某水电站卸荷倾倒变形体成因和稳定性分析

黄兴喜

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 变形体工程地质概况

倾倒变形体位于坝址区河谷右岸，坝区河谷呈倒变型，右岸山顶高程2580～2800m，相对高差200～420m，岸坡顺直，走向近东西，自然坡度40°～45°，大部分基岩裸露，仅坡脚处分布厚5～10m的崩坡积物。基岩为石炭系（C3k）灰黑色变质砂岩、变质粉砂岩，岩层产状50°～60°SE∠65°～75°。 右岸顺层断层较发育，间距一般2～8m，破碎带宽0.3～1.0m，由碎裂岩、糜棱岩夹断层泥组成，产状50°～60°SE或NW∠50°～85°。

根据地表地质测绘及平硐揭露，右岸节理裂隙发育，产状变化大，主要有2组：①组产状：45产～55产状：∠50产～70产，面多平直光滑，多为顺层裂隙，无充填，延伸长度2～5m；②组产状：295°～305°：光∠705～805，多平直光滑，相对较少，无充填，延伸长度2～3m。

工程所在区域属大陆干旱性气候，气温变化大，降雨量极少，且蒸发强烈，边坡岩体中基岩裂隙水补给来源主要是冰雪融水和大气降水，埋深在2410m高程以下，无统一水位，地下水流向是基岩裂隙水补给河水。

在勘察过程中为查明右岸坝肩边坡岩体卸荷特征，不同高程共布置4个勘探平硐，右坝肩上部2478m高程布置钻孔1个。通过平硐和钻孔揭露，边坡岩体卸荷强烈，且均发生倾倒变形，依据岩层倾角、层间裂隙发育密度不同、岩体松弛程度、岩体结构、纵波速度等，可将倾倒变形体划分为强、弱卸荷倾倒变形带，变形体强、弱倾倒变形划分如表1，图1，图2。

由表1可知，变形体内未见地下水出露，所有平硐均干燥，坝址区相应的地震基本烈度地震动峰值加速度为0.10g的区域内，地震烈度为7°，属于区域构造稳定性较差的地区。

表1 变形体强弱倾倒变形划分

图1 强倾倒变形体

图2 弱倾倒变形体

2 岩体卸荷倾倒变形成因机制及边坡破坏模式

2.1 变形成因机制

2.1.1 变形体

为晚古生代陆源盆地石炭系地层，岩性为薄层状的千枚状泥灰岩、夹砂岩，结构面中：片理面、层理面较为发育，岸坡岩体坡度较为陡峻，且河谷走向多与岩层走向小角度相交。

2.1.2 构造线

工程区其构造线主要为近NE走向，处于多条NE向区域性断裂之间，地层多为线状紧密褶皱，地层受逆冲推覆构造作用向东南方向倒转，该处地应力较高，最大压应力方向与河谷近正交。

2.1.3 应力分布特征

根据张倬元、王士天、王兰生的《工程地质分析原理》，河谷区岩体内自由凌空面附近的应力重分布及应力集中作用的一般规律为：主应力方向在河谷临空面附近发生明显变化，通常重分布后的最大主应力与临空面平行，最小主应力则与之垂直，最大主应力从内向外逐渐增大，到达临空面达到最大值，而最小主应力变化则相反，剪应力在临空面附近特别是坡脚处和河谷底部显著增大，形成应力集中现象。当岩体内应力超过其强度，岩体就发生破裂变形，形成各类表生结构面。

河流右岸为冲刷岸，下切作用强烈，造成河谷应力呈驼峰分布，应力释造成Ⅰ、Ⅱ型卸荷裂隙的发育。伴随地质历史时期的地壳上升和河谷下切的外力改造过程中，根据黄润秋、林峰的研究［4］，其边坡应力调整为应力降低区、应力增高区、原岩应力区，呈驼峰状分布。总结边坡卸荷的应力破坏机制，有3种I类卸荷裂隙发育在坡体的浅表层，并且向坡内逐渐减弱的特征，对岩体结构进行表生改造，实际工程中还有3种II类的卸荷裂隙，包括剪切松弛型卸荷裂隙、剪切错动型卸荷拉裂。河谷区的裂隙分布和应力分布，如图3。

图3 河谷区的裂隙分布和应力分布

2.2 边坡破坏模式

随着河流下切、地壳相应抬升，根据反倾或陡立层状岩质边坡的力学破坏机制为力学模型悬臂梁的力学模型，破坏机理是在自重弯矩及外力作用下的悬臂梁式弯曲破坏，岩层可见明显弯曲、折断现象，楔形缝发育，卸荷拉裂阶段，使得岸坡岩体向临空面方向发生卸荷倾倒—板梁弯曲—拉裂—折断—形成底滑面，然后滑移—崩塌的破坏模式如图4。

图4 变形示意

3 边坡稳定

3.1 稳定性分析

右岸边坡坡高200～260m，坡度40°～45°，坡体表层强卸荷倾倒变形带中裂隙发育且多张开，岩体互层状结构，整体松弛，呈碎裂结构，工程力学性质较差：弱卸荷倾倒变形带卸荷裂隙发育，卸荷裂隙之间的岩体工程性状稍好，呈镶块块裂结构；据平硐揭露，坡体表层2m范围内，卸荷裂隙大部分充填粉土或碎石；在天然条件下，边坡整体稳定。

根据右岸边坡形态和可能破坏的形式及裂隙组合情况，采用刚体极限平衡法进行初步稳定性计算，考虑平面型滑面滑动分析。其计算公式：

地震力Pb=KHW

式中 W为滑体的重力（kN）；φ为滑面的内摩擦角（°）；c为滑面黏聚力 （kPa）；L为滑体长度 （m）；α为坡脚（°）；β为结构面倾角（°）；KH为地震系数（根据7°烈度确定为0.1）。

对于计算剖面，主要是确定边坡的滑移面。综合考虑边坡岩体的裂隙产状、卸荷倾倒变形带深度及性状、坡面形态以及可能的失稳模式，推测有2个可能的滑移面：①沿强卸荷倾倒变形体与弱卸荷倾倒变形体分界面（滑面Ⅰ）产生滑移；②沿弱卸荷倾倒变形体下限界面（滑面Ⅱ）产生滑移，如图5。

图5 右岸边坡稳定性计算地质剖面

枢纽工程区右岸边坡均分布卸荷倾倒变形体，一旦失稳对枢纽建筑物影响巨大。参照DL/T5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》，综合考虑边坡所处部位、边坡规模、边坡工程地质条件，确定边坡级别为A类一级。稳定性计算工况如表2。

表2 边坡稳定性计算工况、荷载组合及安全系数

根据平硐和钻孔观测水位表明，在天然、暴雨、久雨条件下，坡体均无稳定的地下水为干燥状态，不考虑地下水压力的影响计算中不考虑地下水位。

对于计算参数，主要是确定滑面抗剪强度，滑面Ⅰ以上岩体多呈干砌石状，天然状态下取黏聚力C=0.05MPa，摩擦系数f′=0.78；库水作用下取C=0.02MPa，f′=0.73；滑面Ⅱ（弱卸荷倾倒变形体下限界面）以岩体抗剪断强度的0.8折减取值，天然状态下C=0.6MPa，f′=0.81，库水作用下时，仅高程2460m以下处于饱和状态，C=0.4MPa，f′=0.8。岩体天然重度取26.6kN/m3，饱和重度取27.0kN/m3。计算未考虑坡脚第四系堆积体的阻滑作用。

综合考虑天然状态（持久状况）裂隙无水及库水使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3。

表3 边坡稳定性计算结果

由于计算滑面为推测界面 （实际无连续结构面），且本阶段未进行相关试验工作，计算公式单一，计算成果仅供参考。

3.2 稳定性综合评价

3.2.1 现状条件

边坡整体基本稳定，不存在发生滑动的可能性；但在7°地震条件下，表层的强卸荷岩体会产生崩塌为主的变形破坏，边坡处于不稳定状态。

3.2.2 施工期间

对坡脚覆盖层开挖，边坡表部厚8～10m的强卸荷倾倒变形岩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。

3.2.3 运行期间

边坡表部厚8～10m的强卸荷倾倒变形岩体可能产生塌滑或蠕动变形。由于边坡（1/2以上坡体）位于库水以下，初步分析，其产生大的涌浪可能性不大。弱卸荷倾倒变形岩体在各种工况下整体处于稳定状态。

4 对大坝工程的影响及处理措施

右岸坝肩边坡在天然情况下处于整体稳定状态，在卸荷作用和风化作用等表层改造下，会发生中小规模崩塌现象，依据前期的勘探成果和地质测绘资料经综合分析，基于右岸坝肩卸荷倾倒变形问题提出以下处理措施：

（1）右岸坡表部强、弱卸荷倾倒变形岩体卸荷裂隙发育，岩体整体呈块碎状，结构松弛，工程力学性质较差，不宜作为趾板及心墙基础，建议清除处理。

（2）表部厚8～10m的强卸荷倾倒变形岩体结构呈干砌石状，其中表层2m结构近似含土块碎石，不能满足土石坝体基础要求，建议按自然坡度清除。

（3）对趾板及心墙基础须采取固结灌浆等处理措施，遇到卸荷裂隙时，应加强灌浆等处理措施。

（4）坝体以上边坡表部强卸荷倾倒变形岩体，可能产生小规模的滑落及掉块，为保证大坝面板等设施的安全，建议清除危岩体或者打锚杆挂网喷混凝土处理。

［1］GB_50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［2］DL/T5353—2006，水电水利工程边坡设计规范［S］.

［3］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理（2版）［M］.北京：地质出版社，1994.

［4］黄润秋，林峰，陈德基，等.岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究［J］.工程地质学报，2001，9（3）.

［5］张以晨，饵磊，沈世伟，等.反倾层状岩质边坡倾倒破坏力学模型［J］.吉林大学学报（地球科学版），2011，41（S1）：207-213.

［6］陈祖煜.岩质边坡稳定分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.