阿尔塔什右岸边坡不稳定块体治理及蓄水过程安全评价

李建锋，田保明，张 明，赵宇飞，罗小涛

(1.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000；2.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

近年来，水利水电工程建设成为国家拉动经济发展的重要举措，新建的工程大多位于地质条件较为恶劣的高山峡谷区，工程建设中涉及到的岩体开挖，改变了河流两岸岩土体的平衡体系，边坡稳定问题成为工程建设中重要的安全隐患，一旦边坡失稳，将引发巨大的灾难。因此，对于大型天然边坡、古滑坡及工程开挖边坡稳定及处置技术，目前已经开展了广泛的研究，获得了许多重要的成果，同时为水利水电工程建设提供了重要保障。

但是，除了大型边坡稳定问题，在边坡中随机分布的体量较小的不稳定块体(危岩体)，也是工程建设及运行安全的重大隐患。这些危岩体主要是由于多组结构面交切而成，由于其具有方量较小、分布分散、受地形条件影响较大等特点，危岩体的识别、分析及处理措施一直是水利水电工程建设中的难题。

阿尔塔什水利枢纽属于叶尔羌河干流“两库十四级”梯级规划中的第11个梯级，水库总库容量为22.49亿m3，其挡水坝为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高为164.8m，是大(1)型Ⅰ等项目工程。坝体右岸边坡地形高陡，山体较宽厚，岸坡基岩裸露，坡高为565～610m。其走向近为EW走向，岸坡自然坡度在高程1960m以下为50°～55°，以上为75°～80°。岸坡局部较陡峭，整体呈稳定状态。

右岸边坡中发育有F9断层，断层斜切右岸高陡边坡，其中出露地表部分约650m，为一上盘向西平移的逆断层，两盘的岩石层主要由灰岩和白云质灰岩组成，断层产状为310°SW∠30°～35°，破碎带宽度范围为2.0～8.0m，影响带宽约为40m，断层带主要为碎裂岩、断层泥以及夹糜棱岩。受断层影响，右岸高边坡中分布各种形状各异、成因不同、方量不一的不稳定块体30余块，这些不稳定块体的处理关系到整个工程建设进度与安全可靠，成为控制大坝填筑的重要因素。在这样的背景下，利用激光扫描及人工勘测对边坡中的不稳定块体进行了系统分析，并在此基础上进行了不稳定块体分区分类，并针对不同的块体提出了具体的处理方案，形成了阿尔塔什右岸高陡边坡不稳定块体群处理关键技术，为工程的安全建设与可靠性提供了重要的保障。

1 右岸高边坡地质条件概况

阿尔塔什水电站坝址区右岸边坡地形陡峭，边坡表面裸露基岩，基本无植被。原始边坡的坡高超过600m，面板坝趾板由人工开挖形成的边坡，高约90m。边坡在地形上具有上陡下缓的特点，以该边坡的控制性结构面F9断层为界，上部地形较陡，坡度超过70°，局部地段近于直立，断层下部地形较缓，边坡坡度约为40°。

阿尔塔什右岸边坡基本上可以划分为两部分，上游侧边坡倾向NW，下游侧倾向NE。边坡岩层主要由上石炭统塔合奇组(C3t)的厚层白云岩与白云质灰岩组成。区内除发育的最大的结构面，也是控制性结构面为F9断层，另外还发育其它卸荷裂隙、层理等结构面。

根据工程地质勘察对右岸边坡中发育的各类结构面统计分析可知，阿尔塔什右岸高边坡主要发育有以下三组结构面，分别为：产状为NW300°～NE10°∠60°～80°的卸荷裂隙，产状为SW230°∠30°～50°的层面与50°～110°∠50°～70°的结构面。这些结构面与倾向NW或NE的边坡坡面相互组合，形成了阿尔塔什右岸高陡边坡中随机出露的不稳定块体，为工程建设的安全造成了重要的影响。

2 高边坡不稳定块体调查

结合阿尔塔什水利枢纽工程地质勘察工作，对右岸高边坡中赋存的不稳定块体进行了不同阶段的调查，通过调查对右岸不稳定块体分布、主要特点进行现场调查。在工程地质勘探前期，由于右岸边坡高陡，没有施工便道进行右岸边坡实体勘察，结合右岸高陡边坡中地质构造赋存方式及工程开挖布置，利用非接触式激光扫描技术对右岸高边坡进行了扫描分析；工程地质勘探后期，结合实地踏勘与全站仪测量，对右岸高陡边坡中的不稳定块体进行了测量与调查。通过现场踏勘及不稳定块体调查分布如图1所示。

图1 阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡危岩体分布示意图

从图1中可以看出，在右岸高边坡中不稳定块体分布很广，结合水利枢纽运行等综合信息，依据不稳定块体失稳后对枢纽工程运行的影响，将其分为四个区，分别为A区、B1区、B2区与C区。另外在这几个区中分为两类危岩体，用黑色线圈圈起来的块体方量较大；用白色线圈圈起来的主要是高边坡表层较小的块石垮落。

各部分不稳定块体详细的调查与测量以及危岩体方量的估算见表1。

表1 阿尔塔什水利枢纽工程右岸高边坡不稳定块体统计表

3 失稳模式及稳定分析

3.1 失稳模式分析

通过现场踏勘，对阿尔塔什右岸高陡边坡中的结构面发育情况进行了统计，得到的结构面调查分析结果如图2所示。

图2 阿尔塔什右岸高陡边坡结构面调查成果(上半球投影)

阿尔塔什的右岸高边坡主要由三组结构面组成分别是：产状为SW230°∠30°～50°的层面、产状为NW300°～NE10°∠60°～80°的卸荷裂隙以及50°～110°∠50°～70°的结构面。边坡区内除发育有控制性的F9断层外，也存在其它的小型结构面，如卸荷裂隙、层理等。受F9断层的挤压与结构面的切割作用，边坡表面岩体较为破碎，孤石林立，特别是在F9断层的核部与影响带范围内，在断层挤压作用下，岩体十分破碎，呈碎裂结构。

对各个区内的不稳定块体调查与测量得到的信息进行了细致分析，并在此基础上对各区内的不稳定块体进行了失稳破坏模式、稳定分析以及失稳垮落后的危害进行了分析，右岸高边坡中分布的不稳定块体主要有以下几种失稳破坏模式：

(1)楔形体失稳破坏

楔形体失稳破坏主要出现在右岸高边坡内的3组主要结构面分别为：倾向为NW的陡倾角卸荷裂隙、倾向为SW的中缓倾角层面，以及垂直边坡表面倾向为E/SE的陡倾角随机结构面。这几组结构面相互组合可能形成失稳的楔形体，两个底滑面主要由卸荷裂隙和倾向为E/SE的陡倾角结构面组成。

如在不稳定块体W14，右岸高边坡顶端的不稳定块体W1～W9内都可以见到这种模式的块体失稳后的楔形体槽等，如图3所示。

图3 危岩体W14区内形成的较大方量的楔形体

另外的一种块体破坏模式，主要是在右岸高边坡中，中低高程中由倾向NW的陡倾角的卸荷裂隙与倾向SW的中缓倾角的层面，作为底滑面；垂直边坡表面发育的倾向E/SE的陡倾角的随机结构面侧切岩体形成临空面，或有自然的临空面，所组成的可能失稳的块体。

如在右岸高边坡中方量最大的不稳定块体W19，以卸荷裂隙与岩层层面作为滑面，与其两侧由于岩体崩塌所形成的临空面形成较大的块体。

(2)单滑面失稳破坏

单滑面失稳破坏所发生的区域主要为卸荷裂隙为滑面、危岩体两侧的边坡崩塌岩体以及冲蚀而形成的临空面组成的不稳定块体。另外右岸高边坡坡面上堆积的坡积物两侧有冲沟形成孤立山梁时，其可能的失稳模式也属于该类型，如图4所示。

图4 危岩体单滑面滑动失稳模式示意图

3.2 稳定性分析

采取三维刚体极限平衡法，对阿尔塔什右岸高边坡表层露出的不稳定块体在蓄水前的状况、自然降雨时的状况以及正常蓄水位遭遇地震等情况的稳定性进行分析。

考虑地震情况下，在每个土条的重心处施加水平与竖直两方向的地震力，在对应方向设防烈度，根据边坡设计规范选用拟静力法对其进行边坡稳定分析。右岸高陡边坡中岩体参数及各结构面的力学参数见表2。

表2 右岸高边坡不同类型结构面的参数建议值与计算取值

该边坡进行稳定性分析时其安全系数的设定情况为：自然状态与正常蓄水位条件下的安全系数大于1.25，地震工况条件下的安全系数大于1.1。

由上综合分析，高陡边坡不稳定块体的稳定性主要靠摩擦系数f和凝聚力c来维持，经计算发现大部分不稳定块体目前处于稳定状态，当摩擦系数f和凝聚力c不能够维持不稳定块体的稳定性时，将导致出现失稳现象。

3.3 典型不稳定块体(W19)稳定性分析

在右岸高都边坡中，不稳定块体W19是右岸高边坡中发育的规模最大的一个危岩体，其分布高程为1950～2100m，位于正常蓄水位以上。根据现场调查结果，结合结构面的统计结果，该部位主要发育2组结构面：J1:5°∠80°，卸荷裂隙；J2:230°∠30°，层面。边坡面的产状为0°∠70°。

在进行W19稳定分析时，考虑了重要的结构面产状变化对危岩体稳定影响，进行了相关的敏感性分析，影响W19的卸荷裂隙的产状NW330°～NE20°∠50°～80°，而边坡面的平均产状为∠0°～70°。通过赤平投影分析可知，随着卸荷裂隙的产状由NW向NE方向变化，与层面的交棱线方向在上游方向由走向山里逐渐向临空面发展。此外，当卸荷裂隙的倾向由NW向NE向发展时，其与层面的交棱线的倾角逐渐变缓，块体稳定性应该逐渐好转，但所形成的块体体积也逐渐变大。

通过分析可知，随着卸荷裂隙产状的变化，交棱线产状从268.07°∠38.53°变化为276.64°∠33.24°，块体稳定分析得到的在天然工况、降雨工况及地震工况运行条件下的安全系数分别从1.44变化为1.46，0.62变化为0.96,1.25变化为1.27。

4 不稳定块体群治理及蓄水过程安全评价

4.1 不稳定块体群治理措施

阿尔塔什水利枢纽工程右岸高陡边坡不稳定块体群的加固工程，对大坝填筑施工安全与质量有至关重要的影响。根据不稳定块体实际的地形及相互之间关系，制定了右岸不稳定块体群的加固方法，主要为：分区对待、上下联动、挖锚结合。针对右岸高边坡中的W19进行重点处理，并且在处理过程中，采用了智能锚索技术进行加固。不稳定块体群处理方案与关键技术包括：

(1)分区对待。右岸高边坡分布有31块不稳定块体，根据本文中所提出的分区内容，针对不同区域危岩体采用了不同的处理方案。W1～W9位于右岸高边坡顶部，均为以孤石与危岩的垮落破坏为主，进行专门的挖除。W17和W18以孤石垮落为主，且其失稳破坏对工程正常运行影响较大，在施工中全部进行挖除。W22岩体较为破碎，正常施工中已经全部清除。W19(W20)、W21(W21- 1)、W23、W24危岩体进行表层清理和部分挖除，其中由于W19(W20)位置比较重要，需要进行锚固处理。

(2)上下联动。在进行右岸高陡边坡危岩体处理过程中，结合不同块体高程及分区不同，进行了相互协调的联动处理方法，这样大大加快了右岸不稳定块体群处理的施工时间，并且也考虑了危岩体挖除的石渣处理。在边坡下部河滩地设置集渣平台，有效控制边坡甩渣滚落范围，减少滚石对围堰填筑、基坑开挖的影响。

(3)挖锚联合。针对不同区域、不同方量的不稳定块体，采用了不同的处置方法。对于失稳影响严重且方量较小的不稳定块体，直接进行全部挖除；对于方量较大的不稳定块体，需要结合其发育特点及主要控制结构面的发育情况，进行挖锚联合处理方式。如W19(W20)，其方量较大，结合其赋存特点，进行了表层清理，清理后采用预应力锚索进行支护。

其他的未进行全部挖除的不稳定块体，在进行了表层清理之后，进行了锚喷及主被动防护网的支护处理。

(4)智能锚索技术的应用。在进行W19(W20)的预应力锚索支护中，采用了新型的预应力锚索技术进行支护。智能锚索主要是在内锚固段、自由段以及外锚头分别利用内锚头测力计、钢绞线测力传感器以及锚索测力计等受力监测传感器进行不同深度的钢绞线长期受力监测分析(如图5所示)，进而通过钢绞线受力变形来合理评价边坡加固岩体受力变形特征。

图5 智能锚索原理示意图及现场实施照片

结合W19(W20)锚固施工状态，拟在2030高程、2040高程、2050高程中的17剖面左右两侧布置3根智能锚索，智能锚索编号分别为480(2050高程)，436(2040高程)、422(2030高程)。在传感器位置设计中，考虑了不同深度卸荷的位置。通过智能锚索的实施，可以针对右岸高边坡中最重要的不稳定块体中不用位置的卸荷裂隙的张开变形进行有效监测，为运行期右岸的安全可靠提供了重要支撑。

4.2 蓄水过程边坡安全评价

2019年11月19日，一期下闸蓄水；2020年7月，通过二期下闸蓄水验收，2021年7月18日，通过正常蓄水验收。

4.3 基于变形监测的边坡变形分析

右岸边坡针对不稳定块体群，结合施工条件布设4座变形观测墩，分别为G1～G4。其布设位置见如图6所示。其观测墩水平位移和沉降时程曲线见如图7所示。

图6 右岸边坡布设变形观测墩示意图

图7 右岸高边坡不同观测墩水平位移计沉降时程曲线

通过变形观测墩实测资料可知。右岸边坡观测墩G1～G4的沉降变形均呈抬升趋势，但量值不大，且年度变幅也不大。右岸边坡观测墩G1、G2的水平位移呈向左岸向下游趋势，G3、G4的水平位移呈向右岸向上游趋势，但总体量值不大，且年度变幅也不大。总体而言，右岸边坡沉降呈抬升，整体沉降较为一致；水平位移上部呈向左岸向下游、下部呈右岸向上游趋势，整体受断层F9影响，上下部呈微错动趋势，边坡整体安全。

4.4 基于InSAR解译的边坡形变分析

为进一步了解整个右岸高陡边坡在蓄水过程中的整体变形规律，在缺乏相关资料的情况下，利用InSAR技术对右岸高陡边坡从2018年1月开始到三期蓄水过程中的遥感影像进行了分析。

图8 右岸边坡遥感解译形变云图

从图可见，右岸边坡形变呈增加趋势，但增幅较小。右岸边坡上部典型测点TS1处三年最大累积形变达到-14.79mm左右，且以每年-1.51mm左右的速度增加；下部典型测点T2处3年最大累积形变达到-6.58mm左右，且以每年0.23mm左右的速度增加。

右岸边坡遥感影像解译形变结果与变形监测所反映的结果较为一致，右岸边坡上、下部均呈增加趋势，但上、下部增加趋势不一致，表现为上、下部存在微错动趋势。

4.5 基于智能锚索监测信息边坡安全分析

另外，针对W19不稳定块体中的智能锚索安全监测数据可知，除智能锚索张拉过程中由于锚固段存在大型裂隙失效外，其他三根智能锚索都运行正常，从其监测数据来看，如图10所示，目前W19块体在阿尔塔什水利枢纽工程蓄水过程中锚索全程受力较为均匀，不存在较大变形问题。

图9 典型测点形变时程曲线图

图10

从以上3个方面来看，对右岸高陡边坡中存在的不稳定块体群治理之后，在枢纽工程三期蓄水过程中，右岸高陡边坡变形较小，目前是较为安全的。

5 结语

阿尔塔什水利枢纽工程是新疆叶尔羌河山区河段上的一座大型控制性水利枢纽工程，在其右岸高陡边坡中，由于发育F9断层、岩层层面等结构面，在卸荷裂隙的进一步影响下形成了大小不一的诸多不稳定块体，这些不稳定块体是工程建设、运行阶段重要的安全隐患。通过利用激光扫描等技术手段，对这些危岩体进行了相关量测分析，并且进行了分区与稳定分析，在此基础上，进一步提出了分区对待、上下联动、挖锚结合综合处理方案，并且应用了智能锚索监测的关键技术，使得右岸危岩体处理的年度施工计划提前了2个月完成。另外通过近几年边坡安全监测资料分析可知，右岸边坡变形较小，W19顶部锚索受力较为均匀，目前边坡安全可靠。

本文所开展的不稳定块体群的治理技术，结合实际地形与地质条件，取得了较好的应用效果，也将为其他相类似工程中的不稳定块体群的治理提供重要的参考和借鉴。