溪洛渡水電站進水口高邊坡穩定性分析

蘇 星

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

溪洛渡水電站進水口高邊坡穩定性分析

蘇 星

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

溪洛渡水電站兩岸進水口底板至谷肩的邊坡總高度均超過200 m，其安全穩定對工程施工及電站的永久運行關系重大。因兩岸邊坡具有相似的工程地質條件，根據該電站的特點，結合前期勘察成果、施工期開挖揭示的地質現狀及水工建筑物的要求，以現場收集的資料為基礎，對右岸高邊坡的穩定性和危巖體的形成機理、破壞過程進行了分析并采取了相應的支護處理措施。

高邊坡；穩定性；危巖體；形成機理

1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷，最大壩高285.5 m，以發電為主，兼有攔沙、防洪、改善下游航運等綜合效益。工程樞紐由混凝土雙曲拱壩、兩岸引水發電建筑物、泄洪消能建筑物等組成。

河谷斷面呈較對稱的“U”型，河谷寬闊平緩，兩岸山體陡峭雄厚由二疊系上統峨嵋山玄武巖組成（P2β），根據其生成年代的先后及巖性的差異共左分為14個巖流層，各巖流層上部主要為角礫（集塊）熔巖，中下部為玄武巖，屬堅硬～極堅硬巖。壩區無斷層發育，主要地質構造為各種性狀的結構面，包括層間、層內錯動帶、裂隙及柱狀節理。玄武巖致密堅硬，抗風化能力強，風化作用主要沿裂隙和層間、層內錯動等軟弱面（帶）進行，具有典型的裂隙式和夾層狀風化特征。

右岸進水口邊坡總高度大于200 m，進水口底板高程516 m，谷肩高程785～740 m；邊坡總長度282.5 m，自下游至上游共布置9臺機組，編號依次為10～18號機組，間距30.5 m。610 m高程處設置開挖平臺，平臺以下為開挖邊坡，總高度94 m；平臺以上除坡肩進行淺層削坡處理、坡腳因工程需要進行開挖外，大部分以自然邊坡為主，總高度130～170 m。

2 開挖邊坡穩定性分析

2.1 邊坡基本地質條件及開挖現狀

右岸電站進水口610 m平臺以下為開挖邊坡，出露的巖性主要為P2β7～P2β11層含斑玄武巖、致密狀玄武巖和角礫熔巖，巖層總體產狀平緩傾下游、偏左岸，邊坡為弱風化～微新巖體，宏觀巖體結構表現為以次塊狀結構為主，局部塊狀、鑲嵌結構。邊坡巖體結構面較發育，控制性結構面為層間錯動帶和規模較大的層內錯動帶，層間錯動帶涉及C7～C11，產狀總體為N15°～30°E／SE∠4°～7°傾下游，偏左岸，順河向貫穿整個邊坡，主錯帶及影響帶寬度可達10～30 cm，均以含屑角礫型為主，部分巖屑角礫型。

層內錯動帶受層間錯動帶控制，普遍為小于30°的緩傾角，出露長度一般25～40 m左右，個別規模較大，延伸長度大于100 m；帶寬多為2～5 cm，以含屑角礫型為主。層內錯動帶可集中發育，主要特征為數量多、間距小，部分交匯形成夾層狀風化破碎帶。

裂隙較發育，P2β7～P2β11各層上部的角礫熔巖中長大裂隙為其主要特點，延伸長度多在5～10 m，間距大于1 m，且多近順坡向發育，以中陡傾角為主；各層中下部的玄武巖內裂隙多短小，局部呈裂隙密集帶，帶內巖體較破碎，多呈鑲嵌～碎裂結構。P2β12下部玄武巖內的柱狀節理較發育，長度一般0.5～1.5 m，間距10～20 cm，面平直粗糙。

610 m平臺以下邊坡走向N55°W，底板高程516 m，總高度94 m。邊坡設2級馬道，分3個梯段，以垂直、坡比1∶0.3的組合形式進行開挖（見圖1）。垂直邊坡最大高度32 m，坡比1∶0.3的邊坡最大高度30 m。

圖1 右岸610m以下邊坡開挖典型剖面示意

2.2 邊坡穩定性分析

2.2.1 整體穩定性分析

溪洛渡右岸電站進水口邊坡的玄武巖堅硬、強度高，抗風化能力強；坡肩部位水平埋深20～30 m，坡角部位水平埋深45～55 m，巖體弱風化～微新，總體較完整。控制邊坡整體穩定性的主要因素為順河向貫穿整個邊坡的層間錯動帶C7、C8、C9、C11及P2β8、P2β9層玄武巖內發育規模較大的層內錯動帶。其中規模較大的層內錯動帶優勢方向共4組，分別為Lc1：N60°～70°E／SE∠35°～40°、Lc2：SN／E∠5°～8°、Lc3：N20°E／NW∠15°～20°、Lc4：N10°～30°E／SE∠4°～7°（Lc4與層間錯動帶平行，故以層間錯動帶進行分析處理）。

將邊坡巖體中的層間錯動帶、優勢方向的層內錯動帶分別采用赤平極射投影法，以結構面與坡面的組合關系為依據，對邊坡進行整體穩定性分析。層間錯動帶C11、C9主要出露于坡比1∶0.3的坡段；C10呈熔結型，出露不明顯，不構成邊坡整體穩定的控制性結構面。C8、C7主要分布于邊坡垂直開挖段。因層間錯動帶產狀相似，近于平行，故只考慮單組與坡面的組合關系，以C7、C11為代表進行分析，赤平投影圖如圖2所示，結構面走向與邊坡走向近于正交，交角大于40°，較穩定。

圖2 C7、C11與邊坡（p）組合的赤平投影

層內錯動帶多未穿層，且對邊坡穩定起控制作用的錯動帶多未交匯，故不需要考慮層內錯動帶和層間錯動帶的組合及層內錯動帶之間的組合關系，僅考慮層內錯動帶單組優勢方向對邊坡的影響，其與邊坡的組合關系如圖3所示。Lc1、Lc2、Lc3與邊坡斜交，交角大于40°，玄武巖巖質堅硬，層面延伸長度有限，產狀平緩，不存在因結構面不利組合形成的滑動塊體，故3種組合關系a、b、c較穩定，邊坡整體處于穩定狀態。

圖3 層內錯動帶與邊坡的組合關系

2.2.2 局部穩定性分析

邊坡雖整體處于穩定狀態，但仍存在局部穩定問題。進水口大規模開挖造成邊坡巖體應力狀態急劇變化，邊坡表部應力釋放、降低，巖體向臨空面回彈，發生松弛、卸荷，淺表部形成松弛帶，在裂隙密集帶、錯動帶集中發育交匯區等較破碎，巖塊嵌合松弛，易發生掉塊、塌落；P2β7～P2β11各層上部的角礫熔巖中長大裂隙較發育，延伸長度多在5～10 m，間距大于1 m，走向多與邊坡小角度相交、傾角略小于坡腳，裂隙頂部為層間錯動帶、底部貫穿出坡面且埋深較淺，易發生滑動破壞；玄武巖內短小的隨機裂隙較發育，在坡面的裂隙不利組合形成了較多的小規模潛在不穩定塊體，易發生掉塊現象。P2β12層巖體中細長柱狀節理十分發育，受卸荷松動和緩傾角裂隙切割，易沿柱狀節理根部發生折斷進而發生掉塊、崩塌現象。

3 天然邊坡穩定性分析及危巖體形成機理

3.1 天然邊坡穩定性分析

610m平臺以上天然邊坡為P2β12、P2β13層致密玄武巖、角礫熔巖。邊坡巖體抗風化能力較強，卸荷作用明顯，巖體的卸荷作用主要表現為裂隙數量的增加和裂隙開度的增大，并沿主要的結構面卸荷松弛，兩岸谷坡強卸荷帶水平深度小于10 m，弱卸荷帶水平深度20～40 m。邊坡宏觀上以塊狀、次塊狀結構為主，局部鑲嵌～碎裂結構。主要結構面包括層間錯動帶C12、層內錯動帶、構造裂隙及廣泛發育于P2β12、P2β13層中下部玄武巖內的柱狀節理。層間錯動帶C12及層內錯動帶產狀普遍平緩，錯動強烈，延續性好，含屑角礫型、巖屑角礫型為主；裂隙多隨機發育，坡體表層分布有較多的順坡向卸荷裂隙。天然邊坡坡形完整，對邊坡穩定起控制作用的層間層內錯動帶產狀平緩，未發現較大的變形體，變形破壞跡象不明顯，天然邊坡整體穩定。

因天然邊坡處于強卸荷帶內，近順坡向的構造裂隙較發育，可與緩傾角的層內錯動帶、緩裂等形成結構面不利組合，在各種地質力的長期作用下表現為潛在不穩定塊體或危巖體，致使邊坡局部不穩定，對工程安全意義重大。

3.2 危巖體形成機理

危巖體是指位于陡坡或陡崖上由多組巖體結構面切割穩定性較差、易發生破壞的巖體。溪洛渡右岸進水口天然邊坡發育的危巖體、倒懸體對下方施工及電站永久運行存在較大的安全隱患。天然邊坡表層為強卸荷巖體，發育有較多的近順坡向卸荷裂隙，部分裂隙成為危巖體的主控結構面，為危巖體的形成創造了有利條件。通過現場勘查、分析，從受力破壞方面將進水口的危巖體分為三種：剪切破壞、拉張破壞及兩者的組合。

3.2.1 剪切破壞

以剪切破壞為主的危巖體一般形成于主控結構面走向、傾向與邊坡近于一致，傾角略小于坡角的陡坡地形。該類危巖體多以順坡向陡傾裂隙作為其主控結構面，一般從陡崖的腳部逐漸向陡崖頂部發育的，個別因緩傾角的層內錯動帶發育可形成倒懸體。主控結構面在日照、降雨、風等作用下其物理力學性質不斷變差，連通性不斷增大，且危巖體一般發育于坡體表層，部分結構面中充填粘土、次生泥，遇水易軟化，當危巖體達到臨界狀態時，在重力作用下受其他誘發因素影響（如降雨、爆破振動、地震等）將發生沿結構面的剪切、剪斷滑移、墜落，其破壞過程具有突發性。

P2β12層巖體內，層內錯動帶（Lc）較發育，多為緩傾角，局部與陡傾角裂隙構成的不利組合促成了倒懸體的發育（見圖4）。當層內錯動帶（Lc）或緩傾角長大裂隙貫穿于陡傾角裂隙（L）的中下部時，②區即為不穩定塊體。因層內錯動帶于自然邊坡表層主要多表現為巖屑角礫型、含屑角礫型，帶內物質松弛以巖屑、角礫為主，且位于②區的上部，將其與上部巖體的連接切斷，故②區的穩定僅受陡裂（L）的性狀控制。當陡傾角裂隙受各種地質作用、其性狀逐漸變差時其穩定性也將隨之降低，直至最后②區滑落、崩塌。由于②區已破壞，則①區即形成倒懸體。倒懸體下部臨空，失去支撐，在自身重力作用下，隨著陡裂的進一步發育、貫通或巖體受重力作用將被拉斷，隨即發生滑落、崩塌。

圖4 個別倒懸體形成示意

3.2.2 拉張破壞

以拉張破壞為主的危巖體一般形成于主控結構面走向、傾向與邊坡一致近于直立的陡坡地形。該類危巖體一般是由陡崖的頂部逐漸向陡崖的腳部發育的。主控結構面于陡崖的頂部多張開3～5 cm，部分可達10～30 cm，但未貫穿出坡外，且由于風、降雨等作用，裂面內張開部分的充填物一般多被沖走。該類危巖體的受力初期主要表現為在重力作用下，以主控結構面的下端部或其延長線上一點為虛擬支點（轉動軸），陡崖頂部裂面逐漸張開，繞支點轉動。在重力作用下，裂隙由頂部向底部逐漸向下劈裂；隨著裂面的不斷張開，危巖體自身的重心及虛擬支點（轉動軸）也向臨空方向和下部發生的位移，危巖體腳部主要為受壓區，內側表現為受拉區，當受壓區、受拉區達到臨界狀態或重心外移距離較大時，在誘發因素的影響下將發生傾倒破壞，其受力示意如圖5所示。

圖5 危巖體張拉破壞受力示意

4 邊坡支護措施

針對溪洛渡水電站進水口高邊坡的局部穩定問題，經多方研究后采取了相應的處理措施。對于開挖邊坡主要采取了以下措施：

（1）對整個開挖邊坡進行了系統的噴錨支護（掛網、噴混凝土、錨桿），并在關鍵部位進行了錨索加固；

（2）在裂隙密集帶，層內錯動集中帶發育區等巖體破碎的部位進行掛網并加強支護；

（3）對部分順坡向裂隙進行錨桿束鎖口處理。

對于天然邊坡主要采用（1）預應力錨桿方式對自然邊坡的強卸荷巖體進行整體加固處理；（2）有針對性的清除部分危巖體，并在天然邊坡中下部的緩坡地形設立柔性防護網。

5 結束語

對不同類型的地質問題以適宜的方式進行處理后，有效的改善了邊坡的穩定性，確保了工程在施工及運營期的安全。

［1］ 孫憲立.工程地質學［M］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

［2］ 江康明、彭胤宗.巖土工程［M］.武漢：武漢工業大學出版社，2001.

［3］ 黃潤秋.高邊坡穩定性的系統工程地質研究［M］.成都：成都科技大學出版社，1991 .

TV223

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1003－9805（2015）02－0035－04

2014－08－18

蘇 星（1983－），男，甘肅合水縣人，工程師，從事水電站工程地質勘察設計工作。