李萬逵

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

阿爾塔什F9斷層對右岸高邊坡的影響及處理

李萬逵

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

摘要：新疆阿爾塔什水利樞紐工程壩址右岸F9斷層跨過右岸壩肩，對右岸高邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響 ，為一明顯的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，需要對其工程地質(zhì)條件進(jìn)行專項(xiàng)研究。在可研和初設(shè)階段，為進(jìn)一步分析、評價(jià)F9斷層對右岸高邊坡的影響，在現(xiàn)場地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場勘探、試驗(yàn)、地質(zhì)信息收集、整理、室內(nèi)分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，對其工程特性進(jìn)行深入細(xì)致的分析和評價(jià)，明確了F9斷層的工程地質(zhì)條件，為設(shè)計(jì)、工程處理提供了可靠的依據(jù)，供同行參考。

關(guān)鍵詞：高邊坡；F9斷層；邊坡穩(wěn)定

1　工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣城南西約130 km（公路距離）的葉爾羌河中游河段上，地理坐標(biāo)：東經(jīng)76°27′，北緯37°57′，見圖1。

阿爾塔什水利樞紐工程系葉爾羌河流域規(guī)劃中的第11個梯級，是以防洪、灌溉、發(fā)電和改善生態(tài)為開發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程。樞紐建筑物有：攔河壩、排沙泄洪洞、發(fā)電引水洞、導(dǎo)流洞、電站廠房及開關(guān)站等。本階段壩型有混凝土面板壩和心墻堆石壩兩種 ，水庫正常高水位1 820 m［1］。最大壩高164.3 m；水庫總庫容為22.51億m3，控制灌溉面積285萬hm2。電站裝機(jī)容量730 MW，年發(fā)電量23.32 億kW?h，屬大（Ⅰ）型一等工程，可作為今后南疆電網(wǎng)中的主導(dǎo)電站。

阿爾塔什水利樞紐工程具有“三高一深”的特點(diǎn)，即：工程處在高地震烈度區(qū)；高壩；壩址區(qū)的右岸高邊坡和河床深厚覆蓋層。

阿爾塔什壩址右岸的F9斷層橫跨右岸壩肩，對右岸高邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響，為一明顯的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，需要對F9斷層的工程地質(zhì)條件進(jìn)行專項(xiàng)研究。

圖1　阿爾塔什水利樞紐庫壩址交通地理位置圖

在可研和初設(shè)階段，在對F9斷層勘探過程中，工作人員對其地質(zhì)信息及時進(jìn)行了收集、分析整理和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的專題研究，對其工程特性進(jìn)行深入細(xì)致的分析和評價(jià)，明確了F9斷層的工程地質(zhì)條件，對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析和評價(jià) ，獲得相應(yīng)的工程處理措施。

阿爾塔什水利樞紐庫壩區(qū)位于昆侖山西段葉爾羌河中游河段的中山區(qū)地貌單元上。

庫壩區(qū)地層復(fù)雜，除寒武系、二迭系、三迭系的地層缺失外，其余各時代的地層均有出露。壩址區(qū)主要巖性有：灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、頁巖、板巖、變質(zhì)砂巖，粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉沙巖、砂礫巖、泥灰?guī)r、白云巖；第四系沖積砂礫石、卵石；塊碎石、塊石夾孤石、砂土和低液限粉土等。

庫壩區(qū)其構(gòu)造環(huán)境屬穩(wěn)定性較差的地區(qū)。但壩址選擇在相對穩(wěn)定的鐵克里克斷?。?］上，具備建壩條件。場地50年超越概率10%地震動峰值加速度為0.2 g［3］，地震基本烈度為Ⅷ度。

2　右岸高邊坡的基本地質(zhì)條件

右岸邊坡走向近東西，右岸坡頂高程2 250 m，坡高達(dá)600 m［4］，為超高邊坡［5］，坡度在高程1 845 m以下一般50°～70°，在高程1 845 m以上近直立（圖2），人員難以到達(dá)。右岸邊坡高陡，加之F9斷層的影響，其穩(wěn)定性的評價(jià)和處理成為該工程的主要工程地質(zhì)問題之一。

圖2　阿爾塔什壩址地貌（鏡向東）

右岸邊坡出露的地層巖性為中石炭統(tǒng)阿孜干組（C2a）的薄層灰?guī)r、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、石英砂巖，泥頁巖；上石炭統(tǒng)塔合奇組（C3t）的灰、灰白色巨厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r ，灰?guī)r、少量白云巖、少量泥灰?guī)r和泥頁巖。

巖層產(chǎn)狀在F9以下為340°～355°SW∠58°；以上為300°～330°SW∠44°～51°。右岸坡巖層傾向上游偏坡里，為橫向逆向坡，巖層產(chǎn)狀對右岸邊坡穩(wěn)定性影響不大。

壩肩有F9出露（見圖3），為壩址規(guī)模相對較大斷層，在壩址右岸順層面出露，向上游掩埋于河床；向下游延至1 920 m高程處規(guī)模變小，最終截止于F7斷層。斷層出露長度約650 m，為一上盤向西平移的逆斷層，兩盤巖層主要為灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，斷層產(chǎn)狀273°～310°SW∠32°～41°，破碎帶寬2 m～8 m，影響帶寬40 m左右，主要由角礫巖、糜棱巖和碎裂巖組成，其中，糜棱巖厚度1.0 m～2.5 m（見圖4）。據(jù)右岸PD2號平硐揭露，斷層帶內(nèi)水平斷距約70 m，垂直斷距約160 m。斷層第四系以來無活動跡象。

3　F9斷層的基本地質(zhì)條件和斷層帶的物理力學(xué)性質(zhì)

右岸邊坡內(nèi)發(fā)育有起控制作用的F9斷層，盡管其反傾坡內(nèi)，但F9斷層核部及其影響帶范圍厚約20 m～30 m，該范圍內(nèi)的巖體以角礫巖、膠結(jié)的糜棱巖和斷層泥為主，具有力學(xué)性質(zhì)差、遇水易軟化的性質(zhì)。當(dāng)水庫蓄水至正常蓄水位1 820 m時，F(xiàn)9斷層的大部分將位于庫水位以下，位于庫水位下部的斷層帶在水的物理化學(xué)作用下軟化或被侵蝕，失去支撐上部巖體的能力，在重力作用，有可能使邊坡上部巖體處于懸空而導(dǎo)致失穩(wěn)。

圖3　阿爾塔什壩址右岸高邊坡剖面圖

圖4　F9斷層的糜棱巖

3.1F9斷層力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)確定

3.1.1F9斷層力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究

F9斷層對右岸高邊坡穩(wěn)定與變形有重要的影響，其核部地層在天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下的變形模量、力學(xué)參數(shù)對于右岸高邊坡治理措施的選擇有至關(guān)重要的作用。為此，在工程現(xiàn)場PD19平硐內(nèi)進(jìn)行了三組F9核部地層變形試驗(yàn)，對斷層核部地層的力學(xué)參數(shù)、變形模量進(jìn)行了確定，試驗(yàn)結(jié)果及斷層參數(shù)選取如表1。

3.1.2F9斷層力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的選用

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察可知 ，F(xiàn)9斷層帶核部發(fā)育較寬，主要以糜棱巖為主，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)在巖體分類中按照V類［6］巖體確定。右岸高邊坡V類巖體為散體結(jié)構(gòu) ，變形模量（E0）＜0.5 GPa，泊松比（μ）＞0.30，抗剪斷強(qiáng)度（巖體）f′：0.25～0.50，c′：0.05 MPa～0.3 MPa。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)、現(xiàn)場勘察、工程類比和綜合分析，F(xiàn)9斷層帶核部的糜棱巖在飽和狀態(tài)下變形模量為0.2 GPa，彈性模量為0.5 GPa，天然狀態(tài)下變形模量為0.45 GPa，彈性模量為0.9 GPa。

表1　F9斷層變形參數(shù)選取表

4　F9斷層對高邊坡的破壞機(jī)理

4.1F9斷層對邊坡破壞機(jī)理的現(xiàn)場分析

右岸邊坡高陡，巖體卸荷相對較強(qiáng)，卸荷帶水平深度5 m～24 m。受F9斷層的影響，右壩肩邊坡巖體IV～V級結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育。

由于卸荷裂隙的存在，F(xiàn)9斷層帶的軟化會使其上部卸荷裂隙張開錯動、最大位移量增大、發(fā)生塑性屈服巖體增多，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定。

F9斷層從上游斜穿右岸邊坡，傾向上游偏岸里，斷層帶核部的糜棱巖最寬處超過2 m，易風(fēng)化，風(fēng)化性強(qiáng)，遇水軟化，強(qiáng)度喪失較快。另外，斷層影響帶也較寬，平均達(dá)20余米，對其飽水前后的物理力學(xué)性質(zhì)的變化，通過有限元分析成果揭示了F9斷層遇水后性質(zhì)劣化對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。由此可知，斷層飽水后會降低邊坡整體穩(wěn)定性 ，位于庫水位下部的斷層帶在水的物理化學(xué)作用下軟化或被侵蝕 ，失去支撐上部巖體的能力，在重力作用，有可能使邊坡上部巖體處于懸空而導(dǎo)致失穩(wěn)。高邊坡的破壞模式［7］主要為由外向內(nèi)的脫落型垮塌。需要根據(jù)工程實(shí)際對斷層進(jìn)行加固處理。

右壩肩邊坡巖體受F9斷層影響，在其影響帶內(nèi)部巖體十分破碎，存在上部沿卸荷裂隙剪切、下部直接剪切巖體而發(fā)生滑動破壞 ，見圖4。

F9斷層與邊坡走向大角度相交且傾向坡內(nèi)，根據(jù)其工程地質(zhì)條件，不存在沿F9斷層發(fā)生大規(guī)模平面滑動對右岸高邊坡產(chǎn)生破壞的可能性。

4.2F9斷層對邊坡破壞機(jī)理的數(shù)值模擬［8］分析

通過F9斷層工程力學(xué)參數(shù)和軟化深度進(jìn)行敏感性分析［9］，研究F9斷層軟化對右岸邊坡整體穩(wěn)定性的影響；

數(shù)值模擬分析表明，右岸址板邊坡開挖后，F(xiàn)9斷層上盤巖體位移變化規(guī)律表現(xiàn)為 ，x方向主要表現(xiàn)為指向下游的位移（x位移值為正），最大位移為1.12 cm，位于F9斷層在坡面出露位置處 ，y方向位移主要變現(xiàn)為指向河流（y位移值為正），最大位移3.25 cm，同樣位于F9斷層在坡面出露位置處；開挖斜面和開挖地面均表現(xiàn)由開挖引起的卸荷回彈位移 ；F9斷層距離坡面15 m左右范圍內(nèi)有明顯位移突變，40 m深部無明顯位移異?，F(xiàn)象。數(shù)值模擬邊坡位移分布情況表明：邊坡位移除F9斷層出露處外無明顯突變區(qū)域，位移分布符合一般規(guī)律 ，說明開挖對邊坡整體穩(wěn)定性影響不大；F9斷層在開挖面上的出露，對邊坡開挖時開挖面穩(wěn)定性有一定影響 ，但影響范圍較小。建議在邊坡開挖過程中注意F9斷層出露位置的淺表層支護(hù)。

5　F9斷層的處理思路

依據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在參考了國內(nèi)外相似工程處理的基礎(chǔ)上對 F9斷層的處理思路主要為置換、封閉和加固。提出了對斷層核部進(jìn)行封閉置換、斷層影響帶特殊灌漿處理以及邊坡適當(dāng)位置進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索錨固的邊坡綜合治理措施。擬對F9斷層采用的加固措施如下：

（1）在影響帶范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿處理。因?yàn)镕9斷層規(guī)模較大，其影響帶上下約有20 m寬，影響帶內(nèi)巖體較為碎裂，要對斷層進(jìn)行置換填塞處理，將要對斷層進(jìn)行開挖 ，為保證斷層置換效果以及進(jìn)一步控制斷層上方卸荷裂隙的張開變形，對斷層影響帶進(jìn)行處理，提高其變形模量有重要意義 ，因此，可在對斷層進(jìn)行置換之前對F9斷層影響帶一定范圍內(nèi)的碎裂巖體進(jìn)行灌漿處理 ，提高斷層影響帶內(nèi)巖體整體性與變形模量。

結(jié)合目前在三峽［10］、錦屏一級水電站中復(fù)合灌漿［11］的工程應(yīng)用效果 ，可知，采用復(fù)合灌漿可以在很大程度上提高巖體的工程力學(xué)參數(shù)，因此，在阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡處理中 ，根據(jù)斷層影響帶內(nèi)巖體的可灌性 ，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓酀{參數(shù)對影響帶內(nèi)巖體進(jìn)行復(fù)合灌漿處理。

（2）對斷層核部進(jìn)行混凝土洞塞［12］進(jìn)行置換。目前國內(nèi)外對較寬的斷層處理基本上還是以置換為主，當(dāng)斷層產(chǎn)狀對邊坡等結(jié)構(gòu)物抗滑穩(wěn)定不利時，設(shè)置抗滑洞。在阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡中 ，斷層F9的產(chǎn)狀與邊坡呈反傾的相關(guān)關(guān)系 ，對邊坡整體的抗滑穩(wěn)定是有利的。但是，斷層核部較寬，核部為糜棱巖，極易風(fēng)化，因此，推薦采用混凝土洞塞對F9進(jìn)行置換，置換深度通過數(shù)值分析進(jìn)行優(yōu)化確定?；炷炼慈鹱饔糜卸旱谝?，用于加強(qiáng)支撐右岸高邊坡一定深度卸荷裂隙以外巖體 ，阻止這部分巖體進(jìn)一步變形；第二，用于對關(guān)鍵部位的F9核部的軟弱斷層糜棱巖進(jìn)行封閉 ，使其不被進(jìn)一步風(fēng)化而導(dǎo)致力學(xué)變形特性參數(shù)進(jìn)一步惡化。

根據(jù)研究成果，擬采用的混凝土洞塞置換深度為10 m，高度為斷層核部的高度 ，這里取為2 m。

（3）對F9斷層以上卸荷裂隙進(jìn)行加固處理。從現(xiàn)場的工程地質(zhì)勘察來看 ，阿爾塔什水利樞紐右岸高邊中，在F9斷層上方的陡立邊坡中 ，發(fā)育陡傾角的卸荷裂隙，可能導(dǎo)致巖體發(fā)生順這些不利結(jié)構(gòu)面的滑動破壞或者崩塌破壞。為保證F9斷層上方的卸荷巖體穩(wěn)定性，在對F9斷層及影響帶進(jìn)行處理后，進(jìn)一步對清坡后的邊坡表層卸荷巖體進(jìn)行系統(tǒng)錨索支護(hù)處理 ，保證邊坡卸荷巖體的穩(wěn)定性。

擬在阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡中采用的錨固支護(hù)參數(shù)為：

在右岸高邊坡輝綠灰綠巖脈以上50 m（高程約1 930 m～1 980 m，范圍為壩軸線至上游延伸200 m）巖體中增加預(yù)應(yīng)力錨索 ，錨索間排距為5 m×5 m，錨索長度為35 m，下伏15°，錨索預(yù)應(yīng)力2 000 kN。

右岸為巖質(zhì)高邊坡［13］，針對建議的加固處理措施，采用剛體極限平衡法［14］對加固效果進(jìn)行分析評價(jià)。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)考慮錨索加固后，部分剖面的二維抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求 ，當(dāng)考慮邊坡的三維效應(yīng)后 ，天然條件下三維抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在1.25～1.67之間，降雨工況的安全系數(shù)在1.17～1.52之間，地震工況的安全系數(shù)在1.16～1.57之間，對F9斷層的處理和錨索加固對邊坡均能起到良好的加固作用，基本滿足規(guī)范［15］要求。

6　結(jié)　論

研究結(jié)果表明，出露在右岸邊坡的F9斷層對右岸的邊坡穩(wěn)定性具有明顯的影響，水庫蓄水后，F(xiàn)9斷層帶內(nèi)糜棱巖的軟化 ，對右岸高邊坡有一定的破壞作用，位于庫水位下部的斷層帶在水的物理化學(xué)作用下軟化或被侵蝕，失去支撐上部巖體的能力，在重力作用，可使邊坡上部巖體處于懸空而導(dǎo)致失穩(wěn)。破壞的形式主要為由外向內(nèi)的脫落型垮塌。需要根據(jù)工程實(shí)際對斷層進(jìn)行加固處理。

F9斷層與邊坡走向大角度相交且傾向坡內(nèi)，根據(jù)其工程地質(zhì)條件，不存在沿F9斷層發(fā)生大規(guī)模平面滑動對右岸高邊坡產(chǎn)生破壞的可能性。

對F9斷層的處理思路主要為置換、封閉和加固處理。研究表明，對F9斷層的處理和錨索加固對邊坡均能起到良好的加固作用 ，基本滿足規(guī)范要求。

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中圖分類號：TV223.3+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144（2015）03—0217—05

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2015.03.044

收稿日期 ：2015-01-17修稿日期 ：2015-03-09

作者簡介 ：李萬逵（1954—），男，甘肅民勤人，高級工程師，主要從事水文工程地質(zhì)工作。E-mail：jfour1128@sina.com

The Effect of the F9Fault on the High Slope of the Right Bank in Aertashi Hydro Project and Its Treatments

LI Wan-kui
（Xinjiang Investigation，Design and Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi，Xinjiang 830000，China）

Abstract：The F9fault of Xinjiang Aertashi hydro project is located at the right bank of the dam across the abutment，this unbeneficial geological condition has an adverse effect on the stability of the right bank slope，therefore，a special study on its geological conditions was conducted.At the researching and initial designing stage，in order to investigate the influence of the fault on the high slope of the right bank，a detailed analysis and evaluation of its geological characteristics was conducted based on the data of field investigation，experiments，the collection，arrangement，lab analysis and numerical simulation of the geological information.According to the analysis，the geological conditions of the F9fault was confirmed，which would provide a reliable theoretical basis and some reference for the design and treatment of similar projects.

Keywords：high slope；F9fault；slope stability