劉 昌，王林維，李樹(shù)武，胡 華

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

西南某水電站位于云南省境內(nèi)的瀾滄江上游河段上，電站樞紐工程為二等大(2)型工程，水庫(kù)正常蓄水位1 906.00 m，總裝機(jī)容量990 MW。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 909.50 m，最大壩高137.50 m。壩址區(qū)屬高山峽谷地貌，岸坡基巖裸露，出露二疊系上統(tǒng)下段青灰～灰黑色薄層狀砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖夾中厚層變質(zhì)石英砂巖，呈單斜構(gòu)造，巖層總體走向?yàn)镹5°W～N10°E，傾向NE～SE，傾角75°～88°，與瀾滄江河谷走向近似正交。

右岸壩頂以上分布有大型傾倒變形體，傾倒體前緣高程約1 950 m，后緣已跨越右岸山梁(高程2 270 m)，順河向長(zhǎng)約500 m，面積約11.6萬(wàn)m3，總體積約230萬(wàn)m3(其中強(qiáng)傾倒部分體積約140萬(wàn)m3)。由于其下部布置大壩、中控樓、出線(xiàn)平臺(tái)及電站進(jìn)水口等重要工程設(shè)施，其穩(wěn)定性直接影響工程施工與運(yùn)行的安全。因此，對(duì)其施工處理前后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采取必要的工程處理措施顯得尤為重要。

2 變形破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探硐和地面調(diào)查以及鉆孔揭露的巖體破碎情況，并結(jié)合邊坡巖體傾倒變形的特點(diǎn)、外界風(fēng)化作用影響方式和范圍等分析，邊坡不同部位巖體的傾倒變形結(jié)構(gòu)及破壞特征有所不同。傾倒變形體內(nèi)巖層產(chǎn)狀為 N15°W ～N5°E、NE～SE∠40°～60°，傾倒方向垂直巖層向下游。巖層水平深度40 m范圍內(nèi)傾角普遍在40°～50°之間，屬?lài)?yán)重傾倒變形;水平深度40～100 m范圍內(nèi)傾角大部分為50°～60°，屬弱傾倒變形。

變形破壞具備如下特征:淺表部巖體嚴(yán)重傾倒、拉裂;中部巖體拉裂、架空、解體;深部巖體彎曲拉裂、折斷變形;影響帶巖體拉裂變形。傾倒體邊坡巖體總的破壞特點(diǎn)是拉裂破壞。從勘探、調(diào)查的結(jié)果來(lái)看，整個(gè)右岸傾倒體并沒(méi)有形成一個(gè)完全貫通、連續(xù)的折斷面，這對(duì)傾倒體邊坡的穩(wěn)定性是有利的。

3 成因機(jī)制及力學(xué)特征

3.1 地形地貌特征

電站壩址右岸發(fā)育1條規(guī)模較大的支流，該支流下游段與瀾滄江夾角約30°，切割深度200 m。受2條河流的切割，右壩肩邊坡形成了1個(gè)相對(duì)孤立的單薄山體，傾倒變形體發(fā)育于該孤立山體上，這種地形地貌特征有利于巖體卸荷、傾倒的發(fā)生。

3.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

大量的工程實(shí)例表明，傾倒破壞通常發(fā)生于層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中［1-2］。因此，發(fā)生傾倒變形還有另外一個(gè)重要條件，即巖層的層厚條件，如果巖層較厚，則巖層本身的抗變形和彎折能力較強(qiáng)，巖體也不容易發(fā)生傾倒變形;如果巖層較薄，則其自身抗變形和彎折的能力較弱，在長(zhǎng)期的地質(zhì)年代過(guò)程中，巖體向臨空面卸荷以及自重作用下，則容易發(fā)生傾倒變形破壞。

右岸探硐巖層層厚大量統(tǒng)計(jì)表明，層厚小于20 cm的泥質(zhì)板巖占比達(dá)84.5%，而層厚大于20 cm相對(duì)堅(jiān)硬的變質(zhì)砂巖僅占15.5%?？傮w上，傾倒體范圍內(nèi)巖體由陡傾角薄層狀～互層狀泥質(zhì)板巖構(gòu)成。由于泥質(zhì)板巖抗壓、抗剪等力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低且為薄層狀結(jié)構(gòu)，在卸荷回彈及自重作用下，容易向臨空方向產(chǎn)生傾倒～彎折變形，并在地表及內(nèi)部形成拉裂縫。

3.3 右壩肩結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征

(1)右壩肩裂隙優(yōu)勢(shì)方位分析。右壩肩結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。從表1可知，右壩肩共發(fā)育4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。其中，①組最為發(fā)育，為順層發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，走向近SN向，與邊坡近正交，且傾向下游，導(dǎo)致巖體向下游方向產(chǎn)生傾倒變形;其次為②組，走向?yàn)榻麰W向，與右岸邊坡走向大致平行，在這組裂隙的切割作用下，巖體向山梁兩側(cè)更容易產(chǎn)生卸荷松弛。

(2)右壩肩拉裂縫產(chǎn)狀分析。右壩肩發(fā)育的拉裂縫主要分布在1 930 m高程以上部位。右壩肩探硐內(nèi)出露的拉裂縫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，從表2可知，按產(chǎn)狀大致可以分為3組。其中，①、②組拉裂縫與表1中③、④組裂隙產(chǎn)狀基本一致;③組拉裂縫則沿巖層層面向下游方向拉開(kāi)。上述跡象表明，巖體的傾倒變形首先是從卸荷拉裂開(kāi)始，并沿巖體中最薄弱的部位(裂隙發(fā)育區(qū))產(chǎn)生拉裂破壞，并使邊坡表部巖層發(fā)生錯(cuò)位;隨著拉裂縫向巖體的縱深部不斷擴(kuò)展，在深部與緩傾結(jié)構(gòu)面相互切割形成局部塊體滑移，為后部巖層提供進(jìn)一步傾倒變形的空間。

表1 右岸巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì) (°)

表2 右岸巖體優(yōu)勢(shì)拉裂縫統(tǒng)計(jì) (°)

3.4 綜合成因機(jī)制

壩址右岸單薄、突出的山體在地形地貌上為邊坡巖體提供了卸荷、傾倒的有利條件。傾倒體范圍內(nèi)集中分布的陡傾薄層狀巖體為巖體傾倒變形提供了有利的物質(zhì)條件。巖體中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的方向及組合使巖體更容易產(chǎn)生拉裂破壞，在表面及內(nèi)部形成大量拉裂縫，導(dǎo)致在邊坡上部出現(xiàn)拉裂縫;再加上緩傾結(jié)構(gòu)面和陡傾結(jié)構(gòu)面組合塊體的蠕滑作用，在后部陡傾結(jié)構(gòu)面處也產(chǎn)生拉裂縫，在長(zhǎng)期地質(zhì)作用下形成目前的傾倒變形體［3-4］。

3.5 力學(xué)特性

為獲取傾倒變形體不同部位原狀芯樣，在鉆探中采用了SM系列植物鉆井液護(hù)孔取芯。為避免試樣在制作、搬運(yùn)過(guò)程中擾動(dòng)破碎，采用了“縮封固定技術(shù)”進(jìn)行取樣?，F(xiàn)場(chǎng)從鉆孔中取得了大量不同類(lèi)型的巖芯，進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)參考本電站壩基巖體力學(xué)參數(shù)中Ⅳ類(lèi)巖體的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，在考慮工程安全儲(chǔ)備后，確定了傾倒變形體不同部位巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 傾倒變形體不同部位巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 定性評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，右岸傾倒變形體邊坡整體上地形較為平整，邊坡表部發(fā)育幾條小規(guī)模的沖溝。從側(cè)面形態(tài)看，變形體邊坡整體上坡形整齊，坡度在40°～45°之間，坡面完整，無(wú)較大的起伏，未發(fā)現(xiàn)較大的拉裂縫，也無(wú)較大規(guī)模的變形垮塌跡象。以上表明，自然邊坡巖體自?xún)A倒變形以來(lái)，未產(chǎn)生大的滑動(dòng)、垮塌等變形破壞。宏觀判斷，傾倒體天然狀態(tài)下整體上是穩(wěn)定的。

根據(jù)對(duì)傾倒變形體傾倒方向的分析結(jié)果，分別沿傾倒體傾倒方向和垂直河流方向進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。從剖面形態(tài)上看，邊坡在沿傾倒方向上坡度相對(duì)較緩，在垂直河流方向上坡度較陡。經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算，沿傾倒方向邊坡在各種工況下安全系數(shù)為1.42～1.81，邊坡整體穩(wěn)定性較好;垂直河流方向?yàn)?.22～1.31，處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨工況下，安全系數(shù)為0.98～1.07，基本上處于極限平衡狀態(tài)，不滿(mǎn)足規(guī)范安全系數(shù)1.1的控制要求;地震工況下安全系數(shù)為1.03～1.12，安全系數(shù)裕度不足。

4.2 工程處理后評(píng)價(jià)

4.2.1 處理措施

傾倒變形體在暴雨工況下安全系數(shù)低于規(guī)范控制要求，地震工況下安全裕度不足，若產(chǎn)生滑移破壞則對(duì)工程建設(shè)及運(yùn)行期不利。因此，從工程安全角度出發(fā)，需對(duì)傾倒體進(jìn)行工程處理。

(1)施工期，對(duì)傾倒變形體進(jìn)行清坡處理，清除表部覆蓋層及部分破碎巖體。在開(kāi)口線(xiàn)附近設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

(2)在坡頂開(kāi)挖線(xiàn)以外設(shè)置截水溝，馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置地面排水溝;開(kāi)挖邊坡表面設(shè)置排水孔;將傾倒變形體內(nèi)總長(zhǎng)約600 m的4條勘探硐改建為排水洞，加強(qiáng)傾倒變形體的排水，提高其安全性。

(3)對(duì)清坡后的傾倒破碎巖體，采用混凝土板+系統(tǒng)錨索(1 000 kN，間排距4.0 m)進(jìn)行支護(hù)加固處理。

(4)在邊坡開(kāi)口線(xiàn)外及坡體設(shè)置了表面變形觀測(cè)、測(cè)斜孔、水平位移計(jì)等多種變形監(jiān)測(cè)裝置，在施工及運(yùn)行期對(duì)傾倒變形體進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

4.2.2 穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算

施工處理后，對(duì)傾倒體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，計(jì)算方法仍采用極限平衡法［5］，計(jì)算剖面垂直河流方向，復(fù)核計(jì)算剖面見(jiàn)圖1。經(jīng)穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，邊坡在正常運(yùn)行、暴雨、地震各工況下的安全系數(shù)分別為1.35～1.36、1.16～1.17、1.16～1.15。右岸壩肩傾倒變形體在各種工況下的安全系數(shù)均滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

4.2.3 監(jiān)測(cè)成果分析

為監(jiān)測(cè)傾倒變形體開(kāi)挖支護(hù)后的變形情況，在傾倒體邊坡設(shè)置1套GNSS系統(tǒng)，(共有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)解算基準(zhǔn)點(diǎn));8座表面變形觀測(cè)墩(與GNSS觀測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng));4個(gè)測(cè)斜孔;在3個(gè)排水洞內(nèi)安裝了14個(gè)靜力水準(zhǔn)點(diǎn)及14支水平位移計(jì)，以觀測(cè)沉降及水平位移［6］。

GNSS觀測(cè)開(kāi)始于2014年5月3日，各測(cè)點(diǎn)總體緩慢向河床偏下游變形，位移增長(zhǎng)主要發(fā)生在2015年以前，之后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。截至2016年12月15日，傾倒體向河床偏下游方向累計(jì)水平位移為29.5 mm。表面變形測(cè)墩自2015年7月5日開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)，各點(diǎn)總體緩慢向河床偏下游變形，截至2017年1月9日，傾倒體向河床偏下游方向累計(jì)水平位移為6.5～18.9 mm。測(cè)斜孔最早于2014年5月25日取得觀測(cè)初值，截至2017年1月中旬，各測(cè)斜孔觀測(cè)數(shù)據(jù)基本遵循變形量自孔底向孔口逐步遞增的變形規(guī)律，2017年1月12日測(cè)得各孔孔口A向(主傾倒方向)累計(jì)位移測(cè)值為－5.6～8.8 mm，B向(垂直于主傾倒方向)累計(jì)位移測(cè)值為－6.2～13.6 mm。14個(gè)靜力水準(zhǔn)點(diǎn)沉降變化觀測(cè)周期不長(zhǎng)，初值于2016年7月15日才取得，目前數(shù)據(jù)的變化量不大，自觀測(cè)以來(lái)，各水準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)沉降為－9.4～19.9 mm。14支水平位移計(jì)觀測(cè)周期不長(zhǎng)，初值于2016年7月15日才取得，目前數(shù)據(jù)的變化量不大，累計(jì)變化為－0.05～0.54 mm。

總體上看，傾倒體變形方向?yàn)榫徛蚝哟财掠巫冃?，即主傾倒方向。自監(jiān)測(cè)以來(lái)，總體變形量級(jí)不大，發(fā)生變形量較大時(shí)段主要在邊坡開(kāi)挖期。從各項(xiàng)監(jiān)測(cè)成果綜合分析看，總體上傾倒體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。傾倒變形體邊坡開(kāi)挖支護(hù)后形象見(jiàn)圖2。

5 結(jié)語(yǔ)

西南某水電站壩址右岸邊坡為單薄、相對(duì)孤立的山梁，陡傾薄層狀泥質(zhì)板巖集中分布，巖層在卸荷及自重作用下沿優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉裂、彎折破壞。巖體在長(zhǎng)期變形破壞作用下形成了目前的變形體。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傾倒體不同部位巖體取樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了較為可靠的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。研究表明，傾倒變形體在暴雨工況下基本上處于極限平衡狀態(tài)，不滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，且在地震工況下安全系數(shù)裕度不足。工程處理后穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算表明，傾倒變形體邊坡滿(mǎn)足規(guī)范要求，整體穩(wěn)定。從多種監(jiān)測(cè)成果綜合分析看，傾倒體變形方向?yàn)榫徛蚝哟财掠巫冃?，即主傾倒方向，變形量級(jí)不大，發(fā)生變形量較大時(shí)段主要在邊坡開(kāi)挖期。

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