狮子坪水电站二古溪倾倒边坡成因机制分析

张世殊，裴向军，王仁坤，冉从彦，余 挺，赵小平，田 雄

（1.中国电建集团 成都勘测设计院有限公司，成都 610072；

2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

1 研究背景

倾倒边坡是一种常见的边坡类型之一，长期的工程经验表明，边坡倾倒变形主要发育在由陡倾角裂隙切割形成的板状岩体边坡中，且结构面走向与临空面方向呈小角度相交，一般＜30°。一般而言，边坡倾倒变形产生的过程为：陡倾层状、板状岩体，在自重产生的弯矩作用下，由前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展，形成弯曲-折断面，并贯通直至发生倾倒变形破坏［1-6］。目前，针对边坡倾倒变形的研究已有较多的研究成果，如赵小平等［7］利用离散单元法，模拟分析了倾倒变形体的发展阶段；陈孝兵等［8］，蔡国军等［9］利用室内模拟实验，研究了倾倒变形体的破坏过程；韩贝传等［10］对倾倒变形体的影响因素进行了系统的分析。尽管目前对边坡倾倒变形体的研究已经取得较多的成果，然而针对倾倒变形的成因机制的研究鲜有成果。基于此，本文以二古溪倾倒边坡为研究对象，研究斜坡倾倒变形的成因机制。

二古溪倾倒边坡位于四川省甘孜州理县境内，地处狮子坪水电站库尾区，距离坝址约7.2 k m，317国道的二古溪1＃和2＃隧道都从变形体中通过，且下游侧与二古溪大桥相连。2013年5月，水库开始二期蓄水至2 535 m，前缘水位抬升近25 m，岸坡受蓄水影响发生局部垮塌，而后库岸再造，与此同时监测资料表明边坡的整体变形速率也明显加快，二古溪大桥发生向理县方向的推挤位移，并且2座隧道发生不同程度的洞壁破坏与洞底隆起，造成道路断行。目前水位已经恢复至一期蓄水位，并且317国道临时改道，那么二期蓄水能否继续，边坡是否有必要治理，国道是否需要改道？要解决这些问题的重点就是要分析二古溪倾倒变形体的成因机制。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

研究区地处川西北高原深切峡谷地貌，岸坡高陡，呈“V”字形。由于河流前期的切割速率较慢，而后期切割速率加快的原因，所以高程2 700 m以上自然坡度在30°～35°之间，而高程2 700 m以下为45°～60°。边坡体约呈圆锥形，较为圆缓，宽约1 000 m，长约900 m，拔河高差约750 m。临河侧边坡坡度陡增，谷底有基岩出露，坡表植被发育。在临河侧受流水侵蚀，临空条件良好（图1）。

2.2 地质构造

研究区位于北西向鲜水河断裂带和北东向龙门山断裂带所围限的川青断块的小金弧形构造带之西翼近顶端的次级构造族郎帚状构造带上。在大地构造部位上隶属于松潘—甘孜地槽褶皱带范畴，西侧毗连巴颜喀拉冒地槽褶皱带，东邻扬子地台西缘龙门山—大巴山台缘拗陷带。区域控制性主干断裂为NE向龙门山断裂带，小金—较场弧形构造带（西翼）构成了区域次一级断裂构造格架。区域内构造形迹以紧密线状弧形褶皱为主，大中型断裂发育程度较低。而位于倾倒边坡向斜的一翼上，坡内岩层产状陡立，整体倾角为70°～85°，米亚罗断裂位于小金弧形构造的西翼，工程场地的北东侧，距坝址最近距离为3～4 k m，边坡的工程地质图见图2。

图1 边坡裂缝展布平面图Fig.1 Plane distribution of cr acks in the slope

图2 垂直河向边坡的工程地质图Fig.2 Geological str ucture and typical engineering profile of the slope

2.3 地层岩性

边坡相对高差超750 m，边坡整体下部属于三叠系中统杂谷脑组（T2z2）：板（千枚）岩夹变质砂岩及灰岩，岩性相对较软，尤其是千枚状板岩遇水易软化；上部为三叠系上统侏倭组（T3zh）：变质砂岩、板（千枚）岩韵律互层，属于软硬岩互层。整个区属于软硬岩互层地区，这对于形成倾倒变形体较为有利，加之快速的河谷下切，坡内岩体快速的应力释放，边坡内岩体易向临空侧发生位移变形，并且具有陡倾坡内的岩层结构，因而具备形成倾倒变形体的有利条件。而坡表的第四系块碎石土堆积呈上薄下厚（45～75 m）的分布形态，主要组成为第四系全新统残坡积层（Q4el+dl），第四系上更新统冰碛层（Q3fgl）的倾倒变形破碎岩体和第四纪崩坡积、坡残积物组成。主要表现为青灰—深灰色，干燥，结构为中密—密实的粉土、角砾土、碎石土、块石土。

3 倾倒变形特征

3.1 边坡的变形特征

2011年和2012年理县地区持续特大的大暴雨，2012年8月当地村民发现二古溪边坡后缘产生有裂缝，距离二古溪隧道进口段上约500 m，裂缝向米亚罗方向延伸约730 m，宽、深10～70 c m；2013年“4.20”地震后，5月份狮子坪水电站进行二期蓄水，蓄水位至2 535 m，此时二古溪边坡前缘水位抬高超20 m，2013年7月17日地面巡视发现边坡顶部出现新增裂缝，距离二古溪隧道出口段上约300 m，裂缝斜向上与上部原有裂缝连通，新裂缝长超200 m，宽、深30～50 c m。至2013年10月6日，裂缝快速发展形成基本贯通圈闭的变形体边界裂缝，并且导致从变形体低高程位置穿过的二古溪1＃和2＃隧道的强烈变形，致使国道G317公路暂时中断，而后受“4.20”地震影响和5月份的库水位蓄水抬高影响，裂缝发展迅速，至10月份基本将整个变形体圈闭。二古溪边坡的变形初期，地表变形只出现在边坡后缘，并逐步向前缘扩展并将边界圈闭，而坡体中部和前缘地表并没有发现有明显的变形迹象。

在边坡隧道外侧的主动防护网上发现出露基岩中有倾倒变形迹象，见图3，千枚状板岩向临空侧发生了弯曲变形，由于岩性较软，所以表现出“呈折而未断”的现象。

图3 边坡中的倾倒变形迹象Fig.3 Sign of toppling defor mation in the slope

3.2 隧道的变形特征

二古溪1＃隧道（与坡体关系见图2（b））在2008年“5.12”汶川大地震发生后不久，就发现隧道洞身多处有细小裂缝，2011年7月进入雨季以来，发现裂缝有不断加剧发展的趋势；截至2012年10月，隧道从进口端至出口端230 m范围内存在裂缝，隧道进口至出口130 m左右裂缝较为集中，隧道的持续变形和开裂威胁到车辆的安全运营，通过加固治理后恢复使用功能。2013年8月雨季后，加固后的二古溪隧洞又开始出现变形，底板、顶拱和边墙均出现裂缝，底板出现鼓包现象，后缘边坡也出现羽状排列、断续延伸的环形裂缝，2013年10月6日，变形进一步加剧，地面隆起，拱顶掉块严重，隧道两侧工字钢结构发生严重变形，连接处螺栓拉断。

选用徕佧公司Scan Station2三维激光扫描仪对隧道变形进行扫描监测，采样点间距控制为2 mm，得到隧道点云影像特征。通过隧道变形前后对比，得到的洞壁最大偏移量达1.08 m，而地面最大隆起量达80 c m（图4）。

图4 1＃隧道最大位移断面和地面隆起照片Fig.4 Section of maxi mum defor mation and photo of bulge in tunnel 1＃

二古溪2＃隧道于2012年9—10月份建成通车（此前由隧道外侧通行，2010年外侧道路桥梁下游端挡墙发生垮塌），通车约1 a时间，即2013年10月6日隧道内发生严重变形，拱顶掉块、边墙开裂、地面隆起等现象极为严重，隧道地面隆起是由于隧道侧顶拱受压，隧道产生变形，两壁向内侧挤压造成地面隆起。

1＃和2＃隧道都出现了程度不一的拱顶掉块，地面隆起，其中2＃隧道的掉块比1＃隧洞严重，而1＃隧洞的地面隆起比2＃隧道严重，2座隧道壁上都出现了剪切裂缝。初步分析是边坡变形时在2座隧道处产生了应力集中，且由于隧道主要受到来自山体一侧的力，因此为偏心力，由于受力不均，因此破坏具有不对称性，主要的洞壁破坏为近山体侧，而在近坡脚一侧的破坏程度要轻一些。隧道的最大变形方向即为隧道的受力方向，若为一般滑坡那么只有可能是剪出口或滑带通过才会使得隧道受到来自侧顶拱的力，依此推断剪出口的位置将会明显高于二期蓄水水位，这将与边坡变形位移与蓄水位成正相关矛盾。

3.3 边坡内马刀树迹象

坡体内存在较多的马刀树，多以松树为主，且主要集中在2 720～2 930 m高程范围内，2 950 m以上主要为灌木，2 720 m以下马刀树较少。据统计，马刀树发育的周长主要集中在1.0～2.0 m，弯曲高度2.0～4.0 m居多，弯曲方向与坡向近于相同，这说明边坡之前发生过数次较大的变形，致使坡面上产生了众多的马刀树，且变形的方向基本在同一个方向上，边坡的多次变形当与河流的下切有关，因而有必要对河流的下切历史进行研究，从而分析随着河流下切的变化带来的边坡内位移与应力的变化情况。

3.4 整个地表的变形监测

根据斜坡的变形特征，本次在整个边坡上布置了多个变形监测点，变形监测主要集中在二古溪1＃隧道所通过的边坡上，首先选取了1＃隧道上的3个点进行分析，3处典型位置分别位于1＃隧道的下游侧入口（TP31）、中部（TP04）以及上游侧（TP20）。变形位移监测中，其中x为正值时，表示向左岸位移；y为正值时，表示向下游位移；z为正值时垂直向上的位移。

如图5所示的监测数据表明：变形位移主要是x方向向临空侧发生变形，y方向有的向上游变形，有的向下游变形，z方向上主要反映了边坡整体在下沉，而位移监测的速率可以看出，变形体经历了2次快速变形阶段，分别与库水位上升和降雨有关。第1次快速变形时间段位于2013年7月20日至8月20日的近1个月时间，当7月20日蓄水位到达2 530 m时（期间也有降雨），变形开始加速，随后降低库水位到2 490 m，变形速率也逐渐减小甚至无变形量增加，当库水位从2 490 m再次上升到2 520 m时，变形速率也还平稳；第2次快速变形时间段位于2013年9月22日至11月1日的近1个半月时间，期间库水位从2 520 m开始上升，当水位达到2 530 m时，变形再次开始加速，最高水位达到2 535 m，随后水位开始下降，当11月1日库水位降到天然河面2 516 m时，变形明显收敛，过程线趋于平缓。

图5 观测点监测数据Fig.5 Monitored def or mation curves

综上所述，二古溪坡体变形主要表现为向临空面变形及向下沉降为主，但也存在变形的差异分区，在y方向累积变形既有向上游变形，也有向下游变形，变形体内y向显著不同的位移方向充分说明该区变形以扩容解体为主，现场地质调查和外观监测资料也相吻合；变形速率主要受库水位上升、下降影响以及降雨影响，在水位上升超过2 530 m时，变形明显加速。

另一方面通过钻孔测斜监测资料发现（图6），边坡前缘A向变形总体以向坡外右岸变形为主，B向变形表现为分区差异性的特点，上游总体以向上游为主，下游总体以向下游变形为主；边坡中下部（ZZK01），A向变形与前缘相反，以向坡内变形为主，B向变形与前缘变形方向一致，以向上游变形为主；这一位移特征恰好符合形成反坡台坎的条件，虽然目前边坡内并未发现反坡台坎，但是随着时间的推移，位移进一步发展，边坡中部陡缓相接的地方必然会出现反坡台坎这一标志性特征。

4 成因机制分析

根据现场调查，二古溪边坡总体上处于下部软岩，中部及以上为软硬互层的陡倾坡内的岩体结构中。受到河谷的快速下切作用，边坡内岩体的应力得以释放，造成岩体向临空方向发生卸荷回弹，并且所发生位移与应力集中有一定的转向。由于岩体性质的差异，软岩和硬岩发生的位移形变不一致，软岩的变形大，而硬岩的变形小，变形的不协调性致使部分硬岩发生沿转折弯曲幅度最大的位置折断，而硬岩一旦折断，即会造成局部的应力集中，这将更有利于边坡的倾倒破坏。

随着岩体倾倒变形得以强烈发展，倾倒岩体发生强烈的折断张裂变形，局部变形强烈部位是沿陡倾坡外的张裂带产生不同程度的坠覆位移。从目前的破裂现象分析，变形仅发生在倾倒变形极为强烈的坡面浅表层。但如果外部条件进一步变化，如水库蓄水位升高，则存在深部潜在失稳的可能。

并采用UDEC建立离散元模型进行模拟计算，计算参数见表1，分析结果见图7。

此外，边坡内大量发育的马刀树与基岩露头处的倾倒现象表明二古溪边坡早期在河流下切的过程中便已经发生了倾倒变形，随后逐步地达到应力平衡后变形停止，应力平衡后，坡内岩体的应力主要是呈向坡脚临空面集中的形态分布（见图7），而近年来的多次地震造成了坡体内岩体的进一步损伤，在持续强降雨与水库蓄水的影响下，坡体进一步向临空面发生位移，并致使坡体前缘隧道破坏，此外深孔位移监测也表现出具有形成反坡台坎的趋势，只是目前位移量较小，反坡台坎尚未形成。

图6 ZK1测斜孔深度－位移曲线图（孔口高程：2 564.01 m，孔深37.5 m）Fig.6 Curves of depth vs.defor mation of inclinometer hole ZK1（elevation 2 564.01 m and hole length 37.5 m）

表1 倾倒变形体岩体物力学性质参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the toppling defor mation slope

图7 河流下切后的位移矢量和应力分布Fig.7 Vectors of displacement and distribution of stress after river downcutting

5 结 论

本文主要通过现场地质调查与钻孔资料、变形监测资料、边坡历史演化过程相结合的方法对二古溪倾倒边坡进行分析，基于此对该倾倒变形边坡的成因机制进行了探讨，其主要结论如下：

（1）二古溪边坡为河谷快速下切，坡体内岩体应力释放产生向临空面的位移，由于存在软硬两种岩体，所以变形过程中产生了不协调变形，软岩的变形位移量大而硬岩较小，致使在硬岩中形成应力集中，当应力大于硬岩强度时，硬岩发生破坏，从而进一步加剧边坡的倾倒破坏，随后坡体逐步达到应力平衡。

（2）近年来的地震对山体造成了进一步的损伤，而强降雨和水库蓄水则加剧了边坡的变形速率，目前边坡处于应力调整期，其变形将会持续较长的一段时间，因而狮子坪水库的二期蓄水目前不能进行，317国道也可选择改道绕行。

（3）倾倒边坡的变形破坏与一般边坡有所不同，其裂缝发展一般先从后缘开始，逐步向前缘发展，并且前缘的变形迹象较少，位于边坡陡缓相接处常常会出现反坡台坎。边坡侧缘或平硐内能找到其倾倒变形破坏的明确迹象。

（4）倾倒边坡通常发育于陡倾边坡内，且地层岩性存在较大差异或软岩地区，坡表岩层产状与基岩产状差异大，倾角甚至完全相反。

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