西藏扎拉水電站傾倒變形邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

扎拉水電站位于西藏境內(nèi)怒江左岸一級支流玉曲河上,采用混合式開發(fā)，主要任務(wù)是發(fā)電。主要建筑物由大壩、引水隧洞、電站廠房組成。混凝土重力壩最大壩高約67 m，引水發(fā)電隧洞線路長約5 km，地面廠房主電站利用最大水頭690.55 m，裝機(jī)容量1 000 MW，工程規(guī)模為Ⅱ等大(二)型[1]。工程區(qū)地處青藏高原東南部，高山峽谷地貌，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，卸荷和傾倒變形現(xiàn)象普遍發(fā)育，廠后邊坡穩(wěn)定性對電廠和引水發(fā)電隧洞調(diào)壓室位置的確定具有重要影響。

20世紀(jì)70～80年代，傾倒變形邊坡問題在世界范圍被逐漸重視起來，相關(guān)研究方法相繼提出，包括Goodman、Bay(1976)等提出的邊坡發(fā)生傾倒變形機(jī)理以及基于靜力平衡的穩(wěn)定性計(jì)算方法。目前，國內(nèi)對傾倒變形邊坡的研究還剛起步且不系統(tǒng)，對其形成機(jī)制、工程地質(zhì)特性的認(rèn)識還不統(tǒng)一，對其穩(wěn)定性評價(jià)還少有涉及。國內(nèi)其他一些設(shè)計(jì)院及科研單位主要針對逆向(反傾向)坡傾倒變形巖體進(jìn)行了初步研究[2-6]。關(guān)于巖體傾倒分區(qū)(分級)方面，多考慮變形強(qiáng)烈程度這一因素，缺少對傾倒巖體本身工程地質(zhì)特性的分析，未形成成熟的分區(qū)體系。由于傾倒變形邊坡的工程地質(zhì)條件及邊界條件很復(fù)雜，目前對其穩(wěn)定性評價(jià)多采用定性方法，可靠度欠缺；在定量方面，建立地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬過于繁瑣[7-9]，相關(guān)規(guī)范推薦的基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法適用條件局限，均不是傾倒變形邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的適宜方法，也不能滿足工程治理設(shè)計(jì)的需要。在扎拉水電站廠后傾倒邊坡專題研究過程中，采用綜合勘察手段查明了邊坡傾倒變形地質(zhì)特性，提出工程地質(zhì)分區(qū)新原則；結(jié)合物理模擬、數(shù)值計(jì)算、穩(wěn)定性和崩落計(jì)算等方法研究邊坡破壞模式，初步建立了傾倒變形邊坡穩(wěn)定性評價(jià)體系；設(shè)計(jì)人員根據(jù)地質(zhì)分析成果，將前期廠址進(jìn)行了調(diào)整，開創(chuàng)了我國在傾倒變形邊坡巖體中建設(shè)調(diào)壓室的先例。

1 地質(zhì)概況

廠址位于玉曲河右岸，玉曲河流向北北西，河床寬15～30 m，河底高程2 111～2 116 m。漫灘灘面高程2 124～2 128 m，高出河水面7～11 m，縱向長約250 m，兩端束窄，中部寬36 m左右。漫灘后為Ⅱ級階地，平臺寬70～170 m，高程2 150～2 166 m，高出河水面40～50 m。階地后緣與山體相接，山體邊坡坡頂高程2 965～3 115 m，坡腳高程2 165 m左右，坡高800～950 m，屬超高邊坡；坡面總體呈陡-緩-陡的地形，高程2 550 m以上坡角40°～70°，高程2 550～2 285 m地形稍緩，坡角25°～35°，高程2 285 m以下坡角35°～55°，局部為陡崖。

廠后山體邊坡除中部地形較緩處堆積有厚度較小的第四系崩坡積(Qcol+dl)碎塊石土覆蓋層外，大多基巖出露，基巖沿坡面自下而上由三疊系上統(tǒng)瓦浦組第三段(T3wp3)鈣質(zhì)板巖和三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段(T3wp4)結(jié)晶灰?guī)r、大理巖組成。其中T3wp3薄層狀鈣質(zhì)板巖分布于邊坡中、下部， T3wp4薄層狀結(jié)晶灰?guī)r、中厚層夾薄層狀大理巖分布于坡體上部，二者地形上呈陡緩接觸，接觸處高程2 534～2 695 m。

基巖呈單斜構(gòu)造，板理(層理)傾北東-南東東，傾角一般24°～50°，變化較大。邊坡坡面傾向南西，總體呈斜-逆向坡。小斷層亦多陡傾坡內(nèi)，或與坡面橫交。坡表由于風(fēng)化、卸荷和傾倒變形，裂隙較發(fā)育。據(jù)平洞、鉆孔揭露，強(qiáng)風(fēng)化帶水平深度17～104 m，其中風(fēng)化較深位置位于坡體中部鈣質(zhì)板巖分布區(qū)；坡體下部、上部地形較陡，風(fēng)化深度相對較淺，上部大理巖無強(qiáng)風(fēng)化帶，地表出露及平洞PD24(洞深119.7 m)揭示均為弱風(fēng)化巖體。

坡表未見地下水出露，勘探揭示有基巖裂隙水，水量較小，在坡腳平洞PD14洞深58，95 m處沿?cái)鄬拥叵滤跻娏髁糠謩e為200，10 L/min，洞口穩(wěn)定總流量約80 L/min左右。

2 傾倒變形巖體工程地質(zhì)分區(qū)及特征

廠后邊坡巖體普遍發(fā)生傾倒變形，根據(jù)邊坡上、中、下部3層平洞勘探揭露，坡腳一帶(平洞PD14、PD25)傾倒變形體水平深度為78.0～119.5 m，坡體中部(平洞PD15)傾倒變形體水平深度大于117 m，上部(平洞PD24)傾倒變形體水平深度186 m。傾倒巖體與正常巖體界面彎曲，為底彎面(帶)，底彎面上有裂紋，未完全折斷，屬傾倒彎曲型。按照發(fā)生傾倒變形的強(qiáng)烈程度，將傾倒變形巖體自坡外向內(nèi)分為極強(qiáng)、強(qiáng)、弱傾倒變形區(qū)(見圖1)，不同分區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞型式具明顯差異[10]。

(1) 極強(qiáng)傾倒變形區(qū)(C區(qū))，主要分布在邊坡下部(高程2 320 m以下)，水平深度10 m左右。散體結(jié)構(gòu)，部分呈碎裂結(jié)構(gòu)，一般不具有連續(xù)板理(層理)，巖塊間普遍具架空現(xiàn)象，或充填碎石、巖屑，多在重力作用下已發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、墜覆。卸荷裂隙極為發(fā)育，平均線密度10條/m，裂隙張開度一般1～3 cm，最寬達(dá)30 cm，多充填有黃色泥質(zhì)，陡傾角；板理面脫開，板理裂隙間距一般1～5 cm，裂隙張開度一般1～5 mm，多無充填，傾角總體近水平狀。極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體地震波速1 289～1 546 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)不起壓，具極強(qiáng)透水性。

(2) 強(qiáng)傾倒變形區(qū)(B區(qū))，分布于整個(gè)坡體，水平深度37.0～70.8 m。碎裂結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為層內(nèi)及層間拉張，板理(層理)基本連續(xù)，發(fā)育傾坡外的拉張裂隙，其中多充填碎石、巖屑或黏性土。裂隙按產(chǎn)狀可分為3組，優(yōu)勢產(chǎn)狀分別為N22°～33°W/SW∠24°～31°(橫坡向裂隙，間距一般20～50 cm)、N21°～35°W/NE∠29°～35°(板理裂隙，間距一般3～10 cm)、N39°～44°W/SW∠83°～88°(卸荷裂隙，板巖中平均線密度3條/m，結(jié)晶灰?guī)r中平均線密度5條/m)，其中NNW向中緩傾角結(jié)構(gòu)面較多。比較而言，下部板巖和上部結(jié)晶灰?guī)r中裂隙發(fā)育情況基本相同，但上部結(jié)晶灰?guī)r中陡傾裂隙在結(jié)構(gòu)面總數(shù)中所占比例較大，延伸長度和張開度也相對較大。

強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體地震波速2 098～3 224 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)多數(shù)不起壓，局部透水率31.7 Lu，具極強(qiáng)-強(qiáng)透水性，變形模量0.09 GPa，彈性模量0.31 GPa，抗剪斷強(qiáng)度摩擦系數(shù)f′=0.74～1.00，凝聚力C＇=0.22～0.40 MPa。

注：1.第四系崩坡積；2.第四系洪坡積；3.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第二層；4.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第一層；5.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第三段；6.碎塊石土；7.結(jié)晶灰?guī)r；8.大理巖；9.鈣質(zhì)板巖；10.地層界線；11.第四系與基巖界線；12.巖性界線；13.鉆孔及編號；14.平洞及編號；15.傾倒巖體分區(qū)代號及界線(A區(qū)為弱傾倒變形區(qū)，B區(qū)為強(qiáng)傾倒變形區(qū)，C區(qū)為極強(qiáng)傾倒變形區(qū))圖1 廠后傾倒變形邊坡工程地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of toppling slope behind power plant

(3) 弱傾倒變形區(qū)(A區(qū))，水平深度78～186 m。邊坡上部平洞PD24揭示：自洞口至洞深22 m范圍內(nèi)大理巖弱傾倒變形巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，發(fā)育多條張開裂隙，最大開度10 cm；洞深21，22 m處發(fā)育兩條夾碎石的陡傾斷層，帶寬0.3～0.5 m。基本保持原始巖體的層狀結(jié)構(gòu)，板理(層理)連續(xù)，傾坡外的拉張裂隙相對不發(fā)育，巖層以彎曲變形為主。

弱傾倒變形區(qū)巖體地震波速2 868～4 381 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)透水率23.7～40.4 Lu，具中等透水性，變形模量0.21 GPa，彈性模量0.77 GPa，抗剪斷強(qiáng)度摩擦系數(shù)f′=1.00～1.20，凝聚力C＇=0.56～1.11 MPa。弱傾倒變形區(qū)和正常巖體之間的底彎帶抗剪斷強(qiáng)度摩擦系數(shù)f′=0.51～1.74，凝聚力C＇=0.14～0.39 MPa。

圖2 廠后傾倒變形邊坡失穩(wěn)破壞模式Fig.2 Failure modes of toppling slope behind power plant

3 邊坡變形破壞模式分析

在廠后邊坡變形跡象調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用UDEC離散元數(shù)值軟件對其變形破壞過程進(jìn)行模擬[11]。模擬計(jì)算結(jié)果表明，廠后傾倒變形邊坡主要失穩(wěn)模式為拉裂-滑移-剪斷、傾倒崩塌及隨機(jī)塊體崩落(見圖2)，其中拉裂-滑移-剪斷可能產(chǎn)生較大的失穩(wěn)塊體，對電站廠房及附屬建筑物的安全運(yùn)營威脅最大，而傾倒崩塌、隨機(jī)塊體崩落多形成的為“小而多”的巖塊堆積體，對電廠威脅相對較小。

3.1 拉裂-滑移-剪斷

該失穩(wěn)模式主要發(fā)育于坡頂突出山梁部位[12]，也即邊坡T3wp3與T3wp4分界線以上大理巖、結(jié)晶灰?guī)r分布區(qū)。邊坡巖體在河谷下切的長期歷史過程中，由于卸荷回彈變形強(qiáng)烈而產(chǎn)生大量與坡表近平行的拉張性質(zhì)的卸荷裂隙，其優(yōu)勢產(chǎn)狀為N40°～45°W/SW∠74°～78°，陡傾坡外發(fā)育。當(dāng)變形量超過巖體變形極限，卸荷裂隙即張開，并在自重作用下逐漸貫通形成傾坡外滑動(dòng)面，上部巖體順滑面滑移，最終剪出，因失去支撐而滑塌。

3.2 傾倒崩塌

該失穩(wěn)模式主要發(fā)育在邊坡T3wp3與T3wp4分界線薄層結(jié)晶灰?guī)r分布區(qū)，以及分界線以下板巖分布區(qū)的淺表部。河谷下切創(chuàng)造了臨空面，邊坡發(fā)育的反傾坡內(nèi)薄層板巖及結(jié)晶灰?guī)r在自重及上部巖體重力作用下，向臨空方向發(fā)生傾倒彎曲變形，并在巖層上表面產(chǎn)生隨變形持續(xù)而不斷增加的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于該部位巖層抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層拉裂，出現(xiàn)短小的切層裂隙，陡傾坡外發(fā)育，巖體破碎崩落[13]。

3.3 隨機(jī)塊體崩落

該失穩(wěn)模式發(fā)生在T3wp3與T3wp4分界線以上結(jié)晶灰?guī)r、大理巖分布區(qū)，薄層結(jié)晶灰?guī)r及中厚層狀大理巖受卸荷作用影響，發(fā)育有優(yōu)勢產(chǎn)狀為N40°～45°W/SW∠74°～78°的陡傾坡外卸荷裂隙，裂隙發(fā)育密集，間距0.2～0.5 m，發(fā)育深度約0.2～1.5 m，無張開或微張開，與坡表優(yōu)勢產(chǎn)狀為N21°～28°W/NE∠16°～23°的層面共同切割巖體成松散塊體。由于造成此類失穩(wěn)模式的卸荷裂隙發(fā)育深度較淺，發(fā)育密集，或陡傾發(fā)育，地形上無剪出條件，最終以在風(fēng)化和卸荷作用下失穩(wěn)崩落的形式失穩(wěn)，在緩坡地帶形成“小而多”巖塊堆積[14]。

4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與評價(jià)

4.1 滑移穩(wěn)定性計(jì)算

在平洞內(nèi)對傾倒變形巖體底

彎面(帶)、主要結(jié)構(gòu)面(裂隙面、巖層面和板理面)、弱傾倒變形A區(qū)、強(qiáng)傾倒變形B區(qū)(極強(qiáng)傾倒變形C區(qū)為散體結(jié)構(gòu)，無法制樣，未對其進(jìn)行試驗(yàn))，分別進(jìn)行了現(xiàn)場抗剪(斷)、變形試驗(yàn)和地震波測試。以上述試驗(yàn)、測試成果為基礎(chǔ)，綜合考慮傾倒變形巖體及結(jié)構(gòu)面特征，提出邊坡穩(wěn)定計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)建議值(見表1)。

拉裂-滑移-剪斷模式規(guī)模較大，危害程度大，是分析研究的重點(diǎn)。滑移穩(wěn)定性計(jì)算采用基于極限平衡理論Geo-Studio軟件的Slope模塊，并通過Bishop法、M-P法、傳遞系數(shù)法等多種方法進(jìn)行校驗(yàn)。計(jì)算工況分別考慮了天然工況、短暫工況(暴雨)、偶然工況(地震，動(dòng)峰值加速度148gal)等3種。

圖3 廠后傾倒變形邊坡滑移破壞模式Fig.3 Sliding-failure modes of toppling slope behind power plant

基于傾倒變形邊坡地質(zhì)剖面和變形破壞數(shù)值模擬結(jié)果，擬定了6種滑移剪出模式(見圖3)：① 邊坡下部C區(qū)極強(qiáng)傾倒變形巖體沿C/B區(qū)界面滑塌；② 邊坡極強(qiáng)、強(qiáng)傾倒變形區(qū)(C區(qū)+ B區(qū))巖體沿A/B區(qū)界面滑移；③ 邊坡極強(qiáng)、強(qiáng)、弱傾倒變形區(qū)(C區(qū)+ B區(qū)+A區(qū))巖體沿底彎面滑移；④ 邊坡中上部強(qiáng)傾倒變形區(qū)(B區(qū))巖體在地形陡緩交界處剪出滑移；⑤ 邊坡下部極強(qiáng)傾倒變形巖體(C區(qū))、局部強(qiáng)傾倒變形巖體(B區(qū))沿B區(qū)內(nèi)部和C/B區(qū)組合界面滑移；⑥ 邊坡上部弱傾倒變形區(qū)(A區(qū))坡表張開裂隙發(fā)育巖體滑塌。

表1 廠后傾倒變形邊坡巖土參數(shù)建議值Tab.1 Geomechanical parameters of toppling slope

根據(jù)DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，廠后邊坡屬A類Ⅱ級邊坡，設(shè)計(jì)安全系數(shù)持久工況為1.25～1.15，短暫工況1.15～1.05，偶然工況1.05[15]。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明(見表2)：在天然工況下，各模式穩(wěn)定性系數(shù)1.397～1.784，大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，穩(wěn)定；在暴雨工況下，各模式穩(wěn)定性系數(shù)為1.186～1.440，相對于天然工況穩(wěn)定性系數(shù)有明顯降低，但仍大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，穩(wěn)定；在地震工況下，模式②、③、⑤穩(wěn)定性系數(shù)為1.207～1.287，大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)且安全儲備足夠，但模式①、④、⑥穩(wěn)定性系數(shù)為1.087～1.090，略大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，安全儲備稍顯不足。

4.2 巖塊崩落估算

傾倒崩塌、隨機(jī)塊體崩落形成的巖塊較小，但數(shù)量較多，對廠區(qū)建筑物和施工安全不利。以邊坡淺表部巖體失穩(wěn)崩落為研究對象，采用Rockfall軟件模擬估算塊體崩落后的影響范圍[16]。邊坡中部淺表層主要為第四系碎塊石土，法向阻尼系數(shù)取0.32，切向阻尼系數(shù)取0.85；其余部位均出露基巖，法向阻尼系數(shù)取0.35，切向阻尼系數(shù)取0.85。坡表還生長有少量灌木。

表2 廠后傾倒變形邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果Tab.2 Stability results of toppling slope behind power plant

根據(jù)模擬估算結(jié)果，巖塊從高處崩落之后順坡面運(yùn)動(dòng)，在邊坡高程2 700 m及2 350 m陡緩交界處出現(xiàn)了跳躍，跳躍幅度不大，最大跳躍高度為19 m。巖塊崩落運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后，最終落點(diǎn)主要分布在水平距離1 220～1 270 m、高程2 160～2 175 m的范圍。廠址位于水平距離1 220～1 400 m、高程2 120～2 165 m的玉曲河漫灘和階地，因此邊坡上崩塌后的部分巖塊會滾動(dòng)到達(dá)廠區(qū)。

4.3 穩(wěn)定性評價(jià)及處理意見

廠后傾倒變形邊坡為傾倒彎曲型，在天然和暴雨工況下，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在地震工況下，邊坡下部極強(qiáng)傾倒變形區(qū)(C區(qū))巖體、中上部強(qiáng)傾倒變形區(qū)(B區(qū))巖體和上部弱傾倒變形區(qū)(A區(qū))坡表張開，裂隙發(fā)育，巖體安全儲備稍顯不足。這些區(qū)段巖體風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)破碎，在地震作用下可能會發(fā)生局部塊體崩塌。根據(jù)巖塊崩落模擬計(jì)算成果，崩塌滾落的巖塊可能運(yùn)動(dòng)至廠房位置，建議采取攔擋措施，以應(yīng)對安全儲備稍顯不足的區(qū)段巖塊崩落的不利影響，確保廠房安全運(yùn)行。

5 結(jié) 語

扎拉水電站工程區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，廠后超高邊坡地形陡峻，板巖、大理巖、變質(zhì)流紋斑巖基巖種類多，巖性軟弱相間，普遍發(fā)生傾倒變形，對廠區(qū)樞紐選址和建筑物布置方案影響很大。在前期各設(shè)計(jì)階段，勘察單位聯(lián)合相關(guān)科研單位、高等院校，對傾倒變形邊坡進(jìn)行了專題研究，創(chuàng)新地提出根據(jù)傾倒變形程度進(jìn)行邊坡巖體內(nèi)部工程地質(zhì)分區(qū)原則，采用數(shù)值法計(jì)算模擬邊坡變形破壞模式，對各分區(qū)各種破壞模式采用基于極限平衡理論的多種方法進(jìn)行計(jì)算、校核，以提高穩(wěn)定性評價(jià)的可靠性、準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)專業(yè)根據(jù)地質(zhì)分析成果，將廠址向玉曲河方向移動(dòng)了約50m，既可避免施工開挖擾動(dòng)傾倒變形邊坡，也可最大程度地降低邊坡上巖塊崩落危害。同時(shí)，將引水隧洞調(diào)壓室置于弱傾倒變形區(qū)(A區(qū))和正常巖體內(nèi)，開創(chuàng)了我國在傾倒變形邊坡巖體中建設(shè)調(diào)壓室的先例。

國內(nèi)對傾倒變形邊坡的研究還剛起步，對其工程地質(zhì)特性的認(rèn)識還較淺顯，對其穩(wěn)定性評價(jià)還少有涉及，對其危害性尚未引起相當(dāng)重視，扎拉水電站廠后傾倒變形邊坡的研究成果可作為類似工程的有益借鑒。目前，扎拉水電站可行性研究報(bào)告已通過審查，成為西藏自治區(qū)境內(nèi)首個(gè)具有開工條件的百萬裝機(jī)容量的水電工程，它的興建一定會為我國西南“三江”流域水電能源接續(xù)基地建設(shè)作出新的貢獻(xiàn)。