阿尔塔什F9断层对右岸高边坡的影响及处理

李万逵

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

阿尔塔什F9断层对右岸高边坡的影响及处理

李万逵

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

摘要：新疆阿尔塔什水利枢纽工程坝址右岸F9断层跨过右岸坝肩，对右岸高边坡的稳定性有一定的影响 ，为一明显的不良工程地质现象，需要对其工程地质条件进行专项研究。在可研和初设阶段，为进一步分析、评价F9断层对右岸高边坡的影响，在现场地质测绘的基础上，通过现场勘探、试验、地质信息收集、整理、室内分析、计算机数值模拟，对其工程特性进行深入细致的分析和评价，明确了F9断层的工程地质条件，为设计、工程处理提供了可靠的依据，供同行参考。

关键词：高边坡；F9断层；边坡稳定

1　工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆莎车县城南西约130 km（公路距离）的叶尔羌河中游河段上，地理坐标：东经76°27′，北纬37°57′，见图1。

阿尔塔什水利枢纽工程系叶尔羌河流域规划中的第11个梯级，是以防洪、灌溉、发电和改善生态为开发目标的控制性水利枢纽工程。枢纽建筑物有：拦河坝、排沙泄洪洞、发电引水洞、导流洞、电站厂房及开关站等。本阶段坝型有混凝土面板坝和心墙堆石坝两种 ，水库正常高水位1 820 m［1］。最大坝高164.3 m；水库总库容为22.51亿m3，控制灌溉面积285万hm2。电站装机容量730 MW，年发电量23.32 亿kW・h，属大（Ⅰ）型一等工程，可作为今后南疆电网中的主导电站。

阿尔塔什水利枢纽工程具有“三高一深”的特点，即：工程处在高地震烈度区；高坝；坝址区的右岸高边坡和河床深厚覆盖层。

阿尔塔什坝址右岸的F9断层横跨右岸坝肩，对右岸高边坡的稳定性有一定的影响，为一明显的不良工程地质现象，需要对F9断层的工程地质条件进行专项研究。

图1　阿尔塔什水利枢纽库坝址交通地理位置图

在可研和初设阶段，在对F9断层勘探过程中，工作人员对其地质信息及时进行了收集、分析整理和计算机数值模拟的专题研究，对其工程特性进行深入细致的分析和评价，明确了F9断层的工程地质条件，对边坡稳定性的影响进行分析和评价 ，获得相应的工程处理措施。

阿尔塔什水利枢纽库坝区位于昆仑山西段叶尔羌河中游河段的中山区地貌单元上。

库坝区地层复杂，除寒武系、二迭系、三迭系的地层缺失外，其余各时代的地层均有出露。坝址区主要岩性有：灰岩、白云质灰岩、页岩、板岩、变质砂岩，粉砂岩、砂岩、泥质粉沙岩、砂砾岩、泥灰岩、白云岩；第四系冲积砂砾石、卵石；块碎石、块石夹孤石、砂土和低液限粉土等。

库坝区其构造环境属稳定性较差的地区。但坝址选择在相对稳定的铁克里克断隆［2］上，具备建坝条件。场地50年超越概率10%地震动峰值加速度为0.2 g［3］，地震基本烈度为Ⅷ度。

2　右岸高边坡的基本地质条件

右岸边坡走向近东西，右岸坡顶高程2 250 m，坡高达600 m［4］，为超高边坡［5］，坡度在高程1 845 m以下一般50°～70°，在高程1 845 m以上近直立（图2），人员难以到达。右岸边坡高陡，加之F9断层的影响，其稳定性的评价和处理成为该工程的主要工程地质问题之一。

图2　阿尔塔什坝址地貌（镜向东）

右岸边坡出露的地层岩性为中石炭统阿孜干组（C2a）的薄层灰岩、巨厚层白云质灰岩、泥灰岩、石英砂岩，泥页岩；上石炭统塔合奇组（C3t）的灰、灰白色巨厚层状白云质灰岩 ，灰岩、少量白云岩、少量泥灰岩和泥页岩。

岩层产状在F9以下为340°～355°SW∠58°；以上为300°～330°SW∠44°～51°。右岸坡岩层倾向上游偏坡里，为横向逆向坡，岩层产状对右岸边坡稳定性影响不大。

坝肩有F9出露（见图3），为坝址规模相对较大断层，在坝址右岸顺层面出露，向上游掩埋于河床；向下游延至1 920 m高程处规模变小，最终截止于F7断层。断层出露长度约650 m，为一上盘向西平移的逆断层，两盘岩层主要为灰岩和白云质灰岩，断层产状273°～310°SW∠32°～41°，破碎带宽2 m～8 m，影响带宽40 m左右，主要由角砾岩、糜棱岩和碎裂岩组成，其中，糜棱岩厚度1.0 m～2.5 m（见图4）。据右岸PD2号平硐揭露，断层带内水平断距约70 m，垂直断距约160 m。断层第四系以来无活动迹象。

3　F9断层的基本地质条件和断层带的物理力学性质

右岸边坡内发育有起控制作用的F9断层，尽管其反倾坡内，但F9断层核部及其影响带范围厚约20 m～30 m，该范围内的岩体以角砾岩、胶结的糜棱岩和断层泥为主，具有力学性质差、遇水易软化的性质。当水库蓄水至正常蓄水位1 820 m时，F9断层的大部分将位于库水位以下，位于库水位下部的断层带在水的物理化学作用下软化或被侵蚀，失去支撑上部岩体的能力，在重力作用，有可能使边坡上部岩体处于悬空而导致失稳。

图3　阿尔塔什坝址右岸高边坡剖面图

图4　F9断层的糜棱岩

3.1F9断层力学强度参数确定

3.1.1F9断层力学强度参数试验研究

F9断层对右岸高边坡稳定与变形有重要的影响，其核部地层在天然状态及饱和状态下的变形模量、力学参数对于右岸高边坡治理措施的选择有至关重要的作用。为此，在工程现场PD19平硐内进行了三组F9核部地层变形试验，对断层核部地层的力学参数、变形模量进行了确定，试验结果及断层参数选取如表1。

3.1.2F9断层力学强度参数的选用

根据现场地质勘察可知 ，F9断层带核部发育较宽，主要以糜棱岩为主，其抗剪强度参数在岩体分类中按照V类［6］岩体确定。右岸高边坡V类岩体为散体结构 ，变形模量（E0）＜0.5 GPa，泊松比（μ）＞0.30，抗剪断强度（岩体）f′：0.25～0.50，c′：0.05 MPa～0.3 MPa。

通过现场试验、现场勘察、工程类比和综合分析，F9断层带核部的糜棱岩在饱和状态下变形模量为0.2 GPa，弹性模量为0.5 GPa，天然状态下变形模量为0.45 GPa，弹性模量为0.9 GPa。

表1　F9断层变形参数选取表

4　F9断层对高边坡的破坏机理

4.1F9断层对边坡破坏机理的现场分析

右岸边坡高陡，岩体卸荷相对较强，卸荷带水平深度5 m～24 m。受F9断层的影响，右坝肩边坡岩体IV～V级结构面较为发育。

由于卸荷裂隙的存在，F9断层带的软化会使其上部卸荷裂隙张开错动、最大位移量增大、发生塑性屈服岩体增多，进而影响边坡稳定。

F9断层从上游斜穿右岸边坡，倾向上游偏岸里，断层带核部的糜棱岩最宽处超过2 m，易风化，风化性强，遇水软化，强度丧失较快。另外，断层影响带也较宽，平均达20余米，对其饱水前后的物理力学性质的变化，通过有限元分析成果揭示了F9断层遇水后性质劣化对边坡整体稳定性的影响。由此可知，断层饱水后会降低边坡整体稳定性 ，位于库水位下部的断层带在水的物理化学作用下软化或被侵蚀 ，失去支撑上部岩体的能力，在重力作用，有可能使边坡上部岩体处于悬空而导致失稳。高边坡的破坏模式［7］主要为由外向内的脱落型垮塌。需要根据工程实际对断层进行加固处理。

右坝肩边坡岩体受F9断层影响，在其影响带内部岩体十分破碎，存在上部沿卸荷裂隙剪切、下部直接剪切岩体而发生滑动破坏 ，见图4。

F9断层与边坡走向大角度相交且倾向坡内，根据其工程地质条件，不存在沿F9断层发生大规模平面滑动对右岸高边坡产生破坏的可能性。

4.2F9断层对边坡破坏机理的数值模拟［8］分析

通过F9断层工程力学参数和软化深度进行敏感性分析［9］，研究F9断层软化对右岸边坡整体稳定性的影响；

数值模拟分析表明，右岸址板边坡开挖后，F9断层上盘岩体位移变化规律表现为 ，x方向主要表现为指向下游的位移（x位移值为正），最大位移为1.12 cm，位于F9断层在坡面出露位置处 ，y方向位移主要变现为指向河流（y位移值为正），最大位移3.25 cm，同样位于F9断层在坡面出露位置处；开挖斜面和开挖地面均表现由开挖引起的卸荷回弹位移 ；F9断层距离坡面15 m左右范围内有明显位移突变，40 m深部无明显位移异常现象。数值模拟边坡位移分布情况表明：边坡位移除F9断层出露处外无明显突变区域，位移分布符合一般规律 ，说明开挖对边坡整体稳定性影响不大；F9断层在开挖面上的出露，对边坡开挖时开挖面稳定性有一定影响 ，但影响范围较小。建议在边坡开挖过程中注意F9断层出露位置的浅表层支护。

5　F9断层的处理思路

依据现场工程地质条件，实验结果，在参考了国内外相似工程处理的基础上对 F9断层的处理思路主要为置换、封闭和加固。提出了对断层核部进行封闭置换、断层影响带特殊灌浆处理以及边坡适当位置进行预应力锚索锚固的边坡综合治理措施。拟对F9断层采用的加固措施如下：

（1）在影响带范围内进行灌浆处理。因为F9断层规模较大，其影响带上下约有20 m宽，影响带内岩体较为碎裂，要对断层进行置换填塞处理，将要对断层进行开挖 ，为保证断层置换效果以及进一步控制断层上方卸荷裂隙的张开变形，对断层影响带进行处理，提高其变形模量有重要意义 ，因此，可在对断层进行置换之前对F9断层影响带一定范围内的碎裂岩体进行灌浆处理 ，提高断层影响带内岩体整体性与变形模量。

结合目前在三峡［10］、锦屏一级水电站中复合灌浆［11］的工程应用效果 ，可知，采用复合灌浆可以在很大程度上提高岩体的工程力学参数，因此，在阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡处理中 ，根据断层影响带内岩体的可灌性 ，设计适当的灌浆参数对影响带内岩体进行复合灌浆处理。

（2）对断层核部进行混凝土洞塞［12］进行置换。目前国内外对较宽的断层处理基本上还是以置换为主，当断层产状对边坡等结构物抗滑稳定不利时，设置抗滑洞。在阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡中 ，断层F9的产状与边坡呈反倾的相关关系 ，对边坡整体的抗滑稳定是有利的。但是，断层核部较宽，核部为糜棱岩，极易风化，因此，推荐采用混凝土洞塞对F9进行置换，置换深度通过数值分析进行优化确定。混凝土洞塞所起作用有二：第一，用于加强支撑右岸高边坡一定深度卸荷裂隙以外岩体 ，阻止这部分岩体进一步变形；第二，用于对关键部位的F9核部的软弱断层糜棱岩进行封闭 ，使其不被进一步风化而导致力学变形特性参数进一步恶化。

根据研究成果，拟采用的混凝土洞塞置换深度为10 m，高度为断层核部的高度 ，这里取为2 m。

（3）对F9断层以上卸荷裂隙进行加固处理。从现场的工程地质勘察来看 ，阿尔塔什水利枢纽右岸高边中，在F9断层上方的陡立边坡中 ，发育陡倾角的卸荷裂隙，可能导致岩体发生顺这些不利结构面的滑动破坏或者崩塌破坏。为保证F9断层上方的卸荷岩体稳定性，在对F9断层及影响带进行处理后，进一步对清坡后的边坡表层卸荷岩体进行系统锚索支护处理 ，保证边坡卸荷岩体的稳定性。

拟在阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡中采用的锚固支护参数为：

在右岸高边坡辉绿灰绿岩脉以上50 m（高程约1 930 m～1 980 m，范围为坝轴线至上游延伸200 m）岩体中增加预应力锚索 ，锚索间排距为5 m×5 m，锚索长度为35 m，下伏15°，锚索预应力2 000 kN。

右岸为岩质高边坡［13］，针对建议的加固处理措施，采用刚体极限平衡法［14］对加固效果进行分析评价。计算结果显示，当考虑锚索加固后，部分剖面的二维抗滑稳定安全系数不能满足规范要求 ，当考虑边坡的三维效应后 ，天然条件下三维抗滑稳定安全系数在1.25～1.67之间，降雨工况的安全系数在1.17～1.52之间，地震工况的安全系数在1.16～1.57之间，对F9断层的处理和锚索加固对边坡均能起到良好的加固作用，基本满足规范［15］要求。

6　结　论

研究结果表明，出露在右岸边坡的F9断层对右岸的边坡稳定性具有明显的影响，水库蓄水后，F9断层带内糜棱岩的软化 ，对右岸高边坡有一定的破坏作用，位于库水位下部的断层带在水的物理化学作用下软化或被侵蚀，失去支撑上部岩体的能力，在重力作用，可使边坡上部岩体处于悬空而导致失稳。破坏的形式主要为由外向内的脱落型垮塌。需要根据工程实际对断层进行加固处理。

F9断层与边坡走向大角度相交且倾向坡内，根据其工程地质条件，不存在沿F9断层发生大规模平面滑动对右岸高边坡产生破坏的可能性。

对F9断层的处理思路主要为置换、封闭和加固处理。研究表明，对F9断层的处理和锚索加固对边坡均能起到良好的加固作用 ，基本满足规范要求。

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中图分类号：TV223.3+2

文献标识码：A

文章编号：1672—1144（2015）03—0217—05

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2015.03.044

收稿日期 ：2015-01-17修稿日期 ：2015-03-09

作者简介 ：李万逵（1954—），男，甘肃民勤人，高级工程师，主要从事水文工程地质工作。E-mail：jfour1128@sina.com

The Effect of the F9Fault on the High Slope of the Right Bank in Aertashi Hydro Project and Its Treatments

LI Wan-kui
（Xinjiang Investigation，Design and Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi，Xinjiang 830000，China）

Abstract：The F9fault of Xinjiang Aertashi hydro project is located at the right bank of the dam across the abutment，this unbeneficial geological condition has an adverse effect on the stability of the right bank slope，therefore，a special study on its geological conditions was conducted.At the researching and initial designing stage，in order to investigate the influence of the fault on the high slope of the right bank，a detailed analysis and evaluation of its geological characteristics was conducted based on the data of field investigation，experiments，the collection，arrangement，lab analysis and numerical simulation of the geological information.According to the analysis，the geological conditions of the F9fault was confirmed，which would provide a reliable theoretical basis and some reference for the design and treatment of similar projects.

Keywords：high slope；F9fault；slope stability