倾倒变形体成因机制及稳定性

孙建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理处，新疆 博乐833400）

倾倒变形体成因机制及稳定性

孙建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理处，新疆 博乐833400）

陡倾产状岩体倾倒变形是自然界常见的一种地质灾害，对工程建设存在一定的危害。根据倾倒变形体的特征，进行边坡破坏模式和稳定性计算分析，并综合考虑倾倒体所处部位、规模、工程地质条件，计算出安全系数并提出处理方案。

倾倒变形体；成因机制；破坏模式；稳定性分析

1 工程概况

阿克肖水库工程是流域规划推荐阿克肖河上的控制性水利枢纽工程，最大坝高57.5m，为中型Ⅲ等工程，由挡水坝、导流兼冲沙泄洪洞、溢洪道等组成。水库具有年调节性能，灌溉、防洪等综合利用效益。工程建成后，替代下游灌区调蓄水库工程，减少水库损失，提高水资源利用效率，可改善流域灌区灌溉面积1.95万hm2灌溉条件，扩大流域灌区灌溉面积0.66万hm2；下游河道防洪标准从5年一遇提高到20年一遇。

水库坝址区河谷右岸局部为高陡斜坡，与陡立的岩体片理呈小角度相交。岩体在自重弯矩作用下，由前缘向临空方向作悬臂弯曲，并逐渐向坡内发展；倾倒弯曲的片理相互间错动并伴有拉裂，使岩体倾倒进而形成不稳定倾倒体。

2 倾倒体位置和规模

倾倒体位于坝轴线右岸坡，底部位于Ⅳ级阶地后缘，高程2425m，顶部高程2500m，底部1/3位于正常蓄水位下；高差70m，顺河宽100～170m。倾倒体厚20～36m，估算方量26.0万m3；倾倒岩体变形后，产状由65°～70°SE∠60°～80°倾倒形变为65°NW∠5°或55°NW∠15°，倾倒岩体破碎，呈碎块状结构，倾倒体表层片理面张开，多充填有黄色粉土。该倾倒体自然坡度34°，目前处于稳定状态。水库蓄水后，仅坡脚处高45m的局部段浸泡于水下。由于距坝址较近，坝趾板开挖时可能受影响，致使该倾倒体结构改变，产生局部失稳滑动。

3 右岸坡卸荷倾倒变形体自然组成条件及破坏模式

3.1 自然组成条件

倾倒变形体处边坡岩体卸荷倾倒强烈，主要受到坝址区地形地貌、岩体结构、构造环境影响。

3.1.1 构造环境因素［1］

该变形体范围内和周边发育多条EW向及NWW向中、小规模断层和裂隙，有较高的应力环境下，构造作用强烈，顺层片理发育，且主压应力方向平行于变形体主轴线，与目前主河床78°斜交。长期的河流自然掏刷以致变形体“脚部”失稳，较高岩体在自重条件下沿着不利结构面下滑，导致岩体上部或下部开裂，原先的自稳能力削减，最终卸荷。

3.1.2 原始地形地貌的影响

倾倒变形体处边坡走向近东西向，岸坡陡立。在Ⅳ级阶地后期，地壳大幅抬升，河流急速下切，抬升幅度达50m。垂直坡面发育冲沟，不断侵蚀山体，并在较大高差的地形条件下，有利于卸荷倾倒作用的产生。

3.1.3 地层岩性及结构面的影响

边坡基岩为绿泥石石英片岩，片理走向与边坡呈小角度相交，片理陡倾坡外，顺层片理发育，易造成岩体向主河床方向张裂［2-3］和卸荷倾倒而进行地貌上的蠕变。岸边岩体在日常自然环境中风化下，沿片理面间拉裂变形，向临空面弯曲；进一步发展，岩石沿片理面折断倾覆于山坡上。

3.1.4 河流冲蚀的影响

倾倒变形体底部为Ⅳ级阶地后缘，河流在主河床的演变过程中对右岸岩体边坡坡脚进行掏蚀，导致边坡岩体卸荷作用得以充分发展。

因此岩体卸荷倾倒的影响因素是相互作用、彼此牵制的。自然的地形地貌和主河道的演变对倾倒体形成提供了先决条件，岩体的岩性和发育结构面是倾倒体形成的内在因素。

3.2 边坡破坏模式

边坡的破坏强度，各个时期有所不同，边坡形成初期，受河流快速下切影响［4］，地形陡峻，岩体自稳能力减弱，表层岩体从上部逐渐崩塌和崩落。随着崩塌的进行，边坡坡度逐渐变缓，当崩塌变形体的自重和下侧的阻碍力相平衡时，该倾倒体基本处于稳定。

4 倾倒体稳定性评价

4.1 稳定性宏观分析

根据现场情况，倾倒体表层为绿泥石石英片岩的碎块体，浅灰色碎块、碎石，块径3～20cm，少量碎渣，人工可以刨动，下部基岩多呈干砌石状，属碎块状结构，工程性状差。倾倒体表层覆盖的0.3～0.5m厚的风积粉土判断，未见有变形迹象，说明该倾倒体已长时间（Q4以来）处于稳定状态。

4.2 稳定性计算

根据当前变形倾倒体形态及其范围内的断层、裂隙发育情况，考虑平面型滑面滑动分析［5-6］，采用刚体极限平衡法进行初步稳定性计算。计算公式如下：

式中 Fs为安全系数；W为滑体的重力 （kN）；C为滑面黏聚力（kPa）；φ为滑面的内摩擦角（°）；L为滑体长度（m）；β为结构面倾角（°）；Pb为地震力；KH为地震系数，根据7°烈度确定为0.1。

倾倒变形体主轴线方向为计算剖面，主要是确定边坡的滑移面。倾倒体呈碎块石状，推测可能的滑移面沿倾倒变形体下限界面产生滑移。

该倾倒体紧临坝址，一旦失稳对枢纽建筑物影响巨大。根据该变形体的形态、规模和相关规范，确定边坡级别为A类1级。稳定计算过程中考虑到运行期间不同的工况，以确保安全系数达到要求，稳定性计算工况如表1。

表1 工况、荷载组合及安全系数

因工程区干旱，降雨少，坡体无稳定的地下水，故计算中不考虑地下水压力的影响。倾倒体岩体破碎，多呈现碎块状镶嵌结构。天然状态下抗剪强度取黏聚力C=0.05MPa，摩擦系数f′=0.78；库水作用下取C=0.02MPa，f′=0.73。岩体天然重度取26.6kN/m3，饱和重度27.0kN/m3。由于变形体根部为临空河谷，所以不存在变形体的阻滑力。

考虑到各种不同工况，天然状态（持久状况）裂隙无水以及库水位高程以下裂隙充水情况；偶然状况为天然状态与7°地震的荷载组合。计算结果如表2。

表2 倾倒体边坡稳定性计算结果表

4.3 变形体稳定评价

由倾倒变形体当前状况结合不同工况下的稳定性计算：

（1）当前，工程区不进行爆破、开挖等一些行为，边坡不存在失稳现象；但在7°地震条件下，倾倒岩体会产生崩塌为主的变形破坏，边坡处于不稳定状态。

（2）施工期间，对坡脚覆盖层开挖，倾倒体可能产生局部塌滑或蠕动变形，其破坏特征为表部逐步的、小规模的塌滑及掉块。

（3）运行期间，在自重及库水的作用下，倾倒体可能产生塌滑或蠕动变形［7-8］。由于倾倒体底部位于库水以下，初步分析，其产生大的涌浪可能性不大。

5 结语

右岸坝肩边坡保持现状不会失稳而滑塌，仅存在小规模的掉块现象。但是由于变形体已基本无“脚部”进行支撑和阻滑。因此根据目前勘探成果，需对该卸荷倾倒变形体进行处理：

（1）该倾倒体由于卸荷裂隙发育，多张开，岩体整体呈块碎状，结构松弛，工程性状较差，不宜作为趾板及心墙基础，建议清除处理。

（2）倾倒体岩石多呈镶嵌碎裂结构，在现状下整体稳定，但是依然会产生小规模的塌滑及掉块，对大坝、导流洞进口等水工建筑物的安全构成威胁。

（3）水库蓄水后，该倾倒体下部1/3浸泡于水下，坡脚为风积低液限粉土，由于导大坝右坝肩开挖会斜切倾倒体下游坡脚，将使倾倒体失稳产生塌滑。因此应结合坝肩开挖，将倾倒体全部清除后采取护坡，清理的弃渣可作为后坝坡的填筑料。

（4）该倾倒体紧临坝址，若处理不及时或不到位，一旦失稳对枢纽建筑物影响巨大。因此，根据倾倒变形体形态、规模、工程地质条件，根据施工期和运行期间可能发生的工况进行稳定性计算。

（5）为提高大坝安全储备，需结合大坝右坝肩开挖时，将变形倾倒体进行清除，以免后患［9］。

［1］张正清.N江某水电站左岸倾倒岩体成因分析［J］.资源环境与工程，2015（5）：574-577，597.

［2］鲁博，游小伟.某水电站工程1号倾倒变形体成因机制分析［J］.西北水电，2014（5）：10-13.

［3］周洪福，聂德新.澜沧江某水电工程大型倾倒变形体边坡成因机制［J］.水利水电科技进展，2012（3） ：48-52.

［4］王磊，李滨，冯振.武隆县羊角场镇厚层灰岩山体大型危岩体破坏模式及成因机制研究［J］.地质学报，2015（2）： 461-471.

［5］张菊明，王思敬 .边坡岩体结构的三维失稳形式及稳定性分析研究［J］.工程地质学报，1997（3）： 242-250.

［6］陈健云.复杂环境下倾倒式危岩体的动力稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2016（8）：57-62.

［7］向贤友 .下尔呷水电站阿觉利倾倒变形体稳定分析［J］.水电站设计，2015（4）：52-54.

［8］马德林，杨绍平.某水电站库区倾倒变形体稳定性研究［J］.四川地质学报，2014（4）：599-602.

［9］王志强.乌鲁瓦提水利枢纽工程左坝肩高边坡不稳定岩体处理［J］.水利建设与管理2010（8）：19-21.

Dumping deformation causes mechanism and stability

SUN Jian-ming
（Xinjiang Bozhou Ala-shankou Water Supply Project Management Office,Bole 833400,China）

Toppling deformation of steeply dipping rock mass is a common geological disaster in nature,which is harmful to engineering construction.According to the characteristics of the dump deformation body,the slope failure mode analysis and stability calculation are analyzed.According to the load combination under various working conditions,considering the location,scale and engineering geological condition of the toppling body synthetically,the safety factor is calculated and the treatment scheme is proposed.

dumping deformation； genetic mechanism； failure mode； stability analysis

P64 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2017）06-0092-03

2017-10-17

孙建明（1965-），男（汉族），山东青岛人，工程师，主要从事水利水电工程建设与管理工作，（Tel）13579876484。

王艳肖）