马来西亚某水电站倾倒边坡成因机制分析

白雪亮，李红帅，雷永刚，董正中

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

在水电站的工程建设中，经常遇到倾倒边坡稳定性问题。所谓倾倒边坡是指岩质边坡中，反倾层状结构或者陡倾顺层结构在边坡临空一侧产生弯曲、倾倒甚至折断的倾倒破坏现象。对于倾倒边坡，很多学者从不同的角度展开了相关研究。张丙先[1]针对西藏玉曲河下游岸坡的倾倒变形特征与板岩特性的相关性进行了研究，并分析了倾倒折断型、倾倒弯曲型、倾倒揉皱弯曲型三种不同的倾倒破坏类型；吴关叶[2]等结合苗尾水电站右坝基边坡倾倒拉裂变形破坏现象，从地质结构分析和数值模拟两方面揭示了其发生倾倒拉裂变形的机理，并根据其变形机理提出了对应的综合治理措施；张世殊[3]等通过对边坡与其内隧道的变形特征的研究，并结合现场监测数据与数值模拟分析认为软硬岩互层引起的不协调变形与水库蓄水及地震影响是二古溪边坡倾倒破坏的主要原因，并且边坡的变形发展还将持续进行；邱俊[4]等主要依据数值模拟与地质分析的方法研究了金沙江某水电站左坝肩的双面倾倒形成机制，揭示其双面倾倒变形是由于二次应力场导致岩体沿其片理面产生了变形，从而引起其发生变形破坏。并且通过数值模拟发现其倾倒变形速率有从坡体中间向两端递减的趋势；赵华[5]等通过边坡物理模型试验研究了反倾边坡的倾倒变形演化过程，并依据试验结果认为反倾边坡倾倒变形分为初期卸荷回弹变形、长期重力弯曲(破裂)变形及后期蠕滑变形三个阶段，依据试验结果提出了把变形加速度作为倾倒边坡失稳的指标；廖少波[6]等利用数值模拟软件采用正交试验方法研究了不同边坡内在因素对其倾倒稳定性的影响规律，通过极差分析和方差分析方法表明边坡坡角和结构面倾角对倾倒边坡稳定性的影响最大。

马来西亚某水电站位于马来西亚沙捞越州西南部人烟稀少区域的巴莱河上一急转弯处，目前主要在进行2条导流洞的施工，其中在2号导流洞出口边坡开挖过程中出现了倾倒变形破坏现象。本文根据2号导流洞出口边坡倾倒变形破坏的发展过程，对其成因机制进行分析，依据成因机制的分析制定了对应的综合治理措施。实践证明，治理措施取得了良好的效果。

1 工程地质概况

1.1 地形地貌

2号导流洞出口边坡位于河流下游拐弯段，此处原始地形为自然岸坡。岸坡陡峭，陡崖处基岩裸露。且岸坡发育小冲沟。斜坡EL.120 m～EL.160 m高程段地形相对平缓，坡度5°～25°，EL.50 m～EL.120 m高程段地势陡峭，坡度40°～54°。岸坡地表植被发育，受河水侵蚀作用，岸坡朝向河流侧临空条件较好，为边坡倾倒变形提供了空间。

1.2 地层岩性

2号导流洞出口边坡主要由Belaga组Layar段沉积岩组成，其中EL.135 m～EL.85 m岩性主要为灰黄色薄层页岩与砂岩/粉砂岩互层，岩石强度低，为软岩—极软岩，薄层构造，单层厚度为0.02～0.1 m。EL.85 m～EL.75 m为砂岩/粉砂岩地层，岩石强度高，中厚层构造，单层厚度为0.1～0.3 m。2号导流洞出口边坡表层出露3～5 m厚的残坡积覆盖层及全风化地层，较松散。2号导流洞出口边坡岩体整体较破碎，完整性差。总体上边坡岩性为页岩与砂岩/粉砂岩互层，岩体中裂隙较发育，在马来西亚热带雨林气候大量降雨影响下，边坡浅层岩体中的裂隙及层面被水侵入，导致层面及裂隙中的黏结力降低，这种软硬岩互层地层为倾倒变形破坏提供了基本的岩性物质条件。整体边坡稳定性较差，边坡开挖过程需加强锚固支护。

1.3 地质构造

2号导流洞出口边坡范围内无断层及大的构造发育，其典型工程地质剖面图见图1。边坡主要发育三组裂隙，其中J1s(层面裂隙)产状为119°～130°∠44°～50°，面平直规则，局部张开，充填黏土，延伸长度为15～20 m，发育较密；J2s产状为220°～225°∠50°～55°，为切层裂隙组，较平直，延伸长度为10～15 m，发育次之；J3s产状为288°～292°∠47°～53°，较短小，最少发育。裂隙发育情况见图2。层面走向与边坡走向夹角小(约25°)，总体保持一致。由图2可见，在边坡裂隙中，J1s(层面裂隙)占主导，J2s组裂隙次之，J3s组裂隙最少发育。由图1、图2可见，层面裂隙、J2s组裂隙与边坡构成了典型的倾倒边坡结构，且层面倾角较陡，为边坡的倾倒变形提供了构造条件。

1.4 风化情况

2号导流洞出口边坡EL.120 m高程以上为地表覆盖层及全风化的残积层，层厚3～5 m。EL.120 m～EL.105 m为强风化层，垂直于原始坡面方向厚度为15～20 m。EL.105 m～EL.75 m为中风化层，垂直于原始坡面方向厚度为15～20 m。其下为微风化—新鲜砂岩及粉砂岩地层。整体边坡风化较为强烈，导致边坡浅层岩体强度较低，不足以充分抵抗上覆岩体的重力和其他应力作用。对倾倒变形有利。

图1 2号洞出口边坡典型工程地质剖面Fig.1 Typical engineering geological profile of the exit slope of No.2 cave

图2 2号洞出口边坡节理等密图(下半球投影)Fig.2 Isometric diagram of the slope joints at the exit of No.2 cave (projection of lower hemisphere)

2 边坡基本情况介绍

2号导流洞出口边坡受地形及其他建筑物布置影响，开挖设计按照下述设计方式进行。

2号洞出口边坡开口线高程为EL.133 m，底板高程为EL.32.5 m，边坡总高度约100 m。每10 m设置一级马道，共9级，马道宽度3 m。在开挖至EL.75 m高程时发生大范围的倾倒变形破坏。

开挖坡比及支护方式为：EL.133 m～EL.115 m开挖坡比为1∶1，网格梁加喷锚支护；EL.115 m～EL.95 m开挖坡比为1∶0.7，网格梁加喷锚支护，其中EL.105 m～EL.95 m设置锚索支护；EL.95 m～EL.85 m开挖坡比为1∶0.5，网格梁加喷锚支护，并设置贴坡混凝土；EL.85 m～EL.75 m开挖坡比为1∶0.3，网格梁加喷锚支护，局部设置贴坡混凝土；其中E.L133 m～EL.85 m由于整体岩石强度较低，采用机械开挖，EL.85m以下，岩石强度增强采用爆破开挖与机械开挖相结合的方式进行开挖作业。

3 边坡倾倒变形特征

3.1 边坡倾倒变形过程

2019年1月17日，2号导流洞出口边坡EL.105 m马道排水沟内侧出现2条沿马道走向的拉裂缝，其中第1条裂缝靠近排水沟，裂缝长约27 m，宽约5 mm。第2条裂缝靠近边坡最上游测，裂缝长约12 m，裂缝宽度3～5 mm。

2019年1月27日上午，出口2号洞边坡EL.105 m～EL.96 m边坡坡面出现明显裂缝(图3)，部分区域出现垮落(图4)。裂缝长约25 m，出现高程为EL.102 m～EL.101 m，裂缝宽3～10 cm。其中垮落处长约5 m，高程为EL.101 m～EL.96 m，深度范围30～50 cm，垮落区域表面出现渗滴水，岩体出现小范围倾倒破坏，边坡出现局部剥落。

图3 2号洞出口边坡EL.105 m边坡裂缝Fig.3 EL.105 m crack at the exit slope of No.2 cave(front view and side view) (a)正视 (b)侧视图

图4 2号洞出口边坡EL.105 m～EL.96 m局部垮落Fig.4 EL.105 m-EL.96 m local collapse at the exit slope of No.2 cave

2019年7月28日下午约6时，2号导流洞出口边坡EL.78 m以下进行爆破施工，爆破完成后目测无明显变形迹象。2019年7月29日上午，发现整个边坡产生明显变形破坏(图5)，边坡出现大面积拉裂缝(图6)，产生明显的剪切位移或错落沉降。现场裂缝内侧岩体出现明显的倾倒折断破坏现象。

图5 2号洞出口边坡EL.75 m变形破坏Fig.5 EL.75 m deformation and failure at the exit slope of No.2 cave

图6 2号洞出口边坡EL.105 m张拉裂缝Fig.6 EL.105 m tensile crack at the exit slope of No.2 cave

3.2 边坡倾倒变形破坏分区

经过现场详细勘察及分析，根据边坡破坏程度并结合现场变形位移测量数据，将其变形部位分为两个区(图7)。其中Ⅰ区为变形破坏区，其变形位移在0.7～1.5 m之间。Ⅱ区为浅层拉裂区，主要为边坡表层及喷混凝土表面的浅层拉裂，整体变形位移小于0.3 m。

Ⅰ区：

分布范围为EL.105 m高程以下2#洞轴线上游侧边坡，整个区域发生明显位移，位移量0.7～1.5 m。

此区域产生变形破坏，变形范围水平向约50 m，高程范围约52 m，EL.78 m～EL.130 m，推测变形深度5～15 m，破坏面积约 2000 m2，方量约13 000 m3。后缘喷混凝土表面拉裂缝宽约120 mm，可见深度约10 cm。沿EL.105 m马道内侧出现一水平裂缝，长约20 m，宽1.0～1.5 m，可见深度最大1.2 m，裂缝里面边坡岩层发生明显倾倒折断现象，产生1.0～1.5 m沉降位移。

Ⅱ区：

分布范围为EL.105 m高程以上及2#洞轴线下游侧，边坡位移不明显，裂缝规模较小，裂缝主要为喷混凝土表面拉裂，其下岩体基本完整(图8)。

变形范围水平向约35 m，高程范围约57 m，EL.78 m～EL.135 m。破坏面积约2100 m2。EL.125 m马道上部边坡出现一条竖向裂缝，宽度约10 cm，垂直高度约3 m，为喷混凝土表面裂缝。EL.95 m高程出现水平向裂缝，贯穿贴坡范围，为喷混凝土面裂缝。

总体来看，出口2号洞边坡的变形范围顺边坡方向长约85 m，高程范围为EL.78 m～EL.135 m。Ⅰ区为变形破坏区，推测变形破坏深度5～15 m；Ⅱ区为浅层拉裂区，变形破坏主要发生在喷混凝土表面及边坡浅层。

4 出口边坡倾倒机制分析

2号导流洞出口边坡倾倒变形破坏是地质内因和外部诱因综合作用的结果。

从边坡自身地质内因条件分析，开挖边坡自身走向与岩层走向近平行，且岩层有陡倾坡内的地层结构，具备产生倾倒破坏的有利条件；2号导流洞出口边坡EL.120 m高程以上为地表覆盖层及全风化的残积层，EL.120 m～EL.105 m为强风化层，EL.105 m～EL.75 m为中风化层，以下为微风化—新鲜岩体。整体边坡风化程度较为强烈，导致岩体质量较差；以上两方面是边坡发生倾倒变形破坏的地质内因。

图7 出口边坡裂缝分布平面图

图8 出口2号洞边坡倾倒变形破坏图Fig.8 Toppling deformation and failure diagram of the exit slope of No.2 cave

从外部诱因来看，当边坡开挖至EL.105 m高程时，由于上部边坡已经开挖，缺失支撑岩体，且开挖又提供了变形空间，因此在上部岩体自身重力作用下，岩体内侧发生了压缩倾倒变形，外观表现为在喷锚结构混凝土表面产生了近乎平行边坡走向的拉裂缝。此时主要为岩体浅层的倾倒变形，为倾倒变形的初期阶段。主要表现为岩体在自身重力作用下向临空面倾倒，导致岩体变形形成张拉裂缝。

随着开挖继续进行，当开挖至EL.95 m高程时，由于在上部岩体重力继续作用下，加之EL.105m～EL.95m边坡开挖后未及时封闭，且开挖期间有强降雨情况。在上述因素共同作用下，边坡发生了小范围的圈椅状倾倒垮落。这是边坡倾倒变形的第二阶段。通过观察裂缝内侧岩体，发现岩层出现了明显的倾倒折断型破坏，故紧急要求在EL.105 m～EL.95 m边坡增加锚索支护施工。但由于各种原因，锚索施工完成后未进行有效张拉。

随着继续开挖边坡EL.85 m～EL.75 m时，由于为中风化砂岩/粉砂岩地层，岩体强度较高，采用爆破开挖方式。故在开挖至EL.85 m～EL.75 m高程时，边坡岩体已经接近稳定极限，爆破开挖不断的对上覆接近稳定极限的岩土体造成扰动。最主要表现为爆破的地震波效应和松动损伤效应。在两者效应共同作用下，岩体的强度不断降低。且最后一次爆破时，爆破范围及装药量偏大，对边坡扰动最大，上覆岩体重力达到了下层砂岩/粉砂岩的强度极限，在上覆岩体整体倾倒产生的拉应力和重力作用下，下层砂岩/粉砂岩层状板梁结构发生折断，进而造成边坡倾倒部分整体向下位移，并且产生大范围的张拉裂缝。导致边坡产生倾倒变形破坏。

从内外因整体来看，自身具有倾倒破坏的有利条件、边坡岩体质量差是变形破坏的内因；EL.105 m～95 m边坡锚索没有起到支护作用、下方边坡开挖爆破措施不当是边坡变形破坏的外因。在内外因机制共同作用下引起了2号导流洞出口边坡的倾倒变形破坏。

5 倾倒边坡加固治理措施

经现场调查发现，边坡岩体发生较大位移破坏的部位为Ⅰ区的强风化页岩层。Ⅱ区EL.105m马道以上边坡为网格梁加长锚杆支护，边坡变形量较小，主要表现为喷混凝土层受下方垮塌牵引影响，表层产生几条规模不大裂缝，认为网格梁支护仍未失效。边坡整体表现为浅表层的倾倒变形破坏。因此根据以上认识主要采用了削方压脚、预应力锚固、格栅梁加固等综合治理措施。

5.1 削方压脚

边坡发生变形破坏的内因是由于其上覆岩体的压应力过大，因此在边坡发生变形破坏后，为防止变形进一步发展，减小边坡的应力集中，同时提高边坡的自身稳定性。并为后续治理措施创造条件。在边坡上游侧进行削方减重作业，以减少下部岩层的压应力。同时在边坡下部EL.75 m高程进行堆渣压脚，增强边坡下部稳定性。表观监测表明，边坡的变形速率得到了明显控制。

5.2 预应力锚固

为了阻止边坡的进一步变形发展，利用锚索对变形部位进行锁固，将其稳定在未变形的坡内深部岩体中，使其形成一个稳定的整体。对EL.95 m～EL.105 m高程边坡倾倒破坏部分进行清除，重新贴坡后进行预应力锚索加固。锚索布置三排，间距2 m×2 m(图9)。

图9 2号导流洞出口边坡锚固支护剖面图Fig.9 Sectional map of the anchoring support for the exit slope of No.2 diversion tunnel

5.3 格栅梁加固

为了加强边坡浅层部位的变形体的稳定性，对EL.75 m～EL.95 m高程边坡下游倾倒破坏部分进行清除，然后采用锚杆加混凝土格栅梁的方式进行支护，使其牢固在内侧稳定岩体中。对于上游侧，在折断部位进行贴坡混凝土加锚杆支护的方式加强支护。对潜在变形部位进行支护，使其形成一个稳定的整体(图10)。

通过Phase2有限元软件计算分析，在对边坡进行加固处理后，正常工况下安全系数为2.617，降雨工况下安全系数为1.788，地震工况下安全系数为2.149。

图10 加固后的出口2号洞边坡Fig.10 Reinforced exit slope of No.2 cave

上述加固措施满足边坡各项安全系数要求。在加固措施施工完毕后，表观监测表明目前边坡处于稳定状态。

6 结论

马来西亚某水电站边坡倾倒变形破坏是一个随时间逐渐发展的过程。边坡以页岩、砂岩/粉砂岩为主要地层，岩层有陡倾坡内的地层结构，且岩体风化强烈，自身具备产生倾倒破坏的有利条件，是边坡发生倾倒破坏的地质内因；在边坡开挖过程中，上部岩层缺失支撑岩体，且开挖又提供了变形空间，边坡岩体在自身重力作用下，发生了压缩倾倒变形，同时边坡缺乏及时有效支护，再加上降雨、爆破开挖扰动作用，最终在内外因共同作用下导致边坡产生倾倒变形破坏。通过对边坡倾倒破坏机制的认识并结合边坡自身工程特性，提出了削方压脚、预应力锚固、格栅梁加固的综合加固措施。通过数值计算和表观监测均表明目前边坡处于稳定状态。