花石崖2#撓曲的穩(wěn)定性分析與治理

趙 雄， 朱 信 波， 趙 穎

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010；2.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074； 3.四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙水電站花石崖2#撓曲體從壩址右岸壩肩穿過，對樞紐建筑物安全影響大。撓曲體邊坡有別于一般的巖體邊坡，其在形成過程中受到強烈的地質構造運動作用，后期河谷下切及卸荷改造作用使撓曲體邊坡的地質結構、巖體力學參數(shù)、變形機制與變形特點、失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性評價方法等方面都具有獨特的特點與個性化特點。花石崖2#撓曲歷史上發(fā)生過順層滑塌，金沙水電站工程建設期在其下部施工，改善了其賦存條件，撓曲前緣坡角將形成陡坡，局部坡腳將臨空；同時，施工爆破震動、降雨等因素造成撓曲段巖體卸荷變形加劇，撓曲段邊坡穩(wěn)定性將進一步降低，對整個邊坡的穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響。由于該邊坡的穩(wěn)定性直接關系到金沙水電站明渠邊坡開挖的施工安全以及明渠與大壩永久運行安全，鑒于此，筆者對花石崖2#撓曲的穩(wěn)定性進行了研究分析，并根據(jù)分析結果合理制定出具體的治理措施。

2 花石崖2#撓曲的基本特征

2.1 地質環(huán)境背景

花石崖2#撓曲分布區(qū)所在的金沙水電站工程區(qū)屬中山峽谷地貌，河谷呈不對稱“V”型。花石崖2#撓曲從壩址右岸山坡高程1 150～1 200 m穿過，上游尖滅，下游向冷軋廠南側山坡上部延伸。撓曲高30～70 m，深30～55 m，地表可見長度大于600 m。所在部位基巖為三疊系上統(tǒng)大蕎地組中段地層。撓曲內基巖傾坡外，傾角為43°～56°，與邊坡走向交角為25°～35°。巖體完整性較好，表部巖體曾發(fā)生順層滑塌現(xiàn)象(圖1)。

圖1 花石崖2#撓曲示意圖

2.2 花石崖2#撓曲的幾何分析與分段

根據(jù)撓曲深度、卸荷變形情況及其對邊坡穩(wěn)定的影響等不同，該撓曲大致可分為上、中、下三段(圖1)，其中以撓曲中段邊坡穩(wěn)定條件最差，位置最為重要，此次分析主要以撓曲中段為主。

撓曲中段(壩軸線上、下游60 m段)長120 m，位于壩肩正上方，所在坡面總體較平整。沿邊坡走向看，中間地形隆起，上下游地勢略低且分布沖溝。撓曲坡面被堆積物覆蓋。

據(jù)地質測繪和勘探平硐、鉆孔揭露，撓曲高50～72 m，深度達40～55 m。撓曲內巖層傾向坡外，傾角為30°～50°；巖體完整性較好，呈中厚～厚層狀結構；斷層不發(fā)育，平硐硐深11 m處發(fā)現(xiàn)1條層間剪切帶，巖屑夾泥型；裂隙不甚發(fā)育；淺表部巖體卸荷強烈，平硐揭露強卸荷水平深度達20 m。

該段撓曲邊坡穩(wěn)定條件最差，邊坡為順向坡，強卸荷水平深度達20 m，在其下方牛筋樹堆積體清挖、施工爆破、降雨等因素影響下，不僅易產(chǎn)生表部順層塌滑，而且撓曲內的巖體卸荷變形會進一步加劇，故需進行加強處理。平硐硐深20 m以里未發(fā)現(xiàn)傾坡外的層間剪切帶、緩傾角斷層等不利于邊坡穩(wěn)定的結構面，不具備發(fā)生深層順層塌滑或大規(guī)模失穩(wěn)的地質條件。

3 花石崖2#撓曲體的成因及穩(wěn)定性宏觀分析

3.1 花石崖2#撓曲體的成因分析

撓曲的形成方式與其形成環(huán)境(受力狀態(tài)、外界條件)和巖層的變形行為密切相關。該撓曲體內的巖層橫斷面呈“Z”形彎曲，從內部巖層看，仍保留原層序，巖體完整程度較兩側圍巖差別不大，完整性較好，與兩側正常巖層呈過渡關系，未發(fā)現(xiàn)大的斷層和層間剪切帶等構造現(xiàn)象。

從撓曲中巖層的變形行為看，巖石多呈軟硬相間，韌性差比較顯著；但撓曲內部各巖層層序未改變，各巖層間沒有明顯、不協(xié)調的突變現(xiàn)象，各軟硬巖層層厚在各部位基本保持一致，巖層的力學性質并未積極控制褶皺的發(fā)育。

從花石崖2#撓曲形成的地質環(huán)境背景看，上三疊系以來，撓曲周邊以北西向水平擠壓作用為主；撓曲孕育于三疊系上統(tǒng)大喬地組中段的砂巖、灰?guī)r及泥頁巖之中，在受到順層擠壓力的作用下發(fā)生縱彎褶皺作用，硬巖厚度大于泥頁巖高韌性層，且泥頁巖厚度較小，縱彎褶皺以彎滑褶皺為主，局部具有彎流褶皺的特征。由于能干性比大，層厚比低，多層巖層在定向水平壓力的作用下逐漸向尖棱褶皺～膝折褶皺形態(tài)演化，進而形成花石崖2#撓曲。

3.2 花石崖2#撓曲體的穩(wěn)定性宏觀分析

花石崖2#撓曲從右岸較高處通過，巖層傾向坡外，沿線表部巖體曾發(fā)生過順層塌滑，勘察過程中未發(fā)現(xiàn)開裂、沉降等變形跡象，邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。

2#撓曲及上、下邊坡坡面較規(guī)則平整，沒有較大的陡崖等分布，平硐60 m深度內規(guī)模較大、性狀差、傾坡外的中緩傾角斷層、層間剪切帶等不利結構面不發(fā)育，巖層層序清楚，巖體完整性較好，撓曲上、下邊坡為橫向坡，邊坡整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生深層次順層滑動或大規(guī)模失穩(wěn)的可能性不大。

因撓曲內巖層傾坡外且為中傾角，表部有強卸荷現(xiàn)象，故其邊坡表部穩(wěn)定性較差，易在下方牛筋樹堆積體挖除、降雨等因素影響下產(chǎn)生表層順層塌滑或變形失穩(wěn)。

總體來看，撓曲帶來的問題實際上是高位順向坡局部穩(wěn)定問題，其整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生深層次順層滑動或大規(guī)模失穩(wěn)的可能性不大，但局部穩(wěn)定問題較突出，主要表現(xiàn)為因前緣有臨空、發(fā)育緩傾角斷層、表部卸荷作用較強烈而引起前緣臨空的表部巖層塌滑、表部巖體蠕動變形、不利結構面形成的塊體滑動三種破壞模式，對邊坡的穩(wěn)定不利。

4 穩(wěn)定性計算與分析

4.1 花石崖2#撓曲體穩(wěn)定性計算工況與力學模型

自重、地下水、降雨、工程開挖、地震等通常是邊坡穩(wěn)定分析所涉及到的主要荷載。據(jù)金沙水電站地下水位觀測資料，其右岸地下水位很低，故計算分析時不考慮地下水的影響。攀枝花市每年6～9月為雨季，降雨量占全年的88%以上。研究模型區(qū)域因降雨產(chǎn)生的地表水多由坡面向沖溝匯集后排入金沙江，筆者在綜合考慮2#撓曲邊坡區(qū)域的地形地質情況和降雨歷時及地表蒸發(fā)情況后認為，雨水難以入滲到巖體深部區(qū)域，降雨作用的影響主要是增加地表第四系松散堆積物及表層裂隙巖石的含水量(容重)。工程區(qū)5 km范圍內地震活動微弱，歷史上未發(fā)生過5級以上的破壞性地震，故本研究僅在驗算花石崖2#撓曲邊坡加固后的長效安全性時方考慮地震荷載。

為滿足花石崖2#撓曲邊坡安全性評估及工程加固方案優(yōu)化的需要，本研究計算分析了邊坡在開挖前、堆積體和明渠開挖、加固后等四種工況(表1)。

表1 計算分析工況及主要荷載表

根據(jù)撓曲的形成機理，撓曲在形成過程中受擠壓作用形成兩個軸面，其上軸面為邊坡的滑移剪出破壞提供了后緣裂隙面，巖層的層面為底滑面，前緣牛筋樹堆積體開挖后形成臨空面，從而構成了順層失穩(wěn)的邊界條件，研究選1-1剖面(壩軸線)作為代表性剖面(圖2)。

圖2 花石崖2#撓曲1-1地質剖面圖

4.2 巖體力學參數(shù)取值

花石崖2#撓曲中段巖性以粉砂巖為主。巖體力學參數(shù)研究采用工程巖體分類法、數(shù)值分析與物理試驗等多種方法進行比較選擇。最終確定計算所采用的巖體力學參數(shù)見表2。

4.3 花石崖2#撓曲體的變形特點與變形規(guī)律

通過三維非線性有限元計算得知，自重荷載作用下可得花石崖2#撓曲邊坡總的變形方向沿坡面向下，略微斜向上游，最大變形值發(fā)生在牛筋樹堆積體區(qū)域。

在考慮開挖荷載作用時，覆蓋層和明渠開挖后開挖引起的水平向位移朝向坡外，說明工程開挖總體上不利于2#撓曲邊坡的穩(wěn)定。但各方向位移增量均較小，說明開挖對花石崖2#撓曲變形影響不大。

4.4 花石崖2#撓曲體穩(wěn)定性計算分析

根據(jù)失穩(wěn)模式分析得到花石崖2#撓曲體邊坡可能的破壞模式為前緣臨空的表部淺層滑移、深層蠕動變形、不利結構面形成的塊體滑動三種破壞模式。本研究主要分析表部淺層滑移和不利結構面形成的塊體滑動兩種失穩(wěn)模式，其中表部淺層滑移失穩(wěn)為整體穩(wěn)定，不利結構面形成的塊體滑動為局部穩(wěn)定。

(1)整體穩(wěn)定性分析。

采用有限元強度折減法及剩余推力法計算得出的花石崖2#撓曲體中段坡體整體穩(wěn)定性分析計算結果見表3。計算所得的安全系數(shù)在開挖后均不能滿足規(guī)范要求。

表3 花石崖2#撓曲體坡體整體穩(wěn)定性安全系數(shù)統(tǒng)計表

(2)局部穩(wěn)定性分析。

根據(jù)對花石崖2#撓曲體中段邊坡破壞模式進行分析計算得知：在優(yōu)勢結構面所組成的可能失穩(wěn)模式中，有五種組合方式可能存在楔形體滑動，依據(jù)楔形體滑動計算模型的計算分析，得到五種楔形體組合下的安全系數(shù)(表4)。計算所得的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 楔形體滑動模式下?lián)锨吰路€(wěn)定性計算結果表

5 加固治理措施研究

依據(jù)花石崖2#撓曲體邊坡穩(wěn)定計算分析與加固治理效果的計算研究結論、撓曲體的空間分布及其與樞紐建筑物的相互關系，撓曲體中段穩(wěn)

定性相對稍差且位于壩軸線正上方，位置重要，一旦發(fā)生滑塌失穩(wěn)對工程影響嚴重，而撓曲體的上、下段穩(wěn)定性稍好且遠離樞紐建筑物。因此，確定2#撓曲體邊坡的治理原則為“重點加固中段，適當加固上下段”的分區(qū)加固原則。根據(jù)該原則并考慮其他因素，最終確定2#撓曲體邊坡綜合治理措施為：整體淺層支護、中段深層加固、邊坡支擋防護、邊坡排水等。

根據(jù)上述加固原則及治理措施，花石崖2#撓曲最終采取的具體治理措施為：為防止施工過程中花石崖2#撓曲以上邊坡零星碎塊石崩落，處理前應在其上方布置被動柔性防護網(wǎng)，然后對花石崖2#撓曲范圍內的牛筋樹堆積體覆蓋層進行挖除；對出露的坡面或斷層清理干凈，采用掛網(wǎng)噴混凝土并布置系統(tǒng)錨桿支護；在2#撓曲體中段邊坡整體系統(tǒng)錨桿支護的基礎上，增設系統(tǒng)錨索深層加固；坡面設系統(tǒng)排水孔。

6 結 語

筆者以金沙水電站右岸邊坡花石崖2#撓曲體為研究對象，通過穩(wěn)定性計算及分析，制定并采取了相應的加固治理措施。經(jīng)驗算，加固后的邊坡穩(wěn)定性滿足安全要求，邊坡由不穩(wěn)定狀態(tài)或極限狀態(tài)轉變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，說明治理方案有效。

花石崖2#撓曲邊坡自2015年12月治理工程施工完成至今，通過觀測，邊坡未出現(xiàn)不利變形、破壞，保證了下部施工的安全及明渠與大壩永久運行安全。

參考文獻：

[1] 水利水電工程邊坡設計規(guī)范，SL386-2007[S].

[2] 工程巖體分級標準，GBT50218-2014[S].