金沙水电站坝肩挠曲边坡稳定性及其影响因素研究

张馨文 田 斌 卢晓春 熊勃勃 陈博夫

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002; 2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

我国西南部水力资源丰富，水电开发较为集中，在大型水利水电枢纽工程建设过程中，不可避免遇到复杂地质构造的建设场地．在地壳运动、岩体卸荷以及自然侵蚀等影响因素下，可能引起危岩体卸荷变形、应力复杂等不利扰动效应，严重影响其整体性和稳定性，极易诱发滑坡灾害．在复杂地址构造体中，挠曲体作为一种复杂地质构造运动的地质结构体，其高破碎程度、力学各向异性及岩层局部脱空等特征使得所形成的地表边坡极具不稳定．在自然及人为因素长期作用下，岩体强度下降，渗透性增大，严重时可导致边坡失稳破坏．然而，目前国内外学者较多集中对缓倾角层状边坡、多顺层边坡及含有复杂结构面危岩边坡的研究[1-3]，针对多层破碎带折弯变形的复杂结构体成因机制、变形特点及稳定影响因素的讨论并不多见．因此，开展复杂空间挠曲体边坡的稳定性及影响因素研究十分必要．

本文以四川省金沙江金沙水电站右岸坝肩挠曲体边坡为研究对象，分析其成因机制与破坏模式，应用Hoek-Brown准则对该边坡岩体力学参数合理取值进行了深入研究，分析其稳定性及影响因素，提出加固措施，为金沙水电站工程建设及运行安全提供依据，为类似工程边坡稳定性评价及其治理提供参考．

1 工程概况

本文以金沙水电站右岸坝肩花石崖挠曲体边坡为研究对象，该挠曲体从坝址右岸山坡高程1 150～1 200 m穿过，走向NE30°，挠曲体内岩层倾向SW即倾坡外，倾角43～56°，与边坡走向交角25～35°．挠曲体上、下正常岩层走向85～95°、倾向SE、倾角28～37°，发育少量倾坡外的缓倾角裂隙性断层，沿线表部岩体曾发生顺层塌滑现象，具体如图1所示．

图1 花石崖挠曲体图

花石崖挠曲体内部层间结构面以层面错动结构面为主，层间剪切带总体不发育．由于强烈的挤压-弯滑作用，岩层错动迹象显著．裂隙总体较发育，野外见31组78条，占所有结构面总数的80.4%，根据结构面的相关特征、类型和力学性质筛选了挠曲体相应的优势结构面，见表1．

表1 节理裂隙统计表

2 挠曲体成因机制与破坏模式

2.1 挠曲体的形成环境

挠曲体的形成方式与其应力状态、岩层能干性及变形环境密切相关．挠曲形成的区域应力条件与区域的构造特征密切相关．花石崖2号挠曲位于纳拉箐断裂与倮果断裂之间，构造应力以北西向水平挤压作用为主，主要发育于上三叠统中段(T3dq2)，以中厚至厚层状紫红色粉砂岩夹细砂岩为主，夹少量泥质粉砂岩、微晶灰岩，局部夹泥页岩，下部分布3层厚2～6 m的粗砾岩，岩层能干性差较大．挠曲内部岩层由于受到外侧拉伸和内层压扁作用的影响，变形以脆性破裂为主，同时由于层厚和韧性的差异，而呈现出较大的变异性．

2.2 挠曲体成因机制

挠曲体形成过程中地质条件较为复杂，岩层受到平行或稍微斜交层面的压应力作用，发生层间滑动，但又受围岩限制，使滑动面发生急剧转折，绕膝折面形成尖棱褶皱．膝折中的滑动褶皱作用发生在不对称膝折的短翼部分，形成剪切带，具体过程如图2所示．

图2 挠曲体形成中的膝折作用

其次，据Ramsay的褶皱接触应变带理论，由于大乔地组中段厚层砂岩与薄层泥页岩能干性差距较大，这时，既要保持总体褶皱的协调性，又要保持强硬层厚度不变，强硬层以发育规则的尖棱褶皱为主要特点，应变集中于转折端，而两翼较为平直．由于强烈的挤压，软弱层发生塑性流动，逐渐向转折端运动，从而使转折端加厚，使其具有顶厚褶皱(相似褶皱)的特点，如图3所示．

图3 花石崖2号褶皱发育模式

花石崖2号挠曲孕育于三叠系上统大乔地组中段的砂岩、灰岩及泥页岩之中，在受到北西向水平挤压作用下，发生纵弯褶皱作用，强硬层受到中和褶皱面作用的影响，内侧压扁，外侧拉伸，形成内侧“X”型共轭剪切节理，呈现外侧横向张裂与扇状张裂的变形特征，同时既存在层面擦痕、层间破碎带、“S”形从属褶皱和虚脱现象等典型的弯滑褶皱作用的变形特征，又存在由于层内物质流动而形成的流劈理与构造透镜体等弯流褶皱作用的特征．总体来看，由于花石崖2号挠曲发育岩层能干性比大，多层岩层在定向水平压力的作用下，逐渐向尖棱褶皱～膝折褶皱形态演化，从而形成花石崖2号挠曲．

2.3 挠曲边坡失稳模式

研究挠曲边坡的失稳模式是分析其稳定性的前提，挠曲边坡内部节理裂隙发育，不同节理裂隙组合可能形成不同的边坡失稳模式，因此，需对边坡可能的失稳模式进行初步分析判断．

在现场地质调查的基础上，应用赤平投影法统计分析边坡结构面的几何特性，结合极点分析法分析可能发生的破坏模式，并绘制赤平投影图如图4所示．

图4 挠曲边坡失稳模式判别图

由图4可知：1)无结构面的极点投影落在倾倒区，挠曲边坡不会发生倾倒破坏；2)结构面2的极点投影落在滑动区，可能发生沿第2组结构面的平面滑动；3)结构面2与结构面3、结构面2与结构面6、结构面3与结构面6组合交线的极点投影均落入滑动区，挠曲边坡可能发生楔形体破坏；结构面2和结构面5交线的极点投影靠近滑动区，需分析该部位楔形体的稳定性；结构面3和结构面5组合交线与斜坡走向、倾向大致相同，其极点投影并没有落在滑动区，但在降雨等因素影响下，可能产生楔形体滑动．

综上可知，挠曲边坡的稳定性较差，可能发生平面滑动破坏和楔形体滑动破坏(具体的破坏模式见表2)，因此需要对该挠曲边坡进行更加深入的稳定分析．

表2 挠曲边坡破坏模式一览表

注：表中“2+3”即为表1中节理裂隙2与节理裂隙3的组合．

3 挠曲岩体力学特征及力学参数

花石崖挠曲边坡具有坡陡、构造发育、岩石破碎、岩层软硬相间、结构面组成复杂、前缘临空等地质特性，其力学特性在空间上的随机变异性很大，为充分考虑这些因素对岩体参数的影响，研究基于岩体力学特征，应用Hoek-Brown强度准则研究岩体的力学参数．

Hoek-Brown强度准则[4-6]的关系表达式为：

(1)

Woodruff顾客价值层次模型认为顾客感知价值具有3个不同层次，即基于产品属性的价值感知，基于使用结果的价值感知与基于使用目的的价值感知，3种价值感知之间存在层次影响关系，且具有“自上而下”与“自下而上”两种影响关系，“自下而上”主要应用于对产品属性的完善以达到消费者使用结果，从而强化消费者的需求[18]853。本文主要对“自下而上”即“属性-结果-目的”层次关系进行实证研究，并且基于游客感知视角，依据感知价值层次模型的关联程度提供完善乡村旅游地游客中心的功能的对策。

(2)

式中：

(3)

由Hoek-Brown强度准则计算的岩体力学参数需进行弱化处理，综合考虑经济及安全原则，取弱化系数为0.8，即达到一定计算精度，同时也考虑实际工程的安全裕度，分析所得岩体材料参数见表3，主要结构面抗剪强度见表4．

表3 岩体材料力学参数建议值

表4 主要结构面抗剪强度参数建议值

4 挠曲边坡稳定性及影响因素分析

4.1 稳定性计算

由勘探资料可知，挠曲体所在位置较高，地下水埋藏较深，故只考虑天然边坡状态下岩体自重荷载，依据规范取允许最小安全系数为1.25．具体计算方法如下：

1)在平面滑动稳定性分析中，安全系数计算公式如下[7]：

(4)

式中，γ为岩体的重度；c为粘聚力；φ为内摩擦角；A为结构面面积；V为岩体体积；θ为结构面倾角．

2)进行楔形体稳定性分析时，计算简图如图5所示．

图5 传统楔形体受力图

安全系数计算公式为[8]：

(5)

由上述方法计算所得挠曲边坡安全系数见表5，在天然状态下，不考虑降雨与岩体局部脱空时，挠曲边坡整体稳定性较好，各种破坏模式下均满足规范要求，发生滑动失稳破坏的可能性较小．其中，楔形体滑动模式②、④、⑤安全系数相对较小．

表5 天然状态下挠曲边坡稳定安全系数

注：表中楔形体滑动①即为表2中节理裂隙组合①．

4.2 影响因素敏感性分析

1)降雨

在边坡工程中，雨水入渗引起岩体容重、饱和度增加，加大了下滑力，弱化了抗剪强度，从而降低边坡稳定性．花石崖挠曲边坡所处位置雨水充沛，因此，必须考虑降雨因素的影响．根据研究，在水的作用下岩体强度降低取决于岩石成分，岩体100%饱和时，坚硬结晶岩软化系数达0.9以上，低强度泥质岩软化系数在0.7以下，有的甚至达到0.4～0.5[9]．结合相关文献，将饱和度分别为100%、90%、75%、60%、40%、20%的岩体进行强度参数折减，计算所得安全系数如图6所示．

图6 安全系数随降雨变化曲线

由图6可知，考虑降雨因素后，各破坏模式下挠曲边坡稳定性随岩体饱和度增大不断降低；当饱和度达到60%时，安全系数显著下降，当达到90%时，安全系数降低速率趋于稳定；当饱和度达到85%时，楔形体②、楔形体④和楔形体⑤稳定性不满足规范要求．这几处岩体结构面较浅，岩体风化严重，且结构面强度本身不高，降雨使得岩体、裂隙及结构面软化，对强度影响相对较大，达到特定饱和度后，边坡将发生破坏，因此，挠曲边坡这几处位置需特别注意降雨时的安全性．

2)岩层局部脱空

挠曲体的形成必然伴随着岩体层间滑脱，导致岩体层面不连续，形成局部空腔，局部空腔会降低岩体强度．因此，有必要研究非贯通断续结构面的连通率对挠曲边坡稳定性的影响．在非贯通断续结构面剪切过程中，裂隙面和非贯通的岩桥均起剪切作用，结构面的内摩擦角和粘聚力计算公式[10]为：

(6)

式中，cb，φb为非贯通结构面的粘聚力和内摩擦角；cj，φj为裂隙面的粘聚力和内摩擦角；c，φ为岩体粘聚力和内摩擦角；K为结构面连通率．本文考虑连通率为95%、90%、85%、80%、70%、60%、50%情况下，挠曲边坡稳定性变化规律，计算所得安全系数如图7所示．

图7 安全系数随连通率变化曲线

由图7可知，考虑岩层局部脱空后，各破坏模式下挠曲边坡稳定性随岩体连通率增大逐渐降低；连通率达到70%时，安全系数显著下降，说明连通率小于70%时，对岩体稳定性影响较小，反之亦然；当连通率达到85%时，楔形体②、楔形体④和楔形体⑤处于失稳状态．由于这几处部位在挠曲前缘，当连通率增大时，层间抗滑力减小，所以连通率对这几处稳定性影响较大．

5 结 语

本文针对金沙水电站坝肩复杂挠曲边坡稳定性及其影响因素进行研究，主要结论如下：

1)花石崖挠曲体形成的主要原因为岩层能干性相差较大，受近似平行层面的挤压作用，发生弯曲褶皱；利用Hoek-Brown强度准则进行岩体参数取值具有一定合理性．

2)天然状态下，花石崖挠曲边坡整体稳定性较好，不会发生大型失稳破坏，但降雨和岩层局部脱空现象对边坡稳定性影响较大，可导致挠曲体边坡前缘发生破坏．

针对上述结论，建议对挠曲体采取适当注浆措施，填充层间脱空区并封闭岩体裂隙；在坡体表面设置截水排水系统以收集降雨形成的地表径流，并排往坡体区域以外，做好排水措施；施加锚杆支护以增加挠曲体整体性，同时，要加强对2号挠曲体边坡的长期监测，确保金沙水电站右岸坝肩挠曲边坡的安全性．