某水电站进水口边坡变形机制及稳定性研究

张升锋

(1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

某水电站进水口边坡变形机制及稳定性研究

张升锋1,2

(1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

为分析某水电站进水口边坡变形机制及其稳定性，通过野外现场调查，结合边坡变形迹象分析其变形破坏机制；采用极限平衡方法对自然边坡和人工边坡进行稳定性评价，进而分析可能存在的几种滑面组合，结果表明，边坡在自然状态和地震状态下稳定性较好。

边坡；变形机制；稳定性

1 工程概况

进水口边坡位于雅砻江上，河谷在2200m高程左右谷肩为“U”字形，谷肩以下呈“V”字形。边坡坡体上覆崩坡积块碎石，层厚约10m～20m；1700m以上基岩裸露，地层陡倾，洞线与岩层走向较小角度相交。河床坡降大，水流湍急，漫滩、心滩少见，水流流向近SN向(N5°～10°E)，其右岸为侵蚀岸，低阶地缺失。该段河道顺直，岩层走向与河流以40°～50°较大角度斜交。

2 工程地质条件

边坡出露地层主要为三迭系下统T1绿片岩(T13灰绿色绢云母片岩夹灰白色层状大理岩及T14灰绿色变质粉细砂岩夹白色条带状大理岩)，三迭系中统杂谷脑组T2z大理岩(T2z2白～浅灰色厚层角砾状或条带状大理岩，T2z3深灰色中厚层状变质细砂岩夹角砾状大理岩，T2z4白～浅肉红色巨厚层状白云质大理岩)，新生界Q4(崩积(Q4col)块碎石土、坡积(Q4dl)碎块石土)。

边坡北部存在背斜，轴线走向N45～50°E，边坡所在位置断裂构造较发育，主干断裂为NE～NEE向的压扭性右旋逆冲断层，次要断裂为NE～NEE向压性逆断层。主要发育三组节理裂隙：L1—N40°～80°或E/NW∠55°～85°裂隙、L2—N30°～60°W/SW∠30°～60°裂隙、L3—N30°～80°W/NE∠35°～88°裂隙。

进水口边坡坡体陡峻，不利于地表水入渗，降雨多以地表径流的方式迅速向雅砻江排泄。

2.1边坡变形迹象

根据野外踏勘表明，边坡主要变形破坏迹象有：在变质细砂岩中的台阶状崩塌，如图1所示。在边坡突出部位(包括临空面)的倾倒变形，如图2所示。局部地段形成危岩体，主要发生在大理岩地层。

根据进水口边坡的平硐调查发现，平硐浅表层斜坡岩体变形迹象不很明显，主要表现为沿倾南西结构面的正错剪胀特征，次变形迹象弱。

图1 进水口边坡台阶状破坏地貌

图2 进水口边坡倾倒-拉裂破坏

2.2典型边坡的变形破坏机制

进水口边坡变形破坏主要受结构面组合控制，边坡为切向坡，岸坡岩体以碎块状结构为主，主构造线及岩层走向与河流向呈40°～50°交角。岸坡主要发育三组裂隙，三组裂隙与坡面的组合关系赤平投影[1](上半球投影)，如图3所示。

图3 引水洞进水口边坡优势结构面与坡面的组合关系

由图3可以看出岩体被层面、L2和L3切割成块状，以L2作为底滑面滑动，产生了滑移-拉裂破坏，在地表上呈现台阶状破坏现象。L2倾角大于坡角，层陡倾顺向坡该裂隙不能成为底滑面结合赤平投影分析及现场变形迹象表明，其变形破坏的机制主要有以下两个方面：

(1) 滑移-拉裂型

该类变形破坏主要发生在三叠系下统(T14)的灰绿色变质粉细砂岩夹白色条带状大理岩地层中，从结构面组合分析上来看，受结构面分割的岩体沿中陡倾坡外的这组裂隙向临空方向滑移，一侧后缘张裂隙被拉开，与下伏滑移面贯通，块体迅速滑落，堆于坡脚[2]。调查发现，边坡的这类破坏呈台阶状，主要是由于边坡上部块体的滑落对下部临滑块体的变形破坏起到了加载以及冲击作用。

(2)弯曲-拉裂型变形(倾倒)

主要发生在斜坡前缘，主要发生在大理岩地层中。伴随地壳迅速抬升，河谷下切作用加剧，边坡卸荷回弹使得陡倾结构面拉裂、并产生新的表生结构面，在自重应力作用下被这些拉张裂缝分割的岩层发生弯曲变形，拉裂缝向深部发展，并向坡后推移，随着变形的增加，下部折裂、压碎，块体发生倾倒。在大理岩地层中地下水沿裂缝的溶蚀作用，使得裂隙进一步扩展，风化作用加剧，局部发育溶蚀空洞，下部岩体呈架空状，倾倒变形更加突出，最终导致崩塌。

3 边坡稳定性评价

3.1计算模型

在对进水口边坡平硐详细调查的基础上，选取Ⅲ勘探线剖面进行分析，根据结构面的空间组合关系，就最不利的可能滑动面及滑动组合模式来进行天然边坡的稳定性计算。计算模型如图4所示。

图4 Ⅲ-Ⅲ`勘探线进水口边坡稳定性计算模型图

3.2计算参数

结合试验所得参数及工程地区经验，滑面参数取值：结构面粘聚力为0.2MPa，内摩擦角为35°。弱风化的粘聚力为0.2MPa，内摩擦角为30°，地层分界线粘聚力0.15kPa，内摩擦角为33°。

该区外围有强烈现代活动断裂和地震分布，但在工程区所在断块属于整体抬升为主的相对稳定地区。工程区的地震基本烈度为7度。按7度考虑地震影响。

3.2天然边坡稳定性评价

考虑到地下水位埋深很深，降雨时水主要以地表径流方式排泄。本次以天然和地震为计算工况。

由于地表台阶状破坏很发育，所以滑面的组合中的推测线根据地貌特征和走向，倾SW即倾坡外偏上游，倾角30°～60°的那组裂隙。结合野外调查和平硐资料收集，Ⅲ-Ⅲ`勘探线剖面的可能滑面组合有5种，如图4所示。具体如下：

①地层分界线+推测线(根据地貌和裂隙)；

②地层分界线+弱风化底线+推测线；

③地层分界线+推测线(根据地貌和裂隙)；

④小断层+推测线(根据地貌和裂隙)；

⑤小断层+推测线(根据地貌和裂隙)。

用毕肖普法对各种组合进行各种工况下的稳定性计算，计算结果如表1所示。

计算结果表明，滑面组合中组合2的稳定系数最低是1.19，根据《DLT5337-2006水电水利边坡工程地质勘察技术规程》[3]表明，在天然状态可保持稳定。所以，边坡在自然状态和地震状态下均能保持稳定，并有一定的安全度。

表1 Ⅲ-Ⅲ`勘探线右岸进水口边坡稳定性计算成果表

3.3边坡开挖稳定性评价

边坡的开挖将破坏天然边坡的完整性，对边坡的整体稳定有影响。本节研究以Ⅲ剖面为基础对开挖后的边坡稳定性进行分析评价，计算方法采用极限平衡方法。

地质调查表明，开挖后对边坡整体稳定性影响起控制作用的结构面主要倾向坡外的裂隙和岩层面。它们构成了极限平衡法计算中的各种滑移控制面。可能产生滑动的组合相比于天然边坡，新增滑动组合6，主要发生在第四系与基岩的分界线。降雨时，水主要以地表径流的方式排泄，本文采用天然和地震两种计算工况。用毕肖普法对各种组合进行各种工况下的稳定性计算，计算结果如表2所示。

表2 Ⅲ-Ⅲ`勘探线进水口边坡开挖后稳定性计算成果表

计算结果如表2所示，滑面组合中组合6为第四系崩坡积物，其稳定性数为1.12，在天然状态下处于稳定状态。组合2的稳定系数最低也有1.16，根据《DLT5337-2006水电水利边坡工程地质勘察技术规程》[3]表明，在开挖状态保持稳定。所以，边坡在开挖状态和地震状态下均能保持稳定，并有一定的安全裕度。

4 结论

通过对该边坡变形破坏迹象及变形机制的分析，对边坡在天然工况和开挖工况下稳定性的研究，得出如下的几点结论。

(1)边坡变形破坏迹象主要有：在变质细砂岩中的台阶状崩塌及在边坡突出部位的倾倒变形。

(2)右岸进水口边坡为典型的切向坡，边坡变形破坏主要受结构面控制，边坡岩体变形主要为滑移-拉裂变形以及斜坡前缘的弯曲—拉裂变形。

(3)根据边坡的稳定性计算得出：边坡在天然状态下，各种不利滑动组合情况下，在自然状态和地震状态下均能保持稳定。

(4)根据边坡的稳定性计算得出：边坡在开挖状态下，各种不利滑动组合情况下，在开挖状态和地震状态下均能保持稳定。

[1] 朱志澄，曾佐勋．构造地质学[M]．武汉：中国地质大学出版社，2008.

[2] 王运生，黄润秋，王士天，等．陡倾坡内和垂直坡面走向张裂隙共生的成因机制及其工程效应[J]．地球科学进展，2004，19(S1)：391-394．

[3] DLT5337-2006 水电水利边坡工程地质勘察技术规程[S]．北京：中国电力出版社，2006.

Thestudyofthestabilityandthedeformationmechanismoftheinletslopeinahydropowerstation

ZHANGShengfeng

(Fujian Academy of Building Research,Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou,350025)

According to analyze the deformation mechanism and stability of a hydropower station slope.based on the field site investigation,combined with the analysis of the deformation and failure mechanism of the slope.Using limit equilibrium method to analysis of the deformation failure mechanism of the slope,According to the analysis of several possible combinations of sliding surfaces.The results of the study indicated the stability of the slope in natural state and earthquake condition is good.

Slope; Deformation mechanism; Stability

TU4

A

1004-6135(2017)11-0037-03

张升锋(1979.5- )，男，高级工程师。

E-mail:931675097@qq.com

2017-02-14