西域砾岩高边坡设计和处理

苌登仑,韩守都,李文新,王玉杰

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

1 概述

在我国工程岩体分级标准[2]和岩土工程勘察规范[3]中，将饱和单轴抗压强度小于30MPa作为软质岩，小于5MPa作为极软岩。根据目前对西域砾岩的认识，其具遇水软化、崩解等特性，导致泥钙质和泥质胶结西域砾岩属极软岩。西域砾岩地层所在河道受水流长期冲刷、掏蚀，河道多呈峡谷地形，具有两岸阶地和冲沟发育，地形条件复杂的特性[4]。在这种地质地形条件下的水库工程，工程区高边坡广泛存在。陡立高边坡受库水长期浸泡，或受泄洪集中淘刷均可能突然失稳滑塌，造成涌浪、堵塞泄洪洞洞口、在坝后形成堰塞湖等危险隐患。西域砾岩地层条件下的高边坡布置是否合理、高边坡处理措施是否恰当，对建筑物的布置和工程安全至关重要。本文以新疆迪那河五一水库工程为依托，结合长期以来在这种特殊地质地形条件的设计工作，研究了该地层下的高边坡变形失稳机理，以及西域砾岩高边坡布置、处理的原则和方法，总结了坝前、坝后不同高边坡条件下应当采取的工程措施，保证了高边坡稳定性和工程安全、节约了工程投资。

2 西域砾岩高边坡失稳破坏机理分析

2.1 影响高边坡稳定的因素

影响高边坡稳定性的因素较多，可分为2大类，即内在因素和外在因素[1]。内在因素主要包括边坡的地质构造、岩体结构、岩石性质及岩体的初始应力状态等；外在因素主要包括边坡形态、水文条件、工程作用等。全面研究影响西域砾岩高边坡稳定性的因素，才能对高边坡失稳破坏有深刻的认识，提出合理的、有针对性的措施。

2.2 高边坡失稳破坏机理

2.2.1坝前边坡

西域砾岩一般多呈厚层状、巨厚层状，干燥状态下岩体较为完整。坝前岸坡在饱和状态下物理力学数值大幅降低，容易失稳破坏，主要是由泥钙质和泥质这种弱胶结岩体的性质决定的。岩体中的泥岩、砂岩等软弱夹层形成的结构面，增加了高边坡失稳破坏的可能性。

黎康平等人以五一水库工程为依托，通过数值模拟试验研究西域砾岩高边坡坡脚软岩软化的破坏机理，分别对坡度、坡高、凝聚力、内摩擦角4个因素的敏感性做分析计算，认为西域砾岩高边坡失稳破坏是由边坡潜在破裂面上部受拉破坏区和下部剪切破坏区共同组成的折线状滑裂面造成的[5]。苌登仑等人在对五一水库联合进水口泥岩夹层西域砾岩高边坡处理方案的研究中，提出了西域砾岩高边坡失稳的3种滑移模式，并进行了计算分析[6]。王玉杰等人以莫莫克水利枢纽工程为依托，采用颗粒离散元方法，对不同坡高下西域砾岩边坡的掏蚀破坏进行了模拟，建立了西域砾岩边坡倾倒概化模型，认为坡脚掏蚀深度和边坡高度是影响西域砾岩后缘拉裂到整体失稳的主要因素[7]，并认为岩质边坡大都是沿着某些结构面，尤其是沿软弱结构面而发生失稳的[8]，因此对软弱结构面进行了重点研究。

以上对西域砾岩失稳破坏研究是不断深入的，结合数值模型计算分析，通过对五一水库西域砾岩边坡塌岸的过程和形态的研究，可得到饱和状态下西域砾岩边坡失稳破坏的机理主要为：高边坡在长期受库水、雨水、坡面汇水的浸泡、侵蚀作用下，西域砾岩物理力学性质发生劣化，先是在高边坡后缘应力集中区形成卸荷裂隙，并产生向临空面方向的变形，逐渐形成垂直张拉裂缝，在与坡脚侵蚀、冲蚀后形成的裂缝贯通后，最终导致高边坡失稳破坏；存在泥岩夹层的高边坡在泡水后强度丧失，容易沿泥岩夹层形成滑裂面，与高边坡后缘垂直张拉裂缝贯通后，加速了高边坡失稳破坏。

2.2.2坝后边坡

水流对坝后河道高边坡产生的影响主要是：①坡脚长期受河水淘刷、冲蚀；②坡面、坡顶受雨水和坡面汇水冲蚀。西域砾岩广泛分布于新疆的天山、昆仑山山麓地带[9]，深居内陆，多年平均降水量一般不足100mm。从坝址区Ⅳ级阶地后缘超百米高陡立边坡自然形态来看，干燥高边坡能够长期屹立。是因为岩体没有长时间被水浸泡，内部岩体的物理力学性质没有发生改变，在降雨和汇水作用下仅产生表层剥落，对岸坡形态改变是缓慢的。因此，影响坝后高边坡稳定性主要以河道水流淘刷、冲蚀坡脚为主。

河谷岸坡在河水长期过流侵蚀、淘刷作用下，高边坡坡脚产生掉块，被水流带走后又产生新的掉块，水流淘刷使高边坡坡脚形成深度达3～5m、高度几米至十几米的倒坡，甚至在坡脚形成深度达十几米的空洞。随着侵蚀不断加深，上部岩体形成应力集中区，先在高边坡后缘形成张拉裂缝，随着裂缝向深部发展，滑动体自重形成的张拉力和剪切力大于残存在滑裂面上的阻滑力，最终贯穿形成滑动面。由于高边坡失稳滑裂面自上而下呈陡直形态，西域砾岩边坡失稳破坏属于“剥洋葱式”的片状劈裂崩塌(如图1所示)。裂缝形成后，当雨水、冰雪融水、坡面汇水进入裂缝，结合面岩体受到浸泡抗剪强度大幅降低，加速了裂缝的开展，由于高边坡临空面陡立，西域砾岩自身抗剪强度低，因此高边坡失稳破坏非常突然，这也是降雨后，或是春季天气转暖后，容易出现岸坡突然崩塌的原因。

图1 西域砾岩河道岸坡照片(崩塌后)

五一水库坝轴线处河道为天然弯道，右岸为凹岸。坝肩河谷岸坡为陡壁，坡度为87°～90°，中下部倒坡，坡度75°～82°。右岸岸坡坡顶阶地前缘沿河谷方向岩体发育有卸荷裂隙，2008年4月观察该裂隙一般张开1～5mm，局部张开20～40cm，裂隙断续延伸长约50m，卸荷带水平宽5～10m，垂直深度约40m。2010年4月观察该裂隙已呈贯通状分布，延伸长约150m，裂隙平均张开约30～50cm不等。2011年2月8日该不稳定体出现局部坍塌，塌落方量约10000m3。2011年2月14日量测，裂隙张开宽度一般60～100cm，最宽达160cm。至2011年2月16日下午18时10分左右，该卸荷岩体大部分失稳坍塌，塌落方量约54000m3，坍塌后坝肩边坡仍为直立，局部倒坡(如图2所示)。

图2 右岸坝肩右岸坝肩卸荷体崩塌

3 西域砾岩高边坡布置及处理

3.1 布置原则

西域砾岩高边坡的布置应结合工程整体布局和建筑物布置进行，高边坡布置主要考虑以下几方面：

(1)尽量结合建筑物布置。建筑物进、出口紧凑布置有利于高边坡集中布置，利用建筑物进水口不同高程形成阶梯状布置，有利于放缓高边坡综合坡度，减轻高边坡顶部荷载，改善边坡应力状态。

(2)尽量做到挖填平衡。保证西域砾岩高边坡稳定的重要途径和措施是放缓边坡，但峡谷地形条件下，大范围的边坡开挖，将大大增加开挖和坡面防护工程量，峡谷地形也不利于坝体填筑工作面展开充分利用开挖料，使得弃料较多，更增加了环保投入。高边坡处理应针对影响稳定安全的主要矛盾，采用针对性的治理措施，不开挖或减小开挖。同时，对开挖料采用坡脚堆料反压、优化施工程序充分利用开挖料上坝等方法，尽量利用开挖料[10]。

(3)尽量避免高边坡开挖。由于自然边坡一般处于平衡状态，高边坡开挖不可避免地会改变岩体应力分布，可能造成边坡失稳。必须进行岸坡开挖的，应尽量降低边坡高度，对处于不利地形、地质条件的部位，应尽量远离主体建筑物，避免高边坡失稳影响工程安全。

(4)应避开不利结构面。在高边坡布置中应避免开挖坡面与泥岩、砂岩等软弱结构面平行或小角度相交。

(5)应避免高边坡二次失稳。高边坡布置中应避免单纯对坡脚或中下部开挖，造成岩体应力释放后边坡二次失稳。

3.2 处理措施

当建筑物和边坡布置型式已确定时，应采用综合处理措施保证高边坡稳定性。根据西域砾岩边坡失稳破坏机理，可采用“削头、压脚、拦腰、封顶、固表、排水”等措施对边坡进行支护处理，具体要点如下：

(1)削头：对边坡顶部或中上部开挖，也可对既有开挖边坡顶部或中上部扩大开挖，放缓边坡坡度，减小高边坡顶部或中上部岩体应力。

(2)压脚：在边坡底部坡脚或中下部堆载反压，增加坡脚抗滑能力。

(3)拦腰：在边坡中部设置抗滑洞塞，切断潜在滑动面，约束高边坡滑动。

(4)封顶：对高边坡后缘张拉裂隙进行封闭处理，防止水流入渗造成裂隙进一步发展。

(5)固表：对高边坡开挖坡面进行支护处理，防止高边坡表层不断剥落，在开挖坡面采用纵、横向混凝土隔梁对支护进行分片加固处理；在岸坡顶部土岩分界线设置宽马道，宽马道的支护与边坡的支护连为一体，减缓雨水和阶地汇水渗入岩体与支护间缝隙的速度，减小入渗深度；对坡面出露的泥岩进行置换封闭处理，防止泥岩急剧软化后被剥蚀带走。

(6)排水：包括高边坡顶部冲沟、阶地汇流面的排水和边坡岩体内的排水。防止水流对开挖坡面的冲刷，在库水位降落时，使岩体内的水顺畅排出，防止支护内外压差对支护面的破坏。

实际应用中，根据西域砾岩边坡所处的环境和部位，将以上措施组合选用，具体组合方案见表1。

表1 西域砾岩边坡处理措施一览表

4 五一水库西域砾岩高边坡处理设计

4.1 工程概况

迪那河流域位于新疆维吾尔自治区中西部，地跨新疆巴音郭楞蒙古自治州的轮台县与阿克苏地区库车县，地处天山南脉的哈尔克山南麓东侧及霍拉山南麓西侧区域。迪那河五一水库枢纽工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顾发电等综合效益。水库工程由大坝、溢洪洞、导流兼泄洪冲砂洞、发电引水系统和供水管线等主要建筑物组成，水库正常蓄水位1370.00m，最大坝高102.5m，总库容0.995亿m3，调节库容0.591亿m3，可满足下游40万亩土地的灌溉用水需求，近期为工业园区供水5100万m3，远期供水8300万m3。工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等[11]。

4.2 工程区基本地质地形条件

五一水库坝址位于出山口以上5km处的峡谷河段，天然河道顺直，呈U型河槽，河谷岸坡高度70～87m，河谷底宽30～50m，岸坡坡度70°～85°，坡脚倒悬(如图3所示)。

图3 坝轴线河谷照片

4.3 联合进水口高边坡处理设计

表2 西域砾岩的物理力学性试验成果表

表3 坝址区岩体(石)物理力学性质参数建议值表

导流兼泄洪冲沙洞、发电洞及溢洪洞3个建筑物的进口引渠高程分别为1292.50、1330.00、1353.50m，分别位于高边坡的底部、中部和顶部。减少建筑物高边坡开挖，才能减少边坡治理的难度和工程量，合理的边坡布置，才能够保证边坡自身及建筑物的安全性。按照这一原则，将3个建筑物进口联合开挖，并按照进口高程沿山体梯级布置(如图4所示)，达到了既充分保证高边坡安全，又节省工程量的目的。联合进水口高边坡处理设计采用的主要工程措施为“削头、压脚、拦腰、固表、排水”。

图4 联合进水口高边坡布置图(单位：m)

(1)削头：在左岸高边坡，通过向上游延伸、加宽溢洪洞和发电洞引渠开挖，在高边坡中上部形成减载平台，1353.50m高程平台宽度为15m，1330.00m高程平台宽度为6m。如图5所示。右侧高边坡山体较单薄，将每级马道宽度加宽至4m，并在1340.00m高程设宽15m的减载平台。

图5 联合进水口上游高边坡处理剖面图(单位：m)

(2)压脚：将高边坡上部岩体的开挖料在其下部陡立高边坡回填，形成坡脚压重区，顶高程为1330.00m，顶宽6m，回填坡面坡度1∶2.0，压实相对紧密度Dr≥0.80。如图4所示。通过“削头、压脚”后，放缓了高边坡坡度，联合进水口左岸综合边坡为1∶0.36～1∶1.36，右岸正面综合边坡为1∶1.05。

(3)拦腰：对西域砾岩高边坡中下部的泥岩夹层，采用混凝土进行置换、封闭，沿泥岩走向刻槽去除表层泥岩，用混凝土梁置换，梁宽不小于泥岩夹层，梁高2m，沿泥岩走向每10m间距设混凝土塞，断面为2m×2m正方形；混凝土塞深度8～10m(如图6所示)。

图6 联合进水口高边坡泥岩置换处理剖面图(单位：mm)

(4)固表：对高边坡开挖坡面采用喷锚支护处理，为保证坡面完全封闭，在高边坡顶部土岩分界线增设3m宽马道，将包括该马道在内的所有马道与坡面整体喷护。沿开挖坡面设置纵向混凝土隔梁，隔梁嵌入开挖坡面，隔梁下设置长锚杆，挂网喷护层的钢筋网与隔梁中钢筋焊接。隔梁为200mm×300mm的矩形断面，间距为10m(如图7所示)。

图7 联合进水口高边坡混凝土隔梁处理剖面图(单位：mm)

(5)排水：包括高边坡顶部冲沟、汇流面的排水和高边坡坡面排水。高边坡顶部采用防洪堤拦截坡面汇水和冲沟洪水，将其引导至下游较远处冲沟排入河道。汇流面较大、地形较复杂时，可采用多道防洪堤。在开挖喷护坡面1340～1370m水位变动区设置逆止阀，在水位上升时，防止水流渗入岩体，在水位下降时，可将岩体中的水排出，逆止阀间排距3m，方形布置。

4.4 泄洪建筑物出口消能段高边坡处理设计

河道凹岸与高边坡后缘存在卸荷裂隙有很高的相关性，因为河道凹岸水流折冲，高边坡坡脚被冲蚀较为严重。由于河道凹岸便于布置泄洪建筑物出口建筑物，因此在峡谷地形条件下，结合卸荷体处理布置开挖边坡，对保证工程安全和节省工程量是有利的。

底流消能具有流态稳定、对地质条件适应性强、泄洪雾化轻微等优势，西域砾岩峡谷地形条件下，泄洪建筑物出口采用底流消能方式[13]。由于山体地下水位低于河道水位，当地降雨量小，如高边坡顶部阶地汇水及时排走，岩体内部长期处于干燥状态。泄洪建筑物出口段建筑物高边坡主要防止的是由于长期泄洪形成的雾区，以及水库蓄水后形成的湿润的“小气候”可能引起的高边坡表层掉块和滑塌。

4.4.1导流兼泄洪冲沙洞出口消能段高边坡处理设计

导流兼泄洪冲沙洞出口段位于坝后左岸高边坡底部，高边坡上部发育一卸荷裂隙，裂隙走向与陡坡近平行，顶部已张开宽0.4～0.5m，垂直深度约30～40m，顺河长度95m，形成BⅡ卸荷岩体，水平厚度7m左右。出口段建筑物边坡开挖范围有限，仅能清除部分卸荷岩体。由于受地形所限，坝后坡横向宽度不足以布设交通道路，因此考虑结合建筑物边坡开挖在出口消能段高边坡布置“之”字形交通道路，既建立了坝顶和坝后各建筑物的道路联通、节省了工程量，同时也完全清除了BⅡ卸荷岩体，也达到了高边坡治理的目的。

结合交通道路的布置，导流兼泄洪冲沙洞出口消能段高边坡处理采用的主要工程措施为“固表、排水”。

(1)固表：对高边坡开挖坡面采用喷锚支护处理。

(2)排水：高边坡顶部阶地平坦，冲沟不发育，主要采用防洪堤拦截坡面汇水。

4.4.2溢洪洞出口消能段高边坡处理设计

溢洪洞消力池位于导流兼泄洪冲沙洞下游230m左岸岸坡底部。岸坡顶部发育有BⅣ卸荷裂隙，卸荷裂隙顺河谷发育，延伸长约100m，裂隙垂直深度60m，水平厚度4～6m，开口张开10～40cm。溢洪洞出口消能段施工期开挖坡度最高达90m，建成后回填面以上开挖坡度为60～70m。溢洪洞出口段左侧山体宽厚、右侧单薄，左侧高边坡布置以分层开挖为主，右侧在不同高程共布置四级减载平台。溢洪洞出口段高边坡处理采用的主要工程措施为“削头、固表、封顶、排水”，支护设计图如图8所示。

(1)削头：溢洪洞出口段左岸结合高边坡开挖，对左岸全部卸荷体进行了清除。

(2)固表：为防止长期泄洪产生的雾区对边坡表层的侵蚀，对消力池墙顶高程以上25m高度范围内高边坡采取了喷锚支护处理。

(3)封顶：对高边坡残存的浅表裂隙，采用水泥浆进行封闭处理。

(4)排水：高边坡顶部采用防洪堤拦截坡面汇水，将其引导至下游较远处冲沟排入河道。

图8 溢洪洞出口消能段高边坡支护设计图(单位：mm)

4.5 泄洪建筑物出口河道高边坡处理设计

导流兼泄洪冲沙洞出口至溢洪洞出口下游右岸山体完整宽厚，高边坡后缘卸荷裂隙不发育，考虑不布置开挖边坡。溢洪洞出口段左岸高边坡顶部发育有BⅣ卸荷裂隙，若坍塌将阻塞河道，严重威胁工程安全和下游保护区的安全，应结合卸荷体的清理进行削坡处理。由于河道狭窄，泄洪建筑物集中泄流对高边坡坡脚的淘刷是威胁高边坡安全的主要因素，因此在做好其他治理措施的同时，必须加强高边坡坡脚的防护。泄洪建筑物出口河道高边坡处理采用的主要工程措施为“削头、压脚、封顶、排水”。

(1)削头：主要是对溢洪洞出口段左侧高边坡的处理，结合卸荷体清除，对高边坡进行分层开挖，在高边坡中上部设置了6m宽的减载平台。

(2)护脚：采用混凝土挡墙对两岸高边坡脚进行防护，防护范围自导流兼泄洪冲沙洞出口至溢洪洞出口，并向下游延伸约300m。墙顶高程不低于河道下泄设计洪水水位，墙顶以上坡面采用喷锚支护的型式，支护顶部不低于河道下泄校核洪水水位，并对沿线坡脚倒坡和空洞采用混凝土回填。对泄洪建筑物出口段河床采用1.0m厚格宾石笼进行防护，防护宽度与河道同宽，防护长度导流兼泄洪冲沙洞为30m，溢洪洞为80m(如图9所示)。

(3)封顶：对出口段左岸残存的和右岸高边坡后缘规模较小的卸荷裂隙，采用水泥浆封闭。

(4)排水：采用防洪堤阻挡高边坡顶部阶地汇水，防止对高边坡的冲刷、侵蚀。

图9 泄洪建筑物出口高边坡护脚型式图(单位：mm)

4.6 电站厂房右岸高边坡处理设计

坝后右岸岸坡自然坡度80°～85°，坡高64～80m，砾岩裸露，顶部发育有一冲沟，沟深15～30m，宽5～15m，后缘岸坡陡立，高33m。冲沟沟口左岸存在一卸荷裂隙，裂隙平行沟谷发育，顺岸坡表层延伸长约4～7m，垂直深度3～20m，开口张开1～3mm。岸坡底部布置有电站厂房和供水取水口，并且人员、车辆活动频繁。冲沟汇水会不断切割沟底，卸荷岩体存在崩塌可能，存在安全隐患。边坡的布置应防止对冲沟沟口卸荷体清理后，形成较大的临空面，造成后缘边坡二次失稳。对电站厂房右岸高边坡处理措施为“削头、压脚、封顶、固表、排水”。

(1)削头：包括对高边坡整体和对冲沟沟口卸荷体削头减载处理。对该段整体高边坡顶部1/3高度进行削坡，开挖坡度1∶0.3。冲沟沟口左、右岸岩体完整性较好，卸荷裂隙垂直于坡面，向内部延伸深度较浅，没有必要将卸荷体全部清除，仅将卸荷体头部较松散岩体作削除处理，并将沟内临空面削坡成正向坡。

(2)压脚：主要针对冲沟沟口卸荷体的处理。在冲沟底部回填混凝土，最高处至卸荷体1/3高度，作为卸荷体的底部支撑，降低卸荷体临空面的高度，防止卸荷裂隙进一步向岩体内部发展(如图10所示)。

图10 冲沟底部混凝土支撑型式图

(3)封顶：采用水泥浆将冲沟沟口卸荷体表面的卸荷裂隙进行封闭处理。

(4)固表：将冲沟沟口所有开挖坡面进行喷锚支护处理。

(5)排水：在高边坡顶部设防洪堤，拦断坡面汇水，导向下游河道。

5 五一水库西域砾岩高边坡稳定性评价

为了解五一水库西域砾岩高边坡稳定性，除加强对工程区的巡视检查外，在坝前、坝后可能存在潜在危险隐患、或无法采取工程措施保证稳定性的高陡边坡设置了多处监测断面，包括：

(1)在联合进水口左岸边坡和正面边坡顶部共布设3处边坡测斜仪，垂直深度50m。

(2)在溢洪洞出口左岸边坡顶部共布设边坡测斜仪2处，垂直深度50～60m；在正面边坡及左岸边坡共布设6处岩体位移观测点。

从监测仪器投入使用至今，取得了6年的监测数据，其中包括4年的完建期和2年试运行期。从数据分析中可知，联合进水口高边坡以及溢洪洞出口高边坡水平位移值和垂直位移值变化甚微，高边坡处于稳定状态。坝前、坝后高边坡及喷锚支护等防护措施基本完好。

水库管理单位拟增加高边坡监测断面，便于工程管理，更好地了解坝址区其他部位高边坡，尤其是右岸高边坡的稳定性。

6 结论

西域砾岩高边坡条件复杂、处理难度大，必须采取综合措施对高边坡进行处理。本文提出了高边坡布置在工程总体布局、工程安全和建筑物布置方面的重要性，提出了“削头、压脚、拦腰、封顶、固表、排水”的综合处理措施，并分别应用于不同部位高边坡设计和处理，体现了边坡环保、低碳的设计理念，实现了工程安全性和经济型的平衡。工程多年监测数据表明，五一水库工程坝前、坝后边坡是稳定的，防护措施基本完好。西域砾岩高边坡的处理原则和方法，以及高边坡的布置、处理措施能为其他类似工程提供借鉴。