白雪亮，李紅帥，雷永剛，董正中

(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)

0 引言

在水電站的工程建設(shè)中，經(jīng)常遇到傾倒邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。所謂傾倒邊坡是指巖質(zhì)邊坡中，反傾層狀結(jié)構(gòu)或者陡傾順層結(jié)構(gòu)在邊坡臨空一側(cè)產(chǎn)生彎曲、傾倒甚至折斷的傾倒破壞現(xiàn)象。對(duì)于傾倒邊坡，很多學(xué)者從不同的角度展開(kāi)了相關(guān)研究。張丙先[1]針對(duì)西藏玉曲河下游岸坡的傾倒變形特征與板巖特性的相關(guān)性進(jìn)行了研究，并分析了傾倒折斷型、傾倒彎曲型、傾倒揉皺彎曲型三種不同的傾倒破壞類(lèi)型；吳關(guān)葉[2]等結(jié)合苗尾水電站右壩基邊坡傾倒拉裂變形破壞現(xiàn)象，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和數(shù)值模擬兩方面揭示了其發(fā)生傾倒拉裂變形的機(jī)理，并根據(jù)其變形機(jī)理提出了對(duì)應(yīng)的綜合治理措施；張世殊[3]等通過(guò)對(duì)邊坡與其內(nèi)隧道的變形特征的研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析認(rèn)為軟硬巖互層引起的不協(xié)調(diào)變形與水庫(kù)蓄水及地震影響是二古溪邊坡傾倒破壞的主要原因，并且邊坡的變形發(fā)展還將持續(xù)進(jìn)行；邱俊[4]等主要依據(jù)數(shù)值模擬與地質(zhì)分析的方法研究了金沙江某水電站左壩肩的雙面傾倒形成機(jī)制，揭示其雙面傾倒變形是由于二次應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致巖體沿其片理面產(chǎn)生了變形，從而引起其發(fā)生變形破壞。并且通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)其傾倒變形速率有從坡體中間向兩端遞減的趨勢(shì)；趙華[5]等通過(guò)邊坡物理模型試驗(yàn)研究了反傾邊坡的傾倒變形演化過(guò)程，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為反傾邊坡傾倒變形分為初期卸荷回彈變形、長(zhǎng)期重力彎曲(破裂)變形及后期蠕滑變形三個(gè)階段，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了把變形加速度作為傾倒邊坡失穩(wěn)的指標(biāo)；廖少波[6]等利用數(shù)值模擬軟件采用正交試驗(yàn)方法研究了不同邊坡內(nèi)在因素對(duì)其傾倒穩(wěn)定性的影響規(guī)律，通過(guò)極差分析和方差分析方法表明邊坡坡角和結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)傾倒邊坡穩(wěn)定性的影響最大。

馬來(lái)西亞某水電站位于馬來(lái)西亞沙撈越州西南部人煙稀少區(qū)域的巴萊河上一急轉(zhuǎn)彎處，目前主要在進(jìn)行2條導(dǎo)流洞的施工，其中在2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了傾倒變形破壞現(xiàn)象。本文根據(jù)2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡傾倒變形破壞的發(fā)展過(guò)程，對(duì)其成因機(jī)制進(jìn)行分析，依據(jù)成因機(jī)制的分析制定了對(duì)應(yīng)的綜合治理措施。實(shí)踐證明，治理措施取得了良好的效果。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡位于河流下游拐彎段，此處原始地形為自然岸坡。岸坡陡峭，陡崖處基巖裸露。且岸坡發(fā)育小沖溝。斜坡EL.120 m～EL.160 m高程段地形相對(duì)平緩，坡度5°～25°，EL.50 m～EL.120 m高程段地勢(shì)陡峭，坡度40°～54°。岸坡地表植被發(fā)育，受河水侵蝕作用，岸坡朝向河流側(cè)臨空條件較好，為邊坡傾倒變形提供了空間。

1.2 地層巖性

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡主要由Belaga組Layar段沉積巖組成，其中EL.135 m～EL.85 m巖性主要為灰黃色薄層頁(yè)巖與砂巖/粉砂巖互層，巖石強(qiáng)度低，為軟巖—極軟巖，薄層構(gòu)造，單層厚度為0.02～0.1 m。EL.85 m～EL.75 m為砂巖/粉砂巖地層，巖石強(qiáng)度高，中厚層構(gòu)造，單層厚度為0.1～0.3 m。2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡表層出露3～5 m厚的殘坡積覆蓋層及全風(fēng)化地層，較松散。2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡巖體整體較破碎，完整性差。總體上邊坡巖性為頁(yè)巖與砂巖/粉砂巖互層，巖體中裂隙較發(fā)育，在馬來(lái)西亞熱帶雨林氣候大量降雨影響下，邊坡淺層巖體中的裂隙及層面被水侵入，導(dǎo)致層面及裂隙中的黏結(jié)力降低，這種軟硬巖互層地層為傾倒變形破壞提供了基本的巖性物質(zhì)條件。整體邊坡穩(wěn)定性較差，邊坡開(kāi)挖過(guò)程需加強(qiáng)錨固支護(hù)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡范圍內(nèi)無(wú)斷層及大的構(gòu)造發(fā)育，其典型工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。邊坡主要發(fā)育三組裂隙，其中J1s(層面裂隙)產(chǎn)狀為119°～130°∠44°～50°，面平直規(guī)則，局部張開(kāi)，充填黏土，延伸長(zhǎng)度為15～20 m，發(fā)育較密；J2s產(chǎn)狀為220°～225°∠50°～55°，為切層裂隙組，較平直，延伸長(zhǎng)度為10～15 m，發(fā)育次之；J3s產(chǎn)狀為288°～292°∠47°～53°，較短小，最少發(fā)育。裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖2。層面走向與邊坡走向夾角小(約25°)，總體保持一致。由圖2可見(jiàn)，在邊坡裂隙中，J1s(層面裂隙)占主導(dǎo)，J2s組裂隙次之，J3s組裂隙最少發(fā)育。由圖1、圖2可見(jiàn)，層面裂隙、J2s組裂隙與邊坡構(gòu)成了典型的傾倒邊坡結(jié)構(gòu)，且層面傾角較陡，為邊坡的傾倒變形提供了構(gòu)造條件。

1.4 風(fēng)化情況

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡EL.120 m高程以上為地表覆蓋層及全風(fēng)化的殘積層，層厚3～5 m。EL.120 m～EL.105 m為強(qiáng)風(fēng)化層，垂直于原始坡面方向厚度為15～20 m。EL.105 m～EL.75 m為中風(fēng)化層，垂直于原始坡面方向厚度為15～20 m。其下為微風(fēng)化—新鮮砂巖及粉砂巖地層。整體邊坡風(fēng)化較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致邊坡淺層巖體強(qiáng)度較低，不足以充分抵抗上覆巖體的重力和其他應(yīng)力作用。對(duì)傾倒變形有利。

圖1 2號(hào)洞出口邊坡典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical engineering geological profile of the exit slope of No.2 cave

圖2 2號(hào)洞出口邊坡節(jié)理等密圖(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 邊坡基本情況介紹

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡受地形及其他建筑物布置影響，開(kāi)挖設(shè)計(jì)按照下述設(shè)計(jì)方式進(jìn)行。

2號(hào)洞出口邊坡開(kāi)口線高程為EL.133 m，底板高程為EL.32.5 m，邊坡總高度約100 m。每10 m設(shè)置一級(jí)馬道，共9級(jí)，馬道寬度3 m。在開(kāi)挖至EL.75 m高程時(shí)發(fā)生大范圍的傾倒變形破壞。

開(kāi)挖坡比及支護(hù)方式為：EL.133 m～EL.115 m開(kāi)挖坡比為1∶1，網(wǎng)格梁加噴錨支護(hù)；EL.115 m～EL.95 m開(kāi)挖坡比為1∶0.7，網(wǎng)格梁加噴錨支護(hù)，其中EL.105 m～EL.95 m設(shè)置錨索支護(hù)；EL.95 m～EL.85 m開(kāi)挖坡比為1∶0.5，網(wǎng)格梁加噴錨支護(hù)，并設(shè)置貼坡混凝土；EL.85 m～EL.75 m開(kāi)挖坡比為1∶0.3，網(wǎng)格梁加噴錨支護(hù)，局部設(shè)置貼坡混凝土；其中E.L133 m～EL.85 m由于整體巖石強(qiáng)度較低，采用機(jī)械開(kāi)挖，EL.85m以下，巖石強(qiáng)度增強(qiáng)采用爆破開(kāi)挖與機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合的方式進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

3 邊坡傾倒變形特征

3.1 邊坡傾倒變形過(guò)程

2019年1月17日，2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡EL.105 m馬道排水溝內(nèi)側(cè)出現(xiàn)2條沿馬道走向的拉裂縫，其中第1條裂縫靠近排水溝，裂縫長(zhǎng)約27 m，寬約5 mm。第2條裂縫靠近邊坡最上游測(cè)，裂縫長(zhǎng)約12 m，裂縫寬度3～5 mm。

2019年1月27日上午，出口2號(hào)洞邊坡EL.105 m～EL.96 m邊坡坡面出現(xiàn)明顯裂縫(圖3)，部分區(qū)域出現(xiàn)垮落(圖4)。裂縫長(zhǎng)約25 m，出現(xiàn)高程為EL.102 m～EL.101 m，裂縫寬3～10 cm。其中垮落處長(zhǎng)約5 m，高程為EL.101 m～EL.96 m，深度范圍30～50 cm，垮落區(qū)域表面出現(xiàn)滲滴水，巖體出現(xiàn)小范圍傾倒破壞，邊坡出現(xiàn)局部剝落。

圖3 2號(hào)洞出口邊坡EL.105 m邊坡裂縫Fig.3 EL.105 m crack at the exit slope of No.2 cave(front view and side view) (a)正視 (b)側(cè)視圖

圖4 2號(hào)洞出口邊坡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日下午約6時(shí)，2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡EL.78 m以下進(jìn)行爆破施工，爆破完成后目測(cè)無(wú)明顯變形跡象。2019年7月29日上午，發(fā)現(xiàn)整個(gè)邊坡產(chǎn)生明顯變形破壞(圖5)，邊坡出現(xiàn)大面積拉裂縫(圖6)，產(chǎn)生明顯的剪切位移或錯(cuò)落沉降?，F(xiàn)場(chǎng)裂縫內(nèi)側(cè)巖體出現(xiàn)明顯的傾倒折斷破壞現(xiàn)象。

圖5 2號(hào)洞出口邊坡EL.75 m變形破壞Fig.5 EL.75 m deformation and failure at the exit slope of No.2 cave

圖6 2號(hào)洞出口邊坡EL.105 m張拉裂縫Fig.6 EL.105 m tensile crack at the exit slope of No.2 cave

3.2 邊坡傾倒變形破壞分區(qū)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察及分析，根據(jù)邊坡破壞程度并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形位移測(cè)量數(shù)據(jù)，將其變形部位分為兩個(gè)區(qū)(圖7)。其中Ⅰ區(qū)為變形破壞區(qū)，其變形位移在0.7～1.5 m之間。Ⅱ區(qū)為淺層拉裂區(qū)，主要為邊坡表層及噴混凝土表面的淺層拉裂，整體變形位移小于0.3 m。

Ⅰ區(qū)：

分布范圍為EL.105 m高程以下2#洞軸線上游側(cè)邊坡，整個(gè)區(qū)域發(fā)生明顯位移，位移量0.7～1.5 m。

此區(qū)域產(chǎn)生變形破壞，變形范圍水平向約50 m，高程范圍約52 m，EL.78 m～EL.130 m，推測(cè)變形深度5～15 m，破壞面積約 2000 m2，方量約13 000 m3。后緣噴混凝土表面拉裂縫寬約120 mm，可見(jiàn)深度約10 cm。沿EL.105 m馬道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一水平裂縫，長(zhǎng)約20 m，寬1.0～1.5 m，可見(jiàn)深度最大1.2 m，裂縫里面邊坡巖層發(fā)生明顯傾倒折斷現(xiàn)象，產(chǎn)生1.0～1.5 m沉降位移。

Ⅱ區(qū)：

分布范圍為EL.105 m高程以上及2#洞軸線下游側(cè)，邊坡位移不明顯，裂縫規(guī)模較小，裂縫主要為噴混凝土表面拉裂，其下巖體基本完整(圖8)。

變形范圍水平向約35 m，高程范圍約57 m，EL.78 m～EL.135 m。破壞面積約2100 m2。EL.125 m馬道上部邊坡出現(xiàn)一條豎向裂縫，寬度約10 cm，垂直高度約3 m，為噴混凝土表面裂縫。EL.95 m高程出現(xiàn)水平向裂縫，貫穿貼坡范圍，為噴混凝土面裂縫。

總體來(lái)看，出口2號(hào)洞邊坡的變形范圍順邊坡方向長(zhǎng)約85 m，高程范圍為EL.78 m～EL.135 m。Ⅰ區(qū)為變形破壞區(qū)，推測(cè)變形破壞深度5～15 m；Ⅱ區(qū)為淺層拉裂區(qū)，變形破壞主要發(fā)生在噴混凝土表面及邊坡淺層。

4 出口邊坡傾倒機(jī)制分析

2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡傾倒變形破壞是地質(zhì)內(nèi)因和外部誘因綜合作用的結(jié)果。

從邊坡自身地質(zhì)內(nèi)因條件分析，開(kāi)挖邊坡自身走向與巖層走向近平行，且?guī)r層有陡傾坡內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，具備產(chǎn)生傾倒破壞的有利條件；2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡EL.120 m高程以上為地表覆蓋層及全風(fēng)化的殘積層，EL.120 m～EL.105 m為強(qiáng)風(fēng)化層，EL.105 m～EL.75 m為中風(fēng)化層，以下為微風(fēng)化—新鮮巖體。整體邊坡風(fēng)化程度較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖體質(zhì)量較差；以上兩方面是邊坡發(fā)生傾倒變形破壞的地質(zhì)內(nèi)因。

圖7 出口邊坡裂縫分布平面圖

圖8 出口2號(hào)洞邊坡傾倒變形破壞圖Fig.8 Toppling deformation and failure diagram of the exit slope of No.2 cave

從外部誘因來(lái)看，當(dāng)邊坡開(kāi)挖至EL.105 m高程時(shí)，由于上部邊坡已經(jīng)開(kāi)挖，缺失支撐巖體，且開(kāi)挖又提供了變形空間，因此在上部巖體自身重力作用下，巖體內(nèi)側(cè)發(fā)生了壓縮傾倒變形，外觀表現(xiàn)為在噴錨結(jié)構(gòu)混凝土表面產(chǎn)生了近乎平行邊坡走向的拉裂縫。此時(shí)主要為巖體淺層的傾倒變形，為傾倒變形的初期階段。主要表現(xiàn)為巖體在自身重力作用下向臨空面傾倒，導(dǎo)致巖體變形形成張拉裂縫。

隨著開(kāi)挖繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)開(kāi)挖至EL.95 m高程時(shí)，由于在上部巖體重力繼續(xù)作用下，加之EL.105m～EL.95m邊坡開(kāi)挖后未及時(shí)封閉，且開(kāi)挖期間有強(qiáng)降雨情況。在上述因素共同作用下，邊坡發(fā)生了小范圍的圈椅狀傾倒垮落。這是邊坡傾倒變形的第二階段。通過(guò)觀察裂縫內(nèi)側(cè)巖體，發(fā)現(xiàn)巖層出現(xiàn)了明顯的傾倒折斷型破壞，故緊急要求在EL.105 m～EL.95 m邊坡增加錨索支護(hù)施工。但由于各種原因，錨索施工完成后未進(jìn)行有效張拉。

隨著繼續(xù)開(kāi)挖邊坡EL.85 m～EL.75 m時(shí)，由于為中風(fēng)化砂巖/粉砂巖地層，巖體強(qiáng)度較高，采用爆破開(kāi)挖方式。故在開(kāi)挖至EL.85 m～EL.75 m高程時(shí)，邊坡巖體已經(jīng)接近穩(wěn)定極限，爆破開(kāi)挖不斷的對(duì)上覆接近穩(wěn)定極限的巖土體造成擾動(dòng)。最主要表現(xiàn)為爆破的地震波效應(yīng)和松動(dòng)損傷效應(yīng)。在兩者效應(yīng)共同作用下，巖體的強(qiáng)度不斷降低。且最后一次爆破時(shí)，爆破范圍及裝藥量偏大，對(duì)邊坡擾動(dòng)最大，上覆巖體重力達(dá)到了下層砂巖/粉砂巖的強(qiáng)度極限，在上覆巖體整體傾倒產(chǎn)生的拉應(yīng)力和重力作用下，下層砂巖/粉砂巖層狀板梁結(jié)構(gòu)發(fā)生折斷，進(jìn)而造成邊坡傾倒部分整體向下位移，并且產(chǎn)生大范圍的張拉裂縫。導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生傾倒變形破壞。

從內(nèi)外因整體來(lái)看，自身具有傾倒破壞的有利條件、邊坡巖體質(zhì)量差是變形破壞的內(nèi)因；EL.105 m～95 m邊坡錨索沒(méi)有起到支護(hù)作用、下方邊坡開(kāi)挖爆破措施不當(dāng)是邊坡變形破壞的外因。在內(nèi)外因機(jī)制共同作用下引起了2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡的傾倒變形破壞。

5 傾倒邊坡加固治理措施

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊坡巖體發(fā)生較大位移破壞的部位為Ⅰ區(qū)的強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層。Ⅱ區(qū)EL.105m馬道以上邊坡為網(wǎng)格梁加長(zhǎng)錨桿支護(hù)，邊坡變形量較小，主要表現(xiàn)為噴混凝土層受下方垮塌牽引影響，表層產(chǎn)生幾條規(guī)模不大裂縫，認(rèn)為網(wǎng)格梁支護(hù)仍未失效。邊坡整體表現(xiàn)為淺表層的傾倒變形破壞。因此根據(jù)以上認(rèn)識(shí)主要采用了削方壓腳、預(yù)應(yīng)力錨固、格柵梁加固等綜合治理措施。

5.1 削方壓腳

邊坡發(fā)生變形破壞的內(nèi)因是由于其上覆巖體的壓應(yīng)力過(guò)大，因此在邊坡發(fā)生變形破壞后，為防止變形進(jìn)一步發(fā)展，減小邊坡的應(yīng)力集中，同時(shí)提高邊坡的自身穩(wěn)定性。并為后續(xù)治理措施創(chuàng)造條件。在邊坡上游側(cè)進(jìn)行削方減重作業(yè)，以減少下部巖層的壓應(yīng)力。同時(shí)在邊坡下部EL.75 m高程進(jìn)行堆渣壓腳，增強(qiáng)邊坡下部穩(wěn)定性。表觀監(jiān)測(cè)表明，邊坡的變形速率得到了明顯控制。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨固

為了阻止邊坡的進(jìn)一步變形發(fā)展，利用錨索對(duì)變形部位進(jìn)行鎖固，將其穩(wěn)定在未變形的坡內(nèi)深部巖體中，使其形成一個(gè)穩(wěn)定的整體。對(duì)EL.95 m～EL.105 m高程邊坡傾倒破壞部分進(jìn)行清除，重新貼坡后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固。錨索布置三排，間距2 m×2 m(圖9)。

圖9 2號(hào)導(dǎo)流洞出口邊坡錨固支護(hù)剖面圖Fig.9 Sectional map of the anchoring support for the exit slope of No.2 diversion tunnel

5.3 格柵梁加固

為了加強(qiáng)邊坡淺層部位的變形體的穩(wěn)定性，對(duì)EL.75 m～EL.95 m高程邊坡下游傾倒破壞部分進(jìn)行清除，然后采用錨桿加混凝土格柵梁的方式進(jìn)行支護(hù)，使其牢固在內(nèi)側(cè)穩(wěn)定巖體中。對(duì)于上游側(cè)，在折斷部位進(jìn)行貼坡混凝土加錨桿支護(hù)的方式加強(qiáng)支護(hù)。對(duì)潛在變形部位進(jìn)行支護(hù)，使其形成一個(gè)穩(wěn)定的整體(圖10)。

通過(guò)Phase2有限元軟件計(jì)算分析，在對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理后，正常工況下安全系數(shù)為2.617，降雨工況下安全系數(shù)為1.788，地震工況下安全系數(shù)為2.149。

圖10 加固后的出口2號(hào)洞邊坡Fig.10 Reinforced exit slope of No.2 cave

上述加固措施滿(mǎn)足邊坡各項(xiàng)安全系數(shù)要求。在加固措施施工完畢后，表觀監(jiān)測(cè)表明目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

馬來(lái)西亞某水電站邊坡傾倒變形破壞是一個(gè)隨時(shí)間逐漸發(fā)展的過(guò)程。邊坡以頁(yè)巖、砂巖/粉砂巖為主要地層，巖層有陡傾坡內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，且?guī)r體風(fēng)化強(qiáng)烈，自身具備產(chǎn)生傾倒破壞的有利條件，是邊坡發(fā)生傾倒破壞的地質(zhì)內(nèi)因；在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，上部巖層缺失支撐巖體，且開(kāi)挖又提供了變形空間，邊坡巖體在自身重力作用下，發(fā)生了壓縮傾倒變形，同時(shí)邊坡缺乏及時(shí)有效支護(hù)，再加上降雨、爆破開(kāi)挖擾動(dòng)作用，最終在內(nèi)外因共同作用下導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生傾倒變形破壞。通過(guò)對(duì)邊坡傾倒破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)并結(jié)合邊坡自身工程特性，提出了削方壓腳、預(yù)應(yīng)力錨固、格柵梁加固的綜合加固措施。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和表觀監(jiān)測(cè)均表明目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。