層狀巖質(zhì)高位自然邊坡危險(xiǎn)源判定及處理

白 偉, 王吉亮, 李 志, 劉沖平, 楊 靜

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司,湖北 武漢 430074)

受印度板塊的擠壓作用,青藏高原近百萬(wàn)年來(lái)持續(xù)隆升,在青藏高原到四川盆地之間形成了中國(guó)地貌上的第一階梯,伴隨著河谷的下切,形成了雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江等深切河谷,這些河谷蘊(yùn)藏著豐富的水能資源,同時(shí)也形成了高山峽谷地貌特征,在該地區(qū)進(jìn)行水電資源開發(fā),高位自然邊坡穩(wěn)定問題是必須面對(duì)的關(guān)鍵工程技術(shù)難題[1]。本文以金沙江烏東德水電站的高位自然邊坡為例,重點(diǎn)闡述高位自然邊坡危險(xiǎn)源的類型、識(shí)別、宏觀穩(wěn)定性判斷及處理方法。

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花—宜賓)4個(gè)梯級(jí)(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)最上一級(jí),壩址所處河段左岸隸屬四川省涼山州會(huì)東縣,右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣。電站上距攀枝花市213.9 km,下距白鶴灘水電站182.5 km,與昆明、成都的直線距離分別為125 km和470 km,與廣州、武漢、上海的直線距離分別為1 200 km、1 250 km和1 950 km。電站設(shè)計(jì)正常蓄水位975 m,水庫(kù)總庫(kù)容74.05億m3,樞紐建筑物由擋水建筑物大壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成,為大(1)型Ⅰ等工程,大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高265 m,電站裝機(jī)容量10 200 MW,多年平均發(fā)電量389.1億kW·h,是西電東送的的骨干電源點(diǎn)[2]。

烏東德水電站樞紐區(qū)地處青藏高原東南邊緣的川滇山地,金沙江深切于高原面之下,形成典型的深切峽谷。壩址河段長(zhǎng)約1 800 m,河道基本順直,峽谷兩岸邊坡基本對(duì)稱,左岸坡頂高程1 836 m、右岸坡肩高程1 630 m,自河床起算邊坡高度830～1 036 m,約為壩高的3～4倍,屬超高邊坡。

樞紐區(qū)高邊坡巖體由前震旦系褶皺基底和后期沉積蓋層組成,邊坡下部褶皺基底地層走向與河流近垂直,形成陡立近橫向谷;上部蓋層地層走向與河流近平行,形成緩傾左岸近縱向谷,左岸呈逆向坡,右岸雖呈順向坡,但地層厚度有限且遠(yuǎn)離河谷。故河谷類型和地質(zhì)結(jié)構(gòu)均對(duì)邊坡穩(wěn)定有利,前期地質(zhì)勘察與分析研究均表明,樞紐區(qū)高邊坡整體穩(wěn)定狀況良好。

樞紐區(qū)高邊坡可分為工程邊坡和自然邊坡。對(duì)大壩壩肩、廠房引水洞進(jìn)口、尾水洞出口、泄洪洞進(jìn)出口、水墊塘、導(dǎo)流洞進(jìn)出口等部位開挖形成的工程邊坡,可采用開挖及噴錨支護(hù)為主的處理措施,保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性;對(duì)工程邊坡開口線以上的自然邊坡(即高位自然邊坡),因岸坡表部存在一定數(shù)量的潛在不穩(wěn)定塊體、變形體、堆積體以及隨機(jī)廣泛分布的危石或浮石等,在卸荷、風(fēng)化及降雨等自然因素與工程擾動(dòng)(爆破開挖)作用下,可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)、崩塌與滾落、墜石,從而危及工程施工與運(yùn)行安全。因此,對(duì)高位自然邊坡優(yōu)先采取防治措施,建立起工程施工期及運(yùn)行期的安全屏障是十分必要的[3]。

1 高位自然邊坡危險(xiǎn)源類型

高位自然邊坡危險(xiǎn)源主要是指影響其局部穩(wěn)定性的問題,主要有以下3類:潛在不穩(wěn)定塊體、變形體以及高位堆積體。

1.1 潛在不穩(wěn)定塊體

潛在不穩(wěn)定塊體是指由結(jié)構(gòu)面完全或基本完全切割組合形成的相對(duì)孤立的、與母體隔離的可能產(chǎn)生向臨空方向變形、失穩(wěn)的巖體。

如何能夠快速準(zhǔn)確的識(shí)別潛在不穩(wěn)定塊體,首先需要熟知潛在不穩(wěn)定塊體的失穩(wěn)模式。潛在不穩(wěn)定塊體的失穩(wěn)模式主要有如下幾種類型。

(1) 單面滑動(dòng)型:主要發(fā)生在傾坡外結(jié)構(gòu)面控制的巖體中,破壞方式為沿外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生單面滑移(圖1)。

圖1 典型單面滑動(dòng)型塊體示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical single-sided sliding type block

(2) 雙面(楔形體)滑動(dòng)型:多發(fā)生在邊坡的塊狀巖體中,受兩組或兩組以上,傾向與坡面斜交。破壞方式為沿兩條底滑面組成的交棱線向臨空方向滑移(圖2)。

圖2 典型雙面滑動(dòng)型塊體示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical double-sided sliding type block

(3) 崩塌型:主要發(fā)生在倒懸的巖體中,底部臨空,多位于陡崖頂部,表現(xiàn)為沿豎向結(jié)構(gòu)面拉張,從而產(chǎn)生自由墜落,或沿陡峻斜坡滾落(圖3)。

(4) 傾倒型:結(jié)構(gòu)面完全或基本完全切割組合形成的孤立的可能產(chǎn)生變形、傾倒的巖體(圖4)。

1.2 變形體

巖體變形是指巖體承受的外力不超過抗壓、抗剪強(qiáng)度極限時(shí)表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變。高位自然邊坡常見的變形體有傾倒變形體與蠕滑變形體。

圖3 典型崩塌型塊體剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of typical falling type block profile

圖4 典型傾倒型塊體剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of the typical toppling type block profile

1.2.1 傾倒變形體

傾倒變形體一般發(fā)育在反傾和斜反傾的陡立層狀結(jié)構(gòu)邊坡中,或被裂隙切割的巖體中。表部巖層向坡外彎曲,傾倒變形,直至巖層折斷,形成變形體(圖5)。

1.2.2 蠕滑變形體

蠕滑變形體多見于均質(zhì)或類均質(zhì)體斜坡中。潛在滑移面受坡體最大剪應(yīng)力面的位置所控制,該面以上坡體為自地表向下遞減的剪切蠕變帶。隨蠕滑進(jìn)展,坡面下沉,后緣張力帶發(fā)育拉裂面并向深部逐漸擴(kuò)展與潛在滑移面相連,造成沿潛在滑移面剪應(yīng)力集中并有利于地表水滲入,最后潛在滑移面被剪斷而發(fā)展為滑坡。在高陡的斜坡中,尤其當(dāng)坡體具脆性特征時(shí),常常發(fā)展成劇沖性崩滑,甚至演變?yōu)楦咚偎樾剂?圖6)。

1.3 高位堆積體

高位堆積體是指在工程部位以上的高程第四系堆積體,它的整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定性直接影響樞紐區(qū)下方施工人員及建筑物的安全。

圖5 傾倒變形體剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the toppling deformable body profile

圖6 蠕滑變形體剖面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the creep deformable body profile

堆積體按成因類型可分為崩坡積、殘坡積、洪積、沖積、冰積等。高位堆積體最常見的類型為崩坡積體,特征為碎屑物巖性成分復(fù)雜,與高處的巖性組成有直接關(guān)系,從坡上往下逐漸變細(xì),分選性差,層理不明顯,厚度變化較大,厚度在斜坡較陡處較薄,在坡腳地段較厚[4]。

2 危險(xiǎn)源識(shí)別及穩(wěn)定性宏觀判斷

2.1 潛在不穩(wěn)定塊體

這些由不連續(xù)面切割形成巖石塊體,廣泛存在巖質(zhì)邊坡上,若發(fā)生失穩(wěn)或垮塌,常常在施工及后期的工程運(yùn)營(yíng)過程中造成災(zāi)害。因此,對(duì)潛在不穩(wěn)定塊體的識(shí)別尤為重要,也為后期設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。高位自然邊坡的潛在不穩(wěn)定塊體識(shí)別一直以來(lái)就是工程地質(zhì)勘察的一個(gè)難點(diǎn)。如何有效準(zhǔn)確的識(shí)別潛在不穩(wěn)定塊體,以判斷其邊界及穩(wěn)定性,是工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域中一個(gè)重大技術(shù)難題。

識(shí)別潛在不穩(wěn)定塊體的方法一般有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與3D照片識(shí)別?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)于人可以到達(dá)的部位可近距離觀察構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及性狀,從而可準(zhǔn)確判斷其邊界及穩(wěn)定性,而對(duì)于人無(wú)法到達(dá)的部位,則只能通過望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行遠(yuǎn)距離判斷。遠(yuǎn)距離觀察難以準(zhǔn)確、全面的判斷潛在不穩(wěn)定塊體的特征,所以對(duì)于地質(zhì)人員無(wú)法到達(dá)的部位,采用3D照片進(jìn)行識(shí)別。該方法是利用高清照相機(jī)或者無(wú)人機(jī)對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行全方位多角度的攝像或拍照,并在該區(qū)域制作像控點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,然后生成3D照片。通過3D照片可多角度全方位的識(shí)別,并可以在照片上量取構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、長(zhǎng)度等特征信息,也為后期塊體穩(wěn)定性計(jì)算提供可靠的基礎(chǔ)資料。

潛在不穩(wěn)定塊體宏觀穩(wěn)定判斷主要取決3個(gè)方面的因素:①結(jié)構(gòu)面幾何特征(產(chǎn)狀和連通性等);②結(jié)構(gòu)面的性狀(粗糙起伏程度、張開度、充填物等);③卸荷松弛特征。

以上述三方面因素為原則,依照表1,將潛在不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性分為穩(wěn)定性差、較差、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定四級(jí)。

2.2 變形體

變形體在自然邊坡中廣泛存在,首先需要對(duì)其準(zhǔn)確識(shí)別。變形體內(nèi)中上部一般都會(huì)伴隨有明顯的張拉裂縫。此外,受巖體變形的影響,變形體內(nèi)巖體層面產(chǎn)狀與周圍巖體產(chǎn)狀不同。通過上述兩點(diǎn)可對(duì)變形體進(jìn)行識(shí)別,并確定變形體類型。之后還需要通過勘探等手段來(lái)查明變形體的范圍、形態(tài)、變形速率等特征參數(shù),進(jìn)而為判斷變形體的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

傾倒變形體一般不存在整體失穩(wěn),主要表現(xiàn)為向臨空面產(chǎn)生逐級(jí)后退式傾倒破壞。穩(wěn)定性主要取決于地表坡度與巖體層厚,這個(gè)可通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪來(lái)宏觀判斷其穩(wěn)定性。

蠕滑變形體整體穩(wěn)定性主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及性狀,當(dāng)滑動(dòng)面向臨空方向的傾角足以使上覆坡體的下滑力超過該面的實(shí)際抗剪強(qiáng)度時(shí),則在成坡過程中該面一經(jīng)揭露即迅速導(dǎo)致破壞,發(fā)展為崩塌型滑坡,變形過程短暫;而當(dāng)滑移面傾角接近該面殘余摩擦角,且其抗剪強(qiáng)度接近殘余值時(shí),變形可向滑動(dòng)逐漸過渡,發(fā)展為使坡體逐漸解體的緩滑?；w內(nèi)不同方向裂隙被拉開成網(wǎng)狀巷道,形成塊狀滑坡。

表1 潛在不穩(wěn)定塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Stability estimate standard of potential instability block

向裂隙被拉開成網(wǎng)狀巷道,形成塊狀滑坡。

2.3 高位堆積體

對(duì)工程部位以上的第四系堆積體進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪,確定堆積體的邊界與形態(tài)特征。然后布置勘探鉆孔及平洞進(jìn)一步查明其地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、基巖面形態(tài)與水文地質(zhì)特征等。

在進(jìn)行地質(zhì)勘探過程中重點(diǎn)關(guān)注是否有連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面與基巖面形態(tài)。若存在連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面或者基巖面形態(tài)較陡,那么堆積體的整體穩(wěn)定性可能存在問題,反之亦然。此外,堆積體坡面散布的崩坡積物在外界擾動(dòng)及自然因素(如降雨、風(fēng)化、地震)作用下局部可能會(huì)出現(xiàn)規(guī)模較小的滾落或崩落。

3 危險(xiǎn)源處理方法

3.1 潛在不穩(wěn)定塊體

潛在不穩(wěn)定塊體的處理措施一般有4種。

(1) 清除:清除的適用條件為一般潛在不穩(wěn)定塊體的失穩(wěn)模式為崩塌、穩(wěn)定性較差—差,方量一般<20 m3的情況。

(2) 混凝土支撐:該方案主要針對(duì)倒懸塊體,需要有合適的地形地基條件。

(3) 錨固:一般采用錨桿、錨索及錨筋樁進(jìn)行加固,其錨桿、錨索及錨筋樁的方位角、直徑及噸位等需根據(jù)潛在不穩(wěn)定塊體的具體幾何特征確定。

(4) 柔性防護(hù)網(wǎng):該方案一般針對(duì)穩(wěn)定性較差—差的潛在不穩(wěn)定塊體,由于其他原因無(wú)法清除,為確保潛在不穩(wěn)定塊體錨固施工期的安全,需先將其進(jìn)行兜錨預(yù)支護(hù),然后再結(jié)合錨固一并處理。

3.2 變形體

變形體的處理措施一般有3種。

(1) 混凝土支撐:對(duì)于傾倒變形體來(lái)說,為防止腳部巖塊剝落可能引起的后續(xù)巖體失穩(wěn),于變形體腳部臨空部位采取固結(jié)灌漿和混凝土支撐措施,這樣可以有效的阻止其繼續(xù)變形。

(2) 混凝土“阻滑鍵”錨固:對(duì)于蠕滑變形體來(lái)說,在變形體內(nèi)設(shè)置混凝土“阻滑鍵”對(duì)其錨固,可有效阻止其繼續(xù)變形。“阻滑鍵”需穿過滑面,進(jìn)入未變形基巖。

(3) 柔性防護(hù)網(wǎng):變形體表面巖體受變形擾動(dòng)影響,一般較破碎,為防止坡面發(fā)生滾石現(xiàn)象,需在變形體表面布置主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行包裹,在變形體下方布置被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行攔擋。

3.3 高位堆積體

根據(jù)高位堆積體的基本地質(zhì)條件、穩(wěn)定性以及危害性大小綜合提出治理方案,一般的處理措施有如下幾種。

(1) 地表及地下排水:水對(duì)堆積體的穩(wěn)定性影響較大,做好排水措施十分必要,對(duì)地表水的處理一般采用截排水溝進(jìn)行排導(dǎo),地下水則采用排水洞結(jié)合排水孔進(jìn)行排導(dǎo)。

(2) 在基覆界面附近布置混凝土“阻滑鍵”增加堆積體的整體穩(wěn)定性。

(3) 柔性防護(hù)網(wǎng):同樣為了防止?jié)L石現(xiàn)象發(fā)生,需在堆積體較陡坡段布置主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng),在堆積體下方布置被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行攔擋。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 潛在不穩(wěn)定塊體宏觀穩(wěn)定判斷主要取決于結(jié)構(gòu)面幾何特征、構(gòu)面的性狀、卸荷松弛特征,我們一般將潛在不穩(wěn)定塊體穩(wěn)定性分為4級(jí):穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較差和差。潛在不穩(wěn)定塊體的處理措施一般有4種:清除、混凝土支撐、錨固及柔性防護(hù)網(wǎng)。

(2) 傾倒變形體一般不存在整體失穩(wěn),主要表現(xiàn)為向臨空面產(chǎn)生逐級(jí)后退式傾倒破壞,穩(wěn)定性主要取決于地表坡度與巖體層厚。蠕滑變形體整體穩(wěn)定性主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及性狀,結(jié)構(gòu)面越陡、性狀越差,穩(wěn)定性則越差。變形體處理措施一般有3種:混凝土支撐、混凝土“阻滑鍵”錨固及柔性防護(hù)網(wǎng)。

(3) 高位堆積體的整體穩(wěn)定性主要取決于是否有連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面與基巖面形態(tài)。若存在連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面或者基巖面形態(tài)較陡,那么堆積體的整體穩(wěn)定性可能存在問題,反之亦然。高位堆積體處理措施一般有3種:地表及地下排水、在基覆界面附近布置混凝土“阻滑鍵”以及柔性防護(hù)網(wǎng)。