長河壩水電站湯壩土料場邊坡變形機制研究

曹建平，劉永波，凡 亞

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站湯壩土料場邊坡變形機制研究

曹建平，劉永波，凡 亞

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

長河壩水電站湯壩土料場開采邊坡為土質邊坡，在料場開采過程中發生了大規模變形。為確保邊坡綜合治理及施工期安全防護工作的順利進行，在綜合分析邊坡土體物理力學特征及現場監測數據的基礎上，對邊坡變形過程及變形機制進行了研究。

邊坡；變形機制；牽引式變形；推移式變形；長河壩水電站

1 工程概況

湯壩土料場是長河壩水電站礫石土心墻防滲料的主料場，需開采430萬m3(壓實方)的防滲土料，開采面積約72萬m2，開采范圍內高差大于400 m，設計開采坡比1∶1，10 m坡高留1級馬道。實際開采臨時坡比1∶0.5～1∶1，坡高15～30 m留有馬道。完工后，形成高度大于400 m、綜合坡比陡于1∶1的土質邊坡。 因開挖邊坡高度較大，坡度較陡，且未及時采取有效的支護措施，加之受下部持續切腳開挖的影響，邊坡形成約半年后，發生了大規模的蠕滑變形破壞，危及其下方施工人員、設備甚至對岸居民和小電站廠房的安全。為對其采取適宜的處理方案，有必要對湯壩土料場邊坡變形過程和變形機制進行分析和研究。

2 基本地質條件

2.1 地形地貌

湯壩土料場范圍內天然地形坡度一般20°～30°，局部10°～15°及35°～40°，坡面植被發育。料場后邊坡總體為一斗狀地形，前緣2 200～2 450 m高程地形坡度為27°～35°，2 450 m高程以上坡度較陡，為40°～55°，局部形成平臺地形。開采過程中，臨時邊坡坡度達45°～65°。料場地形地貌見圖1。

圖1 料場地形地貌

2.2 地層巖性

圖2 淺表部全強風化基巖

2.3 水文地質條件

料場范圍內無穩定的地下水位，地下水主要以第四系覆蓋層孔隙潛水及局部上層滯水[2]、下部基巖裂隙水的形式存在，主要受降雨及冰雪融化補給。因上層滯水及滑帶阻水，坡面局部有滲水點。

表1 覆蓋層物理力學指標建議值

土層天然密度ρ/g·cm-3飽和密度ρsat/g·cm-3干密度ρd/g·cm-3允許承載力[R]/MPa變形模量E0/MPa天然抗剪強度飽和抗剪強度?/(°)c/kPa?/(°)c/kPa冰水堆積碎礫石土200～210214～226180～192025～03020～2526～2835～4525～2730～40冰磧堆積碎礫石土208～212225～235192～200030～03525～3029～3140～5028～3035～45

2.4 土體物理力學特佂

冰水堆積土土體結構松散～稍密，厚20～40 m，顆粒相對較細，后緣土體略粗。天然干密度為1.88～1.98 g/cm3，平均1.93 g/cm3；天然含水率為3.2%～9.4%，平均6.4%。天然固結狀態：凝聚力c為35～50 kPa，平均43 kPa；內摩擦角φ為25.6°～28.4°，平均26.9°。飽和固結狀態：凝聚力c為10～60 kPa，平均38 kPa；內摩擦角φ為24.2°～27.5°，平均25.5°。與天然固結狀態相比，飽和固結狀態內摩擦角φ降低約0.9°～1.9°。

后緣冰磧堆積土土體厚度一般10～15 m，顆粒偏粗，結構較密實，力學性能較好。天然干密度為1.88～2.03 g/cm3，平均1.99 g/cm3；天然含水率為1.7%～9.6%，平均3.3%。天然固結狀態：凝聚力c為62 kPa，內摩擦角φ為26.1°。飽和固結狀態：凝聚力c為35 kPa，內摩擦角φ為24.6°。與天然固結狀態相比，飽和固結狀態內摩擦角φ降低約1.5°。

根據開挖揭示、專家咨詢意見、參數反演、工程地質類比以及室內力學試驗成果等綜合分析，提出了坡體覆蓋層力學參數建議值(見表1)。

3 變形發展過程及特征

3.1 變形發展過程

湯壩土料場后緣開口邊坡形成于2013年9月前后，開挖坡比1∶0.5，無支護措施。 2014年2月24日，邊坡后緣及側向均出現裂縫(見圖3)。坡腳截水溝拉裂且向臨空面偏移(見圖4)。變形區域前緣分布高程約2 235 m，后緣分布最大高程為2 267 m。

圖3 開口線附近開裂

圖4 截水溝底部拉裂及偏移

2014年3月上旬，后緣裂縫變形加大，前緣2 210 m高程出現裂縫并逐漸形成剪出口；2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出現新的剪出口；2014年3月中旬，裂縫繼續延伸發展，寬度一般10～40 cm(見圖4)；深度一般80～150 cm，最深可達290 cm(見圖5)。兩側出現明顯錯臺現象，錯臺高度一般10～40 cm，分布最大高程達2 381 m。裂縫基本連通，形成一弧形裂縫，滑坡周界基本形成。

圖5 最寬裂縫

圖6 最深裂縫

2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出現新的剪出口，擦痕清晰可見，局部可見階步，延伸長約25 m，至此已形成多級剪出口。前緣2 210 m高程剪出口向臨空方向最大位移達20 cm，擦痕明顯。剪出口見圖6。至4月，變形體周界裂縫及內部裂縫不斷發展、增多，前期形成的羽狀裂縫已錯斷，前緣伴隨有土體鼓脹、隆起、裂縫貫通、剪出口及變形體外移、縱向縫迅速增多等變形現象，邊坡處于蠕滑變形階段，發展為蠕滑變形體。 蠕滑變形體典型縱斷面見圖7。

圖7 剪出口

圖8 蠕滑變形體典型縱斷面

3.2 變形特征

(1)自低高程向高高程發展。裂縫開始出現在邊坡開口線附近2 235～2 267 m高程，坡腳2 235 m高程處截水溝底板出現塌陷、外移。隨著變形的不斷發展，在開口線上部2 381 m高程出現裂縫，且展布范圍擴大，裂縫呈圓弧狀。

(2)先出現拉張裂縫，后出現剪出口。伴隨后緣裂縫寬度及深度的不斷加大，變形體臨空面位移顯著增大，邊坡坡面出現鼓脹現象，在開挖形成的多級馬道外緣出現裂縫和塌陷現象，馬道內側坡腳出現多級剪出口，剪出口剪出距離最大大于20 cm。

(3)變形速率與降雨、下部切腳施工密切關聯。監測數據表明，汛期觀測點的變形速率一般50～80 mm/d，最大達120 mm/d；汛后為10.5 ～14.9 mm/d，變形速率明顯放緩。下方持續切腳開挖后，變形量也會陡增。

(4)變形量與邊坡坡高、坡比有關。雨季地表水沿裂縫滲入土體，降低了土體的力學性能，增大了土體自重，并有潤滑作用，從而加劇了土體的變形。綜合監測數據和施工現場測量數據發現，開挖坡比越陡，開挖邊坡高度越高，變形量及變形規模就越大。現場調查發現，坡高大于15 m、坡比陡于1∶0.75的邊坡，往往在坡頂外側出現平行于坡面的裂縫，局部有坍塌。

4 變形機制

邊坡開挖后，坡體內土體原受力平衡被打破，土體在重力作用下向臨空方向蠕動，隨著邊坡土體強度的降低，最終因抗壓強度小于剪切應力而發生變形[3]，其后緣處于拉應力狀態。當拉應力超過后緣坡體的抗拉強度時，便產生裂縫。裂縫多為平行于坡面的橫向縫，表現為拉張裂縫。湯壩土料場開挖邊坡變形始于開口線附近，在邊坡形成近半年后才發生，即該邊坡土體在自重作用下，蠕變不斷增加，最終打破了土體受力平衡，頂部產生了拉張裂縫，屬于典型的牽引式變形[4]。

隨著上部土體蠕變不斷加大，后緣張拉裂縫向坡面深部持續發展，變形體兩側出現縱向裂縫，分布有羽狀、雁式排列裂縫。坡面土體向臨空方向發生剪切破壞，出現剪出口。從湯壩土料場邊坡變形過程和特征分析，出現剪出口的部位屬于典型的推動式變形[5]。

綜上所述，湯壩土料場開口線附近及開口線上部出現的拉張裂縫屬牽引式變形，即變形初期以牽引式變形為主。下部出現剪出口即為推動式變形。與此同時，后緣裂縫仍在不斷發展，即變形體同時存在牽引式和推動式變形。

5 結 語

本文對長河壩水電站湯壩土料場邊坡變形過程及機制進行了分析和探討，得出以下結論：

(1)開挖邊坡變形區域自低高程向高高程延展，先出現拉張裂縫，后出現剪出口，裂縫先期以平行坡面的橫向縫為主，后期逐步產生羽狀、雁式排列的縱向縫，且前緣出現剪出口，坡面有鼓脹。該邊坡初期變形以牽引式變形為主，后期發展為前緣推動式變形，并伴后緣牽引式變形。

(2)后緣出現的張拉裂縫為地表水入滲提供了通道[6]。地表水滲入土體，降低了土體力學性能，增大了土體自重，并起到了潤滑作用，勢必加劇了邊坡的變形速度。應對后緣裂縫采取適宜的封閉措施。

[1]彭土標， 袁建新， 王惠明， 等. 水力發電工程地質手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2011．

[2]常士驃， 張蘇民. 工程地質手冊[M]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2007．

[3]黃潤秋. 20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J]. 巖石力學與工程學報， 2007， 26(3)： 433- 454．

[4]吳瑋江， 王念秦. 黃土滑坡的基本類型與活動特征[J]. 中國地質災害與防治學報， 2002， 13(2)： 36- 40．

[5]徐邦棟， 王恭先. 幾類滑坡的發生機理[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 1986．

[6]張倬元， 劉漢超. 黃河龍羊峽水電站重大工程地質問題研究[M]. 成都： 成都科技大學出版社， 1990．

(責任編輯 楊 健)

Study on Slope Deformation Mechanism of Tangba Soil Yard in Changheba Hydropower Station

CAO Jianping, LIU Yongbo, FANG Ya

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The excavation slope of Tangba soil yard in Changheba Hydropower Station is a soil type, which appears serious deformation during excavation period. In order to ensure the smooth progress of slope comprehensive treatment and construction security, the deformation process and mechanism of slope are studied based on the comprehensive analyses on soil physical and mechanical characteristics and on-site monitoring data．

slope; deformation mechanism; retrogressive deformation; slumping deformation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

曹建平(1977—)，男，云南曲靖人，高級工程師，主要從事工程地質勘察設計工作．

TU413.62(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0042- 04