某樞紐工程壩址右岸高陡邊坡穩(wěn)定分析與處理措施

趙玉強(qiáng)

（蒙城淮河河道管理局，安徽 蒙城 233500）

1 工程概況

某水利樞紐工程壩型為砂礫石面板堆石壩，最大壩高高達(dá)164.3 m，設(shè)計(jì)總庫容22.51 億m3，控制灌溉面積427.5 萬畝，電站裝機(jī)容量730 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量23.32 億kW·h，屬大（1）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 年～2011 年修筑完成了右岸高邊坡上山道路，完成了2140 m、2080 m、1935 m高程三層勘探平硐，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)測及統(tǒng)計(jì)等工作，通過以上工作，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2530 m～2720 m，當(dāng)水庫正常蓄水位1820 m 時(shí)，山梁順河向?qū)挾?100 m～2100 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 m～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，無統(tǒng)一的水面。右岸高邊坡臨河岸坡未見泉水分布；在下游與3#沖溝交匯處坡腳有泉點(diǎn)出露，高程1696 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。對(duì)右岸高邊坡進(jìn)行坡面地質(zhì)編錄、結(jié)構(gòu)面調(diào)查、統(tǒng)測及統(tǒng)計(jì)等，根據(jù)物理力學(xué)特征試驗(yàn)(以表部探坑取樣試驗(yàn)為主,結(jié)合豎井取樣)及地質(zhì)勘察成果，白云質(zhì)灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度32.4 MPa～69.2 MPa之間，平均值49.4 MPa，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 g/cm3～2.79 g/cm3，孔隙率0.37%～0.74%，弱～微風(fēng)化巖體縱波速度3500 m/s～6700 m/s；灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度30.5 MPa～45.9 MPa 之間，平均值36.5 MPa，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 g/cm3～2.71 g/cm3，孔隙率0.37%～1.1%，弱～微風(fēng)化巖體縱波速度3000 m/s～5800 m/s。高邊坡各類巖體物理力學(xué)地質(zhì)建議值見表1、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。

（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 m～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 m～2.5 m。

（2）邊坡巖體結(jié)構(gòu)面

壩體右岸高邊坡結(jié)構(gòu)面分組匯總見表3。由表3 可知：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°。

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，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)問題。

右岸邊坡在F9 斷層以下卸荷裂隙帶水平深度為5 m～8 m；F9 斷層以上卸荷裂隙帶水平深度為14 m～17 m，最大深度為26 m（PD20），裂隙面多張開，最大張開寬度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調(diào)查，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1）。最終導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生崩塌。

圖1 右岸高邊坡F9 以上淺表巖體處松弛張裂

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原楔形滑體空腔和楔形塊體（圖2）。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2 壩軸線上游側(cè)1880 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（圖3）。

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（圖4）。

圖3 單滑面失穩(wěn)破壞危巖體

圖4 組合面滑移破壞危巖體

3.2 邊坡加固處理建議

右岸邊坡陡峻，為橫向谷坡，宏觀地質(zhì)勘查右岸高邊坡巖體整體穩(wěn)定，但調(diào)查中發(fā)現(xiàn)山坡表部危巖體數(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)合國內(nèi)同等邊坡處理經(jīng)驗(yàn)，主要有以下處理措施[6]：

（1）清除危巖及坡面危石；對(duì)不穩(wěn)定體進(jìn)行表層清理后，采用100T 級(jí)、35 m 和40 m 長的預(yù)應(yīng)力錨索間錯(cuò)布置，進(jìn)行錨固處理，錨索間距5 m×5 m，布置錨索約550 束。

（2）在高邊坡1820 m～2230 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)置排水孔和截水溝，排水孔應(yīng)深入基巖3 m。

（3）被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)。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）排水孔設(shè)置。邊坡噴護(hù)范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，孔徑100 mm，仰角15°，深入基巖3 m，間排距4 m，布置應(yīng)與錨索及錨桿錯(cuò)開，呈梅花型布置。

（5）隨機(jī)錨索。高邊坡處理過程中，由于坡面的不平整及可能會(huì)有預(yù)計(jì)不到的位置需要進(jìn)行錨索加固，因此考慮一些隨機(jī)錨索保證邊坡處理工程量的控制，預(yù)留108 束隨機(jī)錨索。

（6）F9 斷層帶加固處理措施。針對(duì)F9 斷層帶對(duì)高邊坡穩(wěn)定的影響主要為庫水對(duì)斷層糜棱巖軟化和掏蝕作用，建議對(duì)斷層帶采取灌漿和砼置換處理。

4 結(jié)語

本文在參考國內(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，應(yīng)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)定性得到了很大的改善，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。