西南某水电站坝址区右岸WY3危岩稳定性研究

周灵

(四川省地质工程勘察院，成都　610072)



西南某水电站坝址区右岸WY3危岩稳定性研究

周灵

(四川省地质工程勘察院，成都610072)

摘要：WY3危岩位于西南某水电站前期勘探施工临时营地正上方，基座受风化板岩层切割，上盘岩体受层面、两组中陡倾角侧向裂隙切割成块状，并呈现架空结构，后缘沿陡壁拉裂形成典型的贴坡式倾倒体。WY3目前处于时效变形阶段，一旦失稳，将对现场施工人员的生命财产构成极大威胁。通过系统分析WY3危岩体的工程地质条件后，提出了危岩体可能的破坏模式，利用离散元软件对该危岩的破坏模式进行验证并模拟了危岩的变形运动趋势，采用相应的计算公式计算危岩体在4种不同工况条件下的稳定性系数，最后提出了危岩处理措施。

关键词：危岩；倾倒变形；破坏模式；稳定性研究

1引言

西南某水电站位于四川省甘孜州境内的硕曲河上游河段，拟定坝型为面板堆石坝，最大坝高150 m，水库正常蓄水位3 405 m，总库容2.809 ×108m3，电站装机容量222 MW。

危岩及顺层边坡稳定性问题是该水电站的两个主要工程地质问题，前期勘探对坝址区危岩及两岸高边坡给予了高度的重视。WY3危岩位于现场勘探人员所在临时营地正上方，受底部板岩软弱带及两组侧向裂隙切割，使其上盘的岩体呈块状架空结构，稳定性极差。如果WY3危岩体发生倾倒崩塌，对现场施工人员的生命财产安全将构成巨大威胁。本文首先分析了危岩的工程地质条件，提出了危岩可能的破坏模式，利用不连续变形法软件对WY3的变形及运动趋势进行了模拟研究，进一步验证该危岩的破坏模式，并利用静力解析法对危岩的稳定性进行了评价，最后对该类危岩的治理提出了建议，这对今后的设计与施工具有重要意义。

2工程地质条件

2.1地形地貌

坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩大多裸露，河谷断面成典型的“V”型谷，河流总体流向S18°E。右岸边坡在地貌上呈陡缓相间，高程3 420 m以下谷坡自然坡度一般为30°～35°，坡脚局部为50°～65°的陡坎；高程3 305～3 315 m发育一缓坡台地，长约60 m，宽约30 m，坡度5°～15°；高程3 420 m 以上为顺基岩层面形成的斜坡，自然坡度40°～50°(图1)。

2.2地层岩性

坝区右岸边坡出露的地层为拉纳山组下段(T3l1)灰色、灰黑色中厚-厚层状变质粉、细砂岩夹板岩，岩层总体产状为N15°～35°W/NE∠25°～65°，走向与河流流向基本一致。其中砂岩厚度相对较大，厚度一般为0.5～0.8 m，部分达1.5～2.0 m，岩石致密、坚硬，单轴湿抗压强度110～119 MPa，属坚硬岩石；板岩厚度相对较小，厚度一般为0.05～0.1 m，岩性偏软；从而构成了软、硬质岩互层顺层边坡。

2.3地质构造

坝址区位于一向斜南端翘起端，其轴向大致为N35°W。左岸岩层产状：N25°～65°E/NW∠25°～42°；右岸岩层产状：N30°～55°W/NE∠25°～65°。从低高程到高高程，两岸岩层走向与河流的交角由大角度相交逐渐过渡为小角度斜交，岩层倾角则由小逐渐变大，倾向上游。

坝区没有区域性大断层通过，除发育一NE向缓倾角小断层外，板岩软弱带较为发育，对WY3起控制作用。板岩软弱带主要发育于右岸坡表自里20～50 m段，宽度一般为3～20 cm，多强风化、潮湿-渗水、局部夹泥。

2.4岩体结构特征

右岸坝区高位边坡原生结构面主要是厚-厚层状变质粉、细变质砂岩钟的层面及砂板岩之间的层面，陡崖上的危岩主要分布在岩层的层面之间，层面成为危岩的上下控制边界。

构造型节理裂隙，以中陡倾角为主，主要发育3组：N15°～30°W/NE∠40°～60°；②N30°～35°E/NW∠55°～68°；③N60°～76°E/SE∠40°～55°。裂隙发育程度与岩性、层厚和构造部位密切相关，具有一定的区段性，裂隙在厚层状变质砂岩中比板岩中更为发育。右岸浅表层岩体受上述3组节理裂隙切割普遍成块状结构。

2.5风化卸荷特征

变质砂岩自身抗风化能力较强，风化作用主要沿裂隙及板岩与变质砂岩的交界面进行，风化水平深度一般数米至数十米，具典型的裂隙式和夹层式风化特征。板岩岩质相对较软，岩体风化较强，多呈夹层状风化的特点。风化夹层总体上沿断层破碎带和板岩软弱带发育，板岩软弱带普遍强风化成黄褐色、潮湿、局部夹泥、且延伸长大，一般厚1～5 cm，少量厚15～40 cm。

对危岩体形成和稳定影响较大的为浅表层卸荷带，特别是浅表层强卸荷带。勘探数据表明，右岸强卸荷带下限水平深度一般为11～15 m，弱卸荷带下限水平深度一般为32～44 m。强卸荷裂隙集中张开明显，一般小于5 cm，少量达10～12 cm，裂隙间距一般为0.5～3 m，充填风化岩屑及小岩块；弱卸荷裂隙不发育，张开宽度一般小于0.3 cm，裂隙风化层多为微风化-新鲜。

另外，根据四川赛思特科技有限责任公司提供资料，本区的地震烈度为Ⅶ度，属区域稳定性较好地段。区内地下水类型主要有第四系孔隙含水层、基岩裂隙含水层。

3危岩体的特征

WY3危岩位于横Ⅲ～横Ⅳ剖面中间部位(参见图1)，呈NE-SW方向展布，分布高程3 330～3 345 m，岩性为变质砂岩夹板岩不等厚互层。受底部板岩软弱带切割，使其上盘的岩体成为一座架空堆积的贴坡式危岩体(图2)。层面裂隙及板岩软弱带切割危岩体构成底部边界，NEE向中陡倾角裂隙与NNE向中倾角裂隙切割危岩体构成侧向边界，危岩在上述3组节理裂隙的切割下呈块状架空结构，块体之间的空隙宽5～10 cm，局部可达20～25 cm。危岩整体沿后缘陡壁拉裂，拉裂缝呈上宽下窄，上部宽度达15～20 cm，向下逐渐变窄至闭合。

4危岩岩体的破坏模式

WY3危岩岩体变形主要表现为卸荷松动变形。现场调查发现，WY3危岩岩体基座坐落在风化板岩上，工程性质较差；危岩上部岩体主要为变质砂岩构成，在层面裂隙、NNE向中陡倾裂隙以及NEE向中倾角裂隙的切割作用下，危岩被切割成大小不一的岩块，在长期卸荷、重力作用下，块体之间已出现不同程度的蠕滑效应。

WY3后缘紧贴陡崖，前缘临空条件良好，陡崖下游侧边坡坡表残留有滑痕，分析研究该段斜坡在近期的边坡演变过程中，曾发生过一次岩质滑坡事件，危岩前缘的岩体滑移，形成岩质陡崖，陡崖前缘的残留岩体失去了外侧“挡墙”的屏障作用，向坡外产生卸荷回弹，在长期重力作用下，逐渐发生倾倒变形。 由于危岩临空方向与岩层层面走向存在较大交角，故危岩的破坏并未沿层面方向发生，而只是受其影响产生轻微的滑移变形，对危岩的倾倒变形起到促进作用。综上分析，WY3发生滑移(蠕滑)-拉裂-倾倒复合破坏模式的几率较大。

5数值分析

为了进一步揭示WY3的形成过程及失稳破坏机理，并对危岩稳定性提供判据，借助非连续变形方法软件对该危岩进行数值分析。

根据WY3危岩的实际地形地貌情况，建立WY3危岩计算模型(图3)。对模型左边界进行横向约束，对底面边界进行垂向约束，在危岩模型内部不同位置共设置8个监测点，以便对危岩变形过程中各块体的位移、速度进行跟踪。计算中仅考虑岩体的自重和动力条件作用。

图3WY3计算模型

5.1计算参数选取

根据《预可研地质报告》，通过地质类比法比较相似水电站结构面参数选取值，计算参数选取见表1、表2。

表1　模型中岩体力学参数

表2　模型中结构面力学参数

5.2自重工况

WY3危岩体在自重条件下，经历了较长的时效变形过程[1,2]，危岩块体运动的差异性导致块体之间出现架空结构，当变形累积到一定程度，临空侧块体首先失稳，并以很快的速度崩塌掉落，内部块体失去外侧“屏障”保护发生整体倾倒破坏；危岩整体的变形失稳力学机制应为蠕滑-拉裂-倾倒破坏。图4(c)为危岩现阶段的形态，其余见图5、图6。

5.3动力(地震或爆破震动)工况

WY3危岩体在动力条件下，表现出瞬间破坏的特征，在动力作用下危岩各块体整体滑移，块体间的差异运动导致危岩体出现架空结构；临空侧块体以很快的速度最先失稳，带动内部块体发生整体倾倒破坏；倾倒过程中，块体之间发生相互撞击，以很大的反弹力飞向空中、坠落，整个失稳的运动过程为滑移-拉裂-倾倒-坠落-撞击-跳跃，其危害性半径较自重条件下有所增大(图7、图8、图9)。

图4　自然情况下不同迭代步骤下WY3的变形破坏过程

图5　自然情况下位移-时间曲线

图6　自然情况下速度-时间曲线

图7　动力条件下不同迭代步骤下WY3的变形破坏过程

图8　动力条件下时间-位移曲线

图9　动力条件下时间-速度曲线

综合WY3危岩体在自重和动力条件下的失稳破坏过程，危岩的失稳破坏过程基本相同，其失稳破坏模式主要为滑移(蠕滑)-拉裂-倾倒的复合破坏模式。

6危岩稳定性计算

6.1计算公式选取

WY3的稳定性计算采用倾倒破坏模式计算方法，此类危岩计算模式见图10，按单位长度考虑，不考虑基座抗拉强度，其稳定系数计算公式如下[3]：

图10　倾倒式危岩计算模型

倾覆力矩为：

式中,W为单位长度危岩体重力(kN)；P为单位长度危岩体承受的水平地震力(kN)，取水平地震系数为α，则地震力为p=αW；H为危岩体高度(m)；β为破裂面倾角(°)；e为孔隙深度(m)；Q为孔隙中静水压力(kN)；e1为孔隙充水深度(m)；a为重力作用点距倾覆点的水平距离(m)；h为地震力距倾覆点的垂直距离(m)；[σt]为危岩体抗拉强度标准(kPa)。

6.2计算结果

计算过程中考虑了4种工况，Ⅰ天然工况、Ⅱ暴雨工况、Ⅲ地震工况、Ⅳ暴雨+地震工况。由于处于坡表面的危岩体地震波中的横波和面波到达时振动最强烈，因此危岩体的破坏通常式水平地震惯性力的作用[3,4]，故在计算中只考虑水平地震惯性力。地震时的水平向地震加速度系数取0.1，裂隙充水深度取1～2 m水头，计算结果见表3。

表3　WY3危岩体稳定性计算

从表3得出，WY3在天然状况下处于临界状态，安全储备极低；在暴雨条件下失稳的可能性很大，当暴雨在危岩后缘裂缝产生的充水高度>1.6 m时，危岩将失稳；在地震条件下将失稳；在暴雨+地震力的条件下将失稳。

7结论

(1) 根据计算分析，WY3危岩体在自然条件下处于欠稳定状态，在暴雨条件下可能失稳，在地震以及地震+暴雨工况下均将失稳。

(2) 数值模拟计算结果表明：危岩块体运动出现差异，临空侧岩块首先滑塌，继而牵引内部块体发生整体倾倒崩落。自然条件下，该时效变形较为缓慢；动力条件下，危岩在极短的时间内迅速破坏，块体在空中相互撞击，危岩危害性增大。从而验证了危岩滑移-拉裂-倾倒的失稳破坏模式。

(3) 由于WY3危岩位于现场勘探人员营地的正上方，且位于陡壁部位，一旦失稳，其巨大的势能所转化成的动能对现场工作人员造成重大威胁，结合危岩边坡防治工程，建议对WY3进行爆破清除。

参考文献

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E-mail：49948147@qq.com

STABILITY ANALYSIS OF AN UNSTABLE ROCK WY3 MASSES ON RIGHT BANK AT A HYDROPOWER STATION

ZHOU Ling

(Sichuan Institute of Geoleglcal Engineering Inwestigation, Chengdu610072,China)

Abstract:A unstable rock block which is named as the WY3 dangerous rock block has been identified on the top of the temporary camp construction in early stage exploration at a hydropower station. the base plate was cut by weathered slate, Hanged wall rockmass is cutted into block by strata and two groups of medium and steep dip angles, and shows void structure, tension crack along the steep face at back edge of the dangerous rock and formed the typical sticking slope toppling rock. WY3 dangerous rock is at the time-dependent deformation at present, once it failured, Which will serious threat the life property safety of worksite operators. The paper presents a systematical and detailed description of the site engineering geological conditions, Based on the analysis, it proposes the possible failure models, the Discontinuous deformation analysis method is applied to verify the failure models and simulate the deformation and movement tendency of the dangerous rocks，Then adopt the relevant calculation formulae to calculate the stability coefficient of the WY3 dangerous rock, Finally the treatment measures are suggested accordingly.

Key words：Dangerous rock； Toppling deformation； Failure model； Stability analysis

文章编号：1006-4362(2016)02-0042-06

收稿日期：2016-02-28改回日期：2016-04-19

中图分类号：P642;TU457

文献标识码：A

作者简介：周灵(1983-)，男，硕士研究生，工程师，注册一级建造师(建筑、市政)，主要从事水、工、环、岩土工程设计、施工、项目管理。