生小規(guī)模的滑落及掉塊，為保證大壩面板等設(shè)施的安全，建議清除危巖體或者打錨桿掛網(wǎng)噴混凝土處理。

［1］GB_50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［2］DL/T5353—2006，水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理（2版）［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［4］黃潤(rùn)秋，林峰，陳德基，等.巖質(zhì)高邊坡卸荷帶形成及其工程性狀研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2001，9（3）.

［5］張以晨，餌磊，沈世偉，等.反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒破壞力學(xué)模型［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2011，41（S1）：207-213.

［6］陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.