某樞紐工程壩址右岸高陡邊坡穩(wěn)定分析與處理措施

盧 敏

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330200)

1 工程概況

某水利樞紐工程壩型為砂礫石面板堆石壩，最大壩高達(dá)164.3 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容22.51×108m3，控制灌溉面積28.5×104hm2，電站裝機(jī)容量730 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量23.32×108kW·h，屬大(Ⅰ)型Ⅰ等工程[1]。樞紐工程由攔河壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。在勘察研究過(guò)程可知，壩址右岸邊坡高達(dá)566 m，基巖裸露，壩頂高程以上邊坡接近直立。由于壩頂以上邊坡人員無(wú)法到達(dá)，采用三維激光掃描成像技術(shù)，并結(jié)合已有壩區(qū)平硐及現(xiàn)有地質(zhì)資料分析，右岸邊坡存在6處局部可能產(chǎn)生小規(guī)模變形失穩(wěn)的區(qū)域，對(duì)工程的施工及運(yùn)行安全有一定影響。建議采用主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，其技術(shù)可行，也能預(yù)防施工期危巖的影響[2]。

為進(jìn)一步查明右岸高邊坡穩(wěn)定性，2010-2011年修筑完成了右岸高邊坡上山道路，完成了2 140、2 080和1 935 m高程3層勘探平硐，對(duì)右岸高邊坡進(jìn)行了坡面地質(zhì)編錄、結(jié)構(gòu)面調(diào)查、統(tǒng)測(cè)及統(tǒng)計(jì)等工作。通過(guò)以上工作，查明了邊坡巖體結(jié)構(gòu)面分布，利用已有巖石(體)試驗(yàn)成果結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比，提出了高邊坡主要破壞形式和加固措施的建議[2]。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 右岸高邊坡基本地質(zhì)條件

壩址區(qū)位于中山峽谷區(qū)，右岸高邊坡位于3#和5#沖溝之間的基巖山梁，梁頂山峰高程2 530～2 720 m，當(dāng)水庫(kù)正常蓄水位1 820 m時(shí)，山梁順河向?qū)挾? 100～2 100 m，邊坡走向近EW，整體成臺(tái)階狀，陡緩交替，上游側(cè)為一陡壁，坡度>80°。在壩體范圍內(nèi)，F(xiàn)9斷層以上自然坡度為75°～80°，局部近直立55°～80°，靠近壩軸線上游側(cè)發(fā)育有一條基巖溝槽，溝槽深度5～15 m，溝壁較陡，坡度大于60°，山坡上分布有崩塌堆積物形成的倒石堆，可推知崩塌災(zāi)害發(fā)生。

右岸高邊坡基巖裸露，地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙及斷層帶內(nèi)，沿裂隙網(wǎng)絡(luò)及斷層帶運(yùn)移，無(wú)統(tǒng)一的水面。右岸高邊坡臨河岸坡未見(jiàn)泉水分布；在下游與3#沖溝交匯處坡腳有泉點(diǎn)出露，高程1 696 m，略高于河水位，水量微小并隨季節(jié)或降水變化，基巖裂隙水主要受大氣降水的補(bǔ)給，總體向河谷排泄。

2.2 巖性及物理力學(xué)特性

高邊坡基巖巖性為中石炭統(tǒng)阿孜干組C2a的薄層灰?guī)r、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、石英砂巖為主。據(jù)試驗(yàn)成果，白云質(zhì)灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度32.4～69.2 MPa 之間，平均值49.4 MP，軟化系數(shù)0.39～0.80之間，平均值0.59，屬中硬巖，干密度 2.67～2.79 g/cm3，孔隙率0.37%～0.74%，弱～微風(fēng)化巖體縱波速度3 500～6 700 m/s；灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度30.5～45.9 MPa之間，平均值36.5 MP，屬中硬巖，軟化系數(shù) 0.40～0.85之間，平均值0.65，干密度2.67～2.71 g/cm3，孔隙率0.37%～1.1%，弱～微風(fēng)化巖體縱波速度3 000～5 800 m/s。高邊坡各類巖體物理力學(xué)地質(zhì)建議值見(jiàn)表1及表2[3]。

表1 高邊坡巖體質(zhì)量分類表

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

2.3 構(gòu)造條件

巖層產(chǎn)狀在F9斷層以下為340°～355°SW∠58°，以上為300°～330°SW∠44°～51°。右岸坡巖層傾向上游偏坡里，為橫向逆向坡。

2.3.1 斷 層

右岸坡分布規(guī)模較大的F9斷層，斷層斜切右岸邊坡，出露長(zhǎng)度約650 m，兩盤巖層主要為灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，斷層產(chǎn)狀310°SW∠30°～35°，傾向岸內(nèi)，破碎帶寬2.0～8.0 m，影響帶寬40 m左右[4]，斷層帶主要由碎裂巖夾糜棱巖和斷層泥組成，其中糜棱巖厚度1.0～2.5 m。

2.3.2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面

根據(jù)邊坡大量結(jié)構(gòu)面統(tǒng)測(cè)結(jié)果所制極點(diǎn)圖(圖1)及等密度云圖(圖2)，主要發(fā)育 3 組結(jié)構(gòu)面(表3)：①傾向 NW 的卸荷裂隙，傾角均值為68°；②傾向 SW 的巖層層面，傾角均值為42°；③與岸坡大角度相交的傾向E/SE的結(jié)構(gòu)面，傾角均值為66°。

圖1 巖體隨機(jī)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖(上半球投影)

圖2 巖體隨機(jī)結(jié)構(gòu)面分布等密度云圖(上半球投影)

表3 壩體右岸高邊坡結(jié)構(gòu)面分組匯總表

3 高邊坡整體穩(wěn)定性分析

3.1 高邊坡主要變形破壞模式

右岸邊坡為巖層傾向上游橫向逆向坡，巖層及主要斷層均傾向坡里或傾向上游偏坡里(圖3)，巖體堅(jiān)硬完整，地質(zhì)測(cè)繪及平硐揭露均未發(fā)現(xiàn)傾坡外的大規(guī)模不利結(jié)構(gòu)面分布，邊坡體主要由II、Ⅲ兩類巖體組成，經(jīng)地表及平硐探測(cè)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，在天然狀態(tài)下，邊坡整體穩(wěn)定性較好，邊坡不存在失穩(wěn)問(wèn)題。

圖3 右岸高邊坡危巖體分布位置

危巖體分布及組合關(guān)系：據(jù)地表測(cè)繪及平硐揭露，右岸邊坡在F9斷層以下卸荷裂隙帶水平深度為5～8 m；F9斷層以上卸荷裂隙帶水平深度為14～17 m，最大深度為26 m(PD20)，裂隙面多張開(kāi)，最大張開(kāi)寬度10 cm。右岸高邊坡淺表巖體卸荷松弛較明顯，天然狀態(tài)下有小規(guī)模的崩塌、滑落現(xiàn)象，主要為卸荷裂隙與層面組合構(gòu)成。其中，層面和卸荷裂隙發(fā)育密度較大，為邊坡主要控制結(jié)構(gòu)面，易形成崩塌源或滑落源(危巖體)。根據(jù)坡表及平硐的變形破壞跡象的調(diào)查，右岸高邊坡共確定有31處邊坡危巖體(圖3)，估算總方量約為74.6×104m3。結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型的分析，高邊坡主要變形破壞模式為松弛張裂-崩塌和不穩(wěn)定楔形體-拉裂-崩塌為主。

1) 松弛張裂-崩塌。邊坡的側(cè)向應(yīng)力削弱后出現(xiàn)卸荷回彈而在坡體出現(xiàn)張裂隙的現(xiàn)象成為松弛張裂，在邊坡形成松弛張裂帶(圖4)。最終導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生崩塌。

2) 楔形體-拉裂-崩塌。在樞紐右岸邊坡表部裂隙與巖體層面構(gòu)成不利組合，形成規(guī)模較小的楔形塊體。自然斜坡的陡壁上和溝槽附近可見(jiàn)原楔形滑體空腔和楔形塊體(圖5)。這種變形模式在此區(qū)內(nèi)主要以崩塌或墜石為主要破壞方式[5]。

圖4 右岸高邊坡F9以上淺表巖體處松弛張裂

圖5 壩軸線上游側(cè)1 880 m高程附近楔形塊體

3) 滑移破壞。單滑面失穩(wěn)破壞：這種破壞模式主要是以卸荷裂隙為滑面，危巖體兩側(cè)為邊坡巖體崩塌或沖蝕形成的臨空面組成的潛在不穩(wěn)定塊體，見(jiàn)圖6(a)。組合面滑移破壞：主要由傾坡外的裂隙與傾向SW的中緩傾角的層面組合，形成底滑面，兩側(cè)臨空形成較大的潛在不穩(wěn)定塊體。如在右岸高邊坡中方量最大的 W19,見(jiàn)圖6(b)。

圖6 滑移破壞危巖體結(jié)構(gòu)形式

3.2 F9斷層對(duì)高邊坡穩(wěn)定的影響

F9斷層在地表出露650 m左右，破碎帶寬2.0～8.0 m，影響帶寬40 m左右，斷層帶主要由碎裂巖夾糜棱巖和斷層泥組成，其中糜棱巖厚度1.0～2.5 m,見(jiàn)圖7(a)。

水庫(kù)運(yùn)行后，F(xiàn)9斷層帶大部分浸泡于水下，由于斷層糜棱巖具遇水軟化現(xiàn)象,見(jiàn)圖7(b)，因此F9斷層帶對(duì)高邊坡穩(wěn)定性有一定影響。庫(kù)水作用下，F(xiàn)9斷層糜棱巖帶軟化或掏蝕，會(huì)使上部巖體失去支撐，進(jìn)一步卸荷而產(chǎn)生崩塌失穩(wěn)。

圖7 F9斷層糜棱巖試樣浸水試驗(yàn)

3.3 高邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)右岸高邊坡現(xiàn)有地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)工作資料，結(jié)合分析計(jì)算，右岸邊坡穩(wěn)定性分析如下：

1) 右岸高邊坡主要發(fā)育NW300°～NE10°60°～80° (卸荷裂隙)、SW230°30°～50°(層面)與50°～110°50°～70°等3組結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面與邊坡面相互切割，在邊坡表面形成諸多體積大小不等的潛在不穩(wěn)定塊體，為邊坡表層危巖體的主要破壞模式。

2) 右岸巖體中構(gòu)造發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但控制性結(jié)構(gòu)面反傾坡內(nèi)或與坡面大角度斜交，邊坡整體穩(wěn)定性較好，二維極限平衡分析成果初步顯示，現(xiàn)有面板壩和心墻壩方案右岸邊坡在開(kāi)挖、筑壩等條件下整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。在面板壩的趾板邊坡開(kāi)挖、筑壩、蓄水等工況下有限元分析成果揭示，塑性區(qū)一般分布在斷層在坡面出露處和開(kāi)挖面附近，范圍較小，無(wú)明顯塑性貫通區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定性較好。施工中應(yīng)注意開(kāi)挖范圍內(nèi)的淺表層支護(hù)，特別是斷層在開(kāi)挖面出露位置附近巖體的支護(hù)。

3) F9斷層從上游斜穿整個(gè)右岸邊坡，傾向坡內(nèi)，核部的糜棱巖最寬處超過(guò)2 m，風(fēng)化性強(qiáng)，遇水軟化，強(qiáng)度喪失較快。另外斷層影響帶也較寬，平均達(dá)20 m以上。對(duì)其飽水前后的物理力學(xué)性質(zhì)的變化可知，斷層飽水后會(huì)降低邊坡整體穩(wěn)定性，需要根據(jù)工程實(shí)際對(duì)斷層進(jìn)行加固處理。

4) 實(shí)測(cè)得到的31個(gè)危巖體中，由于W19、W21、W23、W24、W25以及W27危巖體所處的位置較為重要，其穩(wěn)定與否對(duì)工程設(shè)計(jì)有重要的影響，在本階段工作中對(duì)這些危巖體中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及強(qiáng)度參數(shù)等不同組合進(jìn)行了敏感性分析。通過(guò)分析可知，大部分危巖體整體穩(wěn)定性較好，但其表層的巖塊崩滑是在工程施工與運(yùn)行期間需要注意的問(wèn)題。W19規(guī)模較大，其位置也比較重要，在暴雨及地震工況下，危巖體安全系數(shù)較低，需要針對(duì)其具體情況進(jìn)行支護(hù)處理。

5) 在對(duì)右岸高邊坡進(jìn)行的整體穩(wěn)定分析以及危巖體穩(wěn)定分析基礎(chǔ)上，提出ARTS水利樞紐右岸高邊坡支護(hù)措施，其中F9斷層為右岸邊坡的重點(diǎn)處理對(duì)象。在參考國(guó)內(nèi)外相似工程處理的基礎(chǔ)上，提出對(duì)斷層核部進(jìn)行封閉置換、斷層影響帶特殊灌漿處理以及邊坡適當(dāng)位置進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索錨固的邊坡綜合治理措施。另外，對(duì)于個(gè)別危巖體，在整體加固后安全系數(shù)仍然較低的情況下，根據(jù)具體情況進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。另外，通過(guò)數(shù)值模擬分析，對(duì)提出的邊坡綜合加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)可知，邊坡加固后，邊坡穩(wěn)定性得到很大的改善，特別是F9斷層出露位置的塑性屈服區(qū)有改善作用，使邊坡整體塑性屈服區(qū)體積減少10%左右。

3.4 邊坡加固處理建議

右岸邊坡高陡，為橫向谷坡，宏觀地質(zhì)調(diào)查整體穩(wěn)定，但坡表部危巖體數(shù)量多，且難以完全查明，對(duì)工程的施工及運(yùn)行安全有一定影響，且危巖體均處于懸(陡)崖上，處理難度大。針對(duì)本邊坡特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)同等邊坡處理經(jīng)驗(yàn)，主要有以下處理措施[6]：

1) A區(qū)內(nèi)的W11、W12、W13及W30危巖體不進(jìn)行清除，采用錨桿支護(hù)、坡下建擋墻及被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的處理措施，對(duì)滾落的危巖體進(jìn)行減力阻擋。

2) B1區(qū)危巖體對(duì)于高高程頂部的W1～W9危巖體，以及邊坡中部的W18危巖體，其破壞模式主要為危巖、孤石垮落為主，采取清除后錨桿支護(hù)處理。對(duì)于中下部的危巖體W19(W20)、W21、W22、W23、W24、W25以及W27危巖體，其破壞模式主要是以結(jié)構(gòu)面相互切割形成的塊體破壞模式為主，清除表面危巖孤石后，采用系統(tǒng)錨噴支護(hù)以及錨索結(jié)合框格梁進(jìn)行支護(hù)。W19、W20不穩(wěn)定體進(jìn)行表層清理后，采用100T級(jí)、長(zhǎng)35和40 m的預(yù)應(yīng)力錨索間錯(cuò)布置，進(jìn)行錨固處理，錨索間距5×5 m，布置錨索約550束。

3) 高邊坡噴錨支護(hù)、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)措施。高邊坡1 820～2 230 m高程范圍內(nèi)進(jìn)行噴錨支護(hù)，范圍為壩軸線至上游延伸200 m，邊坡噴護(hù)范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，深入基巖3 m，孔徑100 mm，仰角15°，深入基巖3 m，間排距4 m，與錨索及錨桿錯(cuò)開(kāi)，梅花型布置。右岸高邊坡處設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)高度4 m。鋼繩網(wǎng)采用堅(jiān)固而雙面抗錯(cuò)動(dòng)的鋼絲繩卡扣編織而成的菱形網(wǎng)。

4) 右岸高邊坡F9斷層帶加固處理方案。①錨索布置：在右岸高邊坡高程約1 860～1 910 m處，布置2 000 kN的有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間排距為5 m×5 m，錨索長(zhǎng)度為30～35 m間錯(cuò)布置，下俯15°。②斷層封閉：右岸高邊坡河床趾板上游出露的F9斷層長(zhǎng)度200 m范圍，采用混凝土塞封閉處理，破碎帶范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿深度10 m。③破碎帶灌漿質(zhì)量檢查[7]：采用彈性波測(cè)試的方法進(jìn)行檢查，測(cè)試的波速提高15%以上。

4 結(jié)論及建議

本文對(duì)右岸高邊坡進(jìn)行的整體穩(wěn)定分析以及危巖體穩(wěn)定分析基礎(chǔ)上，提出水利樞紐右岸高邊坡支護(hù)措施，其中F9斷層為右岸邊坡的重點(diǎn)處理對(duì)象。在參考國(guó)內(nèi)外相似工程處理的基礎(chǔ)上，提出對(duì)斷層核部進(jìn)行封閉置換、斷層影響帶特殊灌漿處理以及邊坡適當(dāng)位置進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索錨固的邊坡綜合治理措施。另外，對(duì)于個(gè)別危巖體，在整體加固后安全系數(shù)仍然較低的情況下，根據(jù)具體情況進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。工程邊坡加固后，邊坡穩(wěn)定性得到很大的改善，特別是F9斷層出露位置的塑性屈服區(qū)有改善作用，使邊坡整體塑性屈服區(qū)體積減少10%左右。