某水電站進水口邊坡變形機制及穩定性研究

張升鋒

(1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

某水電站進水口邊坡變形機制及穩定性研究

張升鋒1,2

(1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

為分析某水電站進水口邊坡變形機制及其穩定性，通過野外現場調查，結合邊坡變形跡象分析其變形破壞機制；采用極限平衡方法對自然邊坡和人工邊坡進行穩定性評價，進而分析可能存在的幾種滑面組合，結果表明，邊坡在自然狀態和地震狀態下穩定性較好。

邊坡；變形機制；穩定性

1 工程概況

進水口邊坡位于雅礱江上，河谷在2200m高程左右谷肩為“U”字形，谷肩以下呈“V”字形。邊坡坡體上覆崩坡積塊碎石，層厚約10m～20m；1700m以上基巖裸露，地層陡傾，洞線與巖層走向較小角度相交。河床坡降大，水流湍急，漫灘、心灘少見，水流流向近SN向(N5°～10°E)，其右岸為侵蝕岸，低階地缺失。該段河道順直，巖層走向與河流以40°～50°較大角度斜交。

2 工程地質條件

邊坡出露地層主要為三迭系下統T1綠片巖(T13灰綠色絹云母片巖夾灰白色層狀大理巖及T14灰綠色變質粉細砂巖夾白色條帶狀大理巖)，三迭系中統雜谷腦組T2z大理巖(T2z2白～淺灰色厚層角礫狀或條帶狀大理巖，T2z3深灰色中厚層狀變質細砂巖夾角礫狀大理巖，T2z4白～淺肉紅色巨厚層狀白云質大理巖)，新生界Q4(崩積(Q4col)塊碎石土、坡積(Q4dl)碎塊石土)。

邊坡北部存在背斜，軸線走向N45～50°E，邊坡所在位置斷裂構造較發育，主干斷裂為NE～NEE向的壓扭性右旋逆沖斷層，次要斷裂為NE～NEE向壓性逆斷層。主要發育三組節理裂隙：L1—N40°～80°或E/NW∠55°～85°裂隙、L2—N30°～60°W/SW∠30°～60°裂隙、L3—N30°～80°W/NE∠35°～88°裂隙。

進水口邊坡坡體陡峻，不利于地表水入滲，降雨多以地表徑流的方式迅速向雅礱江排泄。

2.1邊坡變形跡象

根據野外踏勘表明，邊坡主要變形破壞跡象有：在變質細砂巖中的臺階狀崩塌，如圖1所示。在邊坡突出部位(包括臨空面)的傾倒變形，如圖2所示。局部地段形成危巖體，主要發生在大理巖地層。

根據進水口邊坡的平硐調查發現，平硐淺表層斜坡巖體變形跡象不很明顯，主要表現為沿傾南西結構面的正錯剪脹特征，次變形跡象弱。

圖1 進水口邊坡臺階狀破壞地貌

圖2 進水口邊坡傾倒-拉裂破壞

2.2典型邊坡的變形破壞機制

進水口邊坡變形破壞主要受結構面組合控制，邊坡為切向坡，岸坡巖體以碎塊狀結構為主，主構造線及巖層走向與河流向呈40°～50°交角。岸坡主要發育三組裂隙，三組裂隙與坡面的組合關系赤平投影[1](上半球投影)，如圖3所示。

圖3 引水洞進水口邊坡優勢結構面與坡面的組合關系

由圖3可以看出巖體被層面、L2和L3切割成塊狀，以L2作為底滑面滑動，產生了滑移-拉裂破壞，在地表上呈現臺階狀破壞現象。L2傾角大于坡角，層陡傾順向坡該裂隙不能成為底滑面結合赤平投影分析及現場變形跡象表明，其變形破壞的機制主要有以下兩個方面：

(1) 滑移-拉裂型

該類變形破壞主要發生在三疊系下統(T14)的灰綠色變質粉細砂巖夾白色條帶狀大理巖地層中，從結構面組合分析上來看，受結構面分割的巖體沿中陡傾坡外的這組裂隙向臨空方向滑移，一側后緣張裂隙被拉開，與下伏滑移面貫通，塊體迅速滑落，堆于坡腳[2]。調查發現，邊坡的這類破壞呈臺階狀，主要是由于邊坡上部塊體的滑落對下部臨滑塊體的變形破壞起到了加載以及沖擊作用。

(2)彎曲-拉裂型變形(傾倒)

主要發生在斜坡前緣，主要發生在大理巖地層中。伴隨地殼迅速抬升，河谷下切作用加劇，邊坡卸荷回彈使得陡傾結構面拉裂、并產生新的表生結構面，在自重應力作用下被這些拉張裂縫分割的巖層發生彎曲變形，拉裂縫向深部發展，并向坡后推移，隨著變形的增加，下部折裂、壓碎，塊體發生傾倒。在大理巖地層中地下水沿裂縫的溶蝕作用，使得裂隙進一步擴展，風化作用加劇，局部發育溶蝕空洞，下部巖體呈架空狀，傾倒變形更加突出，最終導致崩塌。

3 邊坡穩定性評價

3.1計算模型

在對進水口邊坡平硐詳細調查的基礎上，選取Ⅲ勘探線剖面進行分析，根據結構面的空間組合關系，就最不利的可能滑動面及滑動組合模式來進行天然邊坡的穩定性計算。計算模型如圖4所示。

圖4 Ⅲ-Ⅲ`勘探線進水口邊坡穩定性計算模型圖

3.2計算參數

結合試驗所得參數及工程地區經驗，滑面參數取值：結構面粘聚力為0.2MPa，內摩擦角為35°。弱風化的粘聚力為0.2MPa，內摩擦角為30°，地層分界線粘聚力0.15kPa，內摩擦角為33°。

該區外圍有強烈現代活動斷裂和地震分布，但在工程區所在斷塊屬于整體抬升為主的相對穩定地區。工程區的地震基本烈度為7度。按7度考慮地震影響。

3.2天然邊坡穩定性評價

考慮到地下水位埋深很深，降雨時水主要以地表徑流方式排泄。本次以天然和地震為計算工況。

由于地表臺階狀破壞很發育，所以滑面的組合中的推測線根據地貌特征和走向，傾SW即傾坡外偏上游，傾角30°～60°的那組裂隙。結合野外調查和平硐資料收集，Ⅲ-Ⅲ`勘探線剖面的可能滑面組合有5種，如圖4所示。具體如下：

①地層分界線+推測線(根據地貌和裂隙)；

②地層分界線+弱風化底線+推測線；

③地層分界線+推測線(根據地貌和裂隙)；

④小斷層+推測線(根據地貌和裂隙)；

⑤小斷層+推測線(根據地貌和裂隙)。

用畢肖普法對各種組合進行各種工況下的穩定性計算，計算結果如表1所示。

計算結果表明，滑面組合中組合2的穩定系數最低是1.19，根據《DLT5337-2006水電水利邊坡工程地質勘察技術規程》[3]表明，在天然狀態可保持穩定。所以，邊坡在自然狀態和地震狀態下均能保持穩定，并有一定的安全度。

表1 Ⅲ-Ⅲ`勘探線右岸進水口邊坡穩定性計算成果表

3.3邊坡開挖穩定性評價

邊坡的開挖將破壞天然邊坡的完整性，對邊坡的整體穩定有影響。本節研究以Ⅲ剖面為基礎對開挖后的邊坡穩定性進行分析評價，計算方法采用極限平衡方法。

地質調查表明，開挖后對邊坡整體穩定性影響起控制作用的結構面主要傾向坡外的裂隙和巖層面。它們構成了極限平衡法計算中的各種滑移控制面。可能產生滑動的組合相比于天然邊坡，新增滑動組合6，主要發生在第四系與基巖的分界線。降雨時，水主要以地表徑流的方式排泄，本文采用天然和地震兩種計算工況。用畢肖普法對各種組合進行各種工況下的穩定性計算，計算結果如表2所示。

表2 Ⅲ-Ⅲ`勘探線進水口邊坡開挖后穩定性計算成果表

計算結果如表2所示，滑面組合中組合6為第四系崩坡積物，其穩定性數為1.12，在天然狀態下處于穩定狀態。組合2的穩定系數最低也有1.16，根據《DLT5337-2006水電水利邊坡工程地質勘察技術規程》[3]表明，在開挖狀態保持穩定。所以，邊坡在開挖狀態和地震狀態下均能保持穩定，并有一定的安全裕度。

4 結論

通過對該邊坡變形破壞跡象及變形機制的分析，對邊坡在天然工況和開挖工況下穩定性的研究，得出如下的幾點結論。

(1)邊坡變形破壞跡象主要有：在變質細砂巖中的臺階狀崩塌及在邊坡突出部位的傾倒變形。

(2)右岸進水口邊坡為典型的切向坡，邊坡變形破壞主要受結構面控制，邊坡巖體變形主要為滑移-拉裂變形以及斜坡前緣的彎曲—拉裂變形。

(3)根據邊坡的穩定性計算得出：邊坡在天然狀態下，各種不利滑動組合情況下，在自然狀態和地震狀態下均能保持穩定。

(4)根據邊坡的穩定性計算得出：邊坡在開挖狀態下，各種不利滑動組合情況下，在開挖狀態和地震狀態下均能保持穩定。

[1] 朱志澄，曾佐勛．構造地質學[M]．武漢：中國地質大學出版社，2008.

[2] 王運生，黃潤秋，王士天，等．陡傾坡內和垂直坡面走向張裂隙共生的成因機制及其工程效應[J]．地球科學進展，2004，19(S1)：391-394．

[3] DLT5337-2006 水電水利邊坡工程地質勘察技術規程[S]．北京：中國電力出版社，2006.

Thestudyofthestabilityandthedeformationmechanismoftheinletslopeinahydropowerstation

ZHANGShengfeng

(Fujian Academy of Building Research,Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou,350025)

According to analyze the deformation mechanism and stability of a hydropower station slope.based on the field site investigation,combined with the analysis of the deformation and failure mechanism of the slope.Using limit equilibrium method to analysis of the deformation failure mechanism of the slope,According to the analysis of several possible combinations of sliding surfaces.The results of the study indicated the stability of the slope in natural state and earthquake condition is good.

Slope; Deformation mechanism; Stability

TU4

A

1004-6135(2017)11-0037-03

張升鋒(1979.5- )，男，高級工程師。

E-mail:931675097@qq.com

2017-02-14