地質(zhì)構(gòu)造控制邊坡平面旋扭式滑移特征及對(duì)策
——以高陂水利樞紐尾水渠右岸邊坡為例

劉震濤， 邵 鵬， 尚彥軍*

(1.廣東省梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設(shè)管理處, 梅州 514011； 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京100029；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

尾水渠邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)水利樞紐工程的施工進(jìn)度及樞紐的調(diào)度和運(yùn)行安全，歷來(lái)受到重視[1-3]。如果滑坡邊界受地質(zhì)構(gòu)造控制而呈側(cè)緣明顯差異運(yùn)動(dòng)特征，即側(cè)旋剪切滑移，與一般圈椅狀傾向直線式滑坡就有很大不同，給邊坡變形破壞模式識(shí)別和穩(wěn)定性判斷帶來(lái)困難[4-6]。大規(guī)模工程開(kāi)挖活動(dòng)可誘發(fā)古滑坡復(fù)活，給工程安全施工帶來(lái)挑戰(zhàn)[7-8]。中國(guó)華南地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼發(fā)育厚度大，在強(qiáng)降水及人類(lèi)工程活動(dòng)影響下滑坡數(shù)量多而頻繁[9-10]。新近研究發(fā)現(xiàn)梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程右岸邊坡為花崗巖風(fēng)化土中此類(lèi)典型案例。本文對(duì)其分析研究結(jié)果、采用的針對(duì)性工程措施及施工精細(xì)化組織進(jìn)行介紹。其成功經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程參考。

韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省大埔縣境內(nèi)韓江中游，壩址在大埔縣城西南約55 km，下游距高陂鎮(zhèn)約5 km。區(qū)內(nèi)交通方便，有省道S222經(jīng)過(guò)壩址區(qū)右岸(梅州—壩址約80 km)，左岸有縣道X072公路通過(guò)。壩頂長(zhǎng)698.5 m，最大壩高50 m。采用重力閘壩(19孔，孔寬14 m)，河床式廠房。壩址以上控制流域面積26 590 km2，水庫(kù)正常蓄水位38.0 m，總庫(kù)容3.656×108m3，防洪庫(kù)容2.673×108m3。工程為Ⅱ等大(2)型工程，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用的大型水利樞紐工程，為韓江下游及其三角洲防洪關(guān)鍵性控制工程[11-12]。

壩線樞紐從左至右依次為左岸連接重力壩、船閘、擋水閘壩、魚(yú)道、廠房、右岸連接重力壩，并布置相關(guān)上壩公路、進(jìn)場(chǎng)公路，分期導(dǎo)流圍堰等。右岸上壩道路YSK0+120～YSK0+260段道路以上為永久邊坡，道路以下邊坡為廠房尾水渠擋墻基礎(chǔ)開(kāi)挖臨時(shí)邊坡。該邊坡先后經(jīng)歷了古滑坡(地質(zhì)歷史)、公路邊坡(2017年1月—2019年2月)、滑坡(2019年2月24日—4月底)、工程邊坡(2019年5—7月)等自然-人類(lèi)工程活動(dòng)作用下形態(tài)結(jié)構(gòu)的自然演化和工程轉(zhuǎn)化。

1 右岸工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

壩軸線右岸位于下崗村中部，壩線走向北東67°，左岸和右岸山頂高程分別為360 m和 150 m，兩岸坡角25°～35°。壩線剖面河谷地形呈平寬“U”形，左岸階地寬約60 m，右岸階地寬約120 m，階地面高程約34 m，河床寬約400 m。

1.2 地層巖性

圖1 壩址區(qū)右岸邊坡工程地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.1 Engineering geological map of the right slope bank (modified by ref.[11])

右岸山體邊坡開(kāi)挖后地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖性變化較為復(fù)雜，不同程度風(fēng)化的花崗巖為主存在糜棱狀、片狀變質(zhì)構(gòu)造，伴生輝綠巖脈。右岸邊坡3個(gè)部位取樣4件(編號(hào)45、55、60-2、60-3)，分別在下游溝東側(cè)山脊平臺(tái)、尾水渠擋土墻塊體2部位和滑坡后部靠西緣[位置見(jiàn)圖1(a)]。在滑坡后緣削坡后下數(shù)第2個(gè)馬道上見(jiàn)輝綠巖脈及其西側(cè)下方的斑狀二長(zhǎng)花崗巖(圖2)。輝綠巖脈斜厚3.5 m，產(chǎn)狀62°∠69°。其頂面發(fā)育350°走向近水平略斜向下方的擦痕，風(fēng)化后多呈球狀。其東側(cè)為褐色全風(fēng)化中粒花崗巖，西側(cè)為肉紅色斑狀二長(zhǎng)花崗巖。

輝綠玢巖(60-2)輝綠結(jié)構(gòu)。斑晶礦物為斜長(zhǎng)石、輝石，約占巖石總量的10%；基質(zhì)為斜長(zhǎng)石、輝石、黑云母，約占巖石總量的85%。副礦物為磁鐵礦、磷灰石蝕變及充填礦物絹云母、綠泥石、沸石、褐鐵礦等。中細(xì)粒斑狀二長(zhǎng)花崗巖(60-3)似斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為半自形粒狀結(jié)構(gòu)、二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要礦物為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英，次要礦物為黑云母；副礦物為磁鐵礦、鋯石、磷灰石；蝕變礦物為絹云母、綠簾石。中粒二長(zhǎng)花崗巖(45)半自形粒狀結(jié)構(gòu)、二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要礦物為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英，次要礦物為黑云母；副礦物為磁鐵礦、鋯石、磷灰石；蝕變礦物為絹云母、綠簾石。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

右岸滑坡區(qū)受區(qū)域性北東向及北西向構(gòu)造控制和影響[14]，發(fā)育NW向斷層F8和早期但次要的NE向斷層F′8。斷層F8及F′8控制了滑坡體邊界(圖1)：左行走滑-正斷層F8控制了滑坡后緣邊界，F(xiàn)′8控制了滑坡東側(cè)緣邊界。輝綠玢巖脈和斑狀花崗巖控制了滑坡西側(cè)緣邊界。位于滑坡后緣的F8斷裂為該處規(guī)模最大的斷裂，其大致沿滑坡體后緣-電站工作辦公區(qū)西側(cè)陡崖展布。

F8斷層推測(cè)在樁號(hào)0+600處與公路S222相交，交角約30°，左岸約1 300 m公路邊見(jiàn)斷層F8，產(chǎn)狀N40°W/NE∠70°～80°，寬1～8 m，由壓碎巖、片狀巖及扁豆體巖塊組成，下盤(pán)擠壓面有10～30 cm寬的角礫巖，硅質(zhì)膠結(jié)。控制了溝谷跌水陡坎、陡崖以及滑坡后緣，同時(shí)也是單個(gè)斜坡縱坡形由凸轉(zhuǎn)為凹形臺(tái)地的轉(zhuǎn)折帶(圖3)。切過(guò)該斷層的邊坡縱剖面上呈現(xiàn)陡坡-平臺(tái)-緩坡形狀(圖4)。場(chǎng)區(qū)可見(jiàn)長(zhǎng)度800 m以上，推測(cè)其性質(zhì)為左行走滑-正斷層。在F8斷裂作用下，其北側(cè)山脊產(chǎn)生了一系列的弧形彎曲。受該斷裂左行運(yùn)動(dòng)牽引，滑坡兩側(cè)NE-SW向溝谷所反映的F′8斷層呈現(xiàn)拖曳而呈平面S型。F′8斷層以節(jié)理密集帶和深切S型溝谷形式出現(xiàn)，大致沿滑坡體東側(cè)邊緣深窄溝谷展布(圖4)，形成時(shí)期早于F8。

圖2 滑坡后緣削坡揭露輝綠玢巖及斑狀花崗巖 Fig.2 The diabase and porphyritic granite exposed in the slope and images in thin sections

拍攝日期：2019年3月18日，鏡頭朝向北圖3 斷層F8控制了鄰近溝谷陡崖和滑坡后緣Fig.3 Fault F8 controls the adjacent valley cliffs and the trailing edge of the landslide

圖4 右岸邊坡不同時(shí)期衛(wèi)星影像圖對(duì)比Fig.4 Comparison of historical remote sensing images of the right bank slope

2 構(gòu)造控制右岸邊坡

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察、鉆探開(kāi)挖揭露和坡體變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析該風(fēng)化花崗巖邊坡地質(zhì)特點(diǎn)及不同開(kāi)挖階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移，發(fā)現(xiàn)該邊坡變形破壞受地質(zhì)構(gòu)造控制：斷裂F8控制其后緣張拉裂縫；節(jié)理密集帶F′8控制東邊界側(cè)緣溝谷；與斑狀花崗巖相伴生的輝綠巖脈控制其西邊界。F8和F′8兩條斷裂在滑坡后緣SW端部交匯，將山體切割成一個(gè)受結(jié)構(gòu)面控制、開(kāi)口向NNW(340°)的楔形滑體，緩傾向上游，尾水渠擋墻開(kāi)挖時(shí)進(jìn)一步轉(zhuǎn)向河左岸及最大開(kāi)挖臨空面，構(gòu)成不利于邊坡穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和空間幾何條件。這兩條斷裂加上西側(cè)緣的輝綠巖脈就構(gòu)成了工程右岸滑坡的控制性地質(zhì)構(gòu)造。

從2012—2018多年遙感影像圖對(duì)比(圖4中間)可見(jiàn)，本段巖體完整性較差，SW方向覆蓋較厚風(fēng)化土(多為當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)墳?zāi)梗梢?jiàn)多個(gè)平行弧形梯田)，東溝溝頭山埡口平臺(tái)有水塘和稻田。邊坡內(nèi)部巖體較破碎，且西部邊界存在軟弱隔水的輝綠巖脈和西鄰堅(jiān)硬局部凸出的較完整斑狀花崗巖。同時(shí)可見(jiàn)早期右岸邊坡頂部的水塘就存在，坡腳發(fā)育低平的洼地為下崗村所在，溝谷中水流比較豐富。2017年開(kāi)挖形成了公路內(nèi)側(cè)人工邊坡，2018年省道離開(kāi)河岸而向上向后靠。

3 滑坡發(fā)生模式與高效搶險(xiǎn)

2019年2月24右岸上壩道路壩縱YSK0+120～260范圍的道路上方邊坡、道路平臺(tái)及其下方廠房尾水擋墻開(kāi)挖坡面出現(xiàn)裂縫；2月28日樁號(hào)YSK0+140～YSK0+250范圍的道路開(kāi)挖坡口線上方山坡95 m高程發(fā)現(xiàn)后緣裂縫，道路平臺(tái)裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，廠房尾水擋墻開(kāi)挖坡面土石交界處出現(xiàn)裂縫(圖5)。較持續(xù)的滑移變形，破壞了在邊坡中部通過(guò)的省道S222，影響下方擋土墻基坑開(kāi)挖施工安全。

右岸邊坡地形表面坡角小于20°，滑坡體表面坡角約18°，高差約80 m，斜長(zhǎng)200 m，滑動(dòng)面埋深6～10 m，滑坡體積約15×104m3，屬中淺層風(fēng)化破碎巖體蠕滑中型滑坡。2019年2月24日發(fā)現(xiàn)裂縫且一直持續(xù)蠕動(dòng)變形，強(qiáng)降雨作用下變形速率有所增大，無(wú)降雨時(shí)變形速率減小(圖6)。

地質(zhì)構(gòu)造影響控制了該邊坡發(fā)生順時(shí)針右旋滑移破壞：滑體東邊界拉剪推移致使厚重混凝土擋墻發(fā)生右行拉剪破壞；西邊界壓剪和擴(kuò)容使邊緣裂縫近直立且光滑平直，平面上呈右列式斷續(xù)分布。壓剪作用下側(cè)緣出現(xiàn)以集中泥流形式在馬道坡腳線狀排泄地下水。

多年歷史衛(wèi)星影像中整個(gè)斜坡和溝谷呈S字形的地貌形態(tài)，后緣緩平臺(tái)及近似雙溝同源(圖4)說(shuō)明，歷史上發(fā)生過(guò)此類(lèi)側(cè)旋滑移而使坡體傾角變緩、滑坡體變密實(shí)，滑坡前緣地下水溢出而形成永久性水塘，沉積了厚達(dá)3 m灰黑色砂質(zhì)黏土。邊坡傾向(340°)和擋土墻基坑開(kāi)挖面傾向(35°)相差約55°。在地質(zhì)構(gòu)造控制和尾水渠擋土墻工程開(kāi)挖臨空面的聯(lián)合控制下，滑坡發(fā)生了先向河流上游后向河流左岸的順時(shí)針旋扭蠕滑。從圖5、圖7可見(jiàn)邊坡前緣主要為陡立剪切裂縫，西側(cè)緣多為斜列式上壓下剪裂縫，而東側(cè)緣多為較平直陡立的上拉下壓式裂縫。

圖5 右岸邊坡形態(tài)及2019年2月底出現(xiàn)的裂縫分布Fig.5 The shape of the right bank slope and the distribution of fissures in Feb.2019

基于上述認(rèn)識(shí)，工程建設(shè)管理處及時(shí)采取封閉滑體中部通過(guò)的省道S222(3月5日起)、補(bǔ)充地質(zhì)勘探(3月7—28日)、加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測(cè)(2月21日—8月)、滑體中上部快速削方卸載(4—5月)、保護(hù)西緣輝綠巖脈之下起抗剪支撐作用的塊狀斑狀花崗巖體。省道下方邊坡面臨著推力集中和尾水渠擋土墻基坑開(kāi)挖的集中卸荷，需高度關(guān)注建基面抗剪強(qiáng)度。西側(cè)緣陡立剪出口也是集中排泄泥流地帶為突破口，監(jiān)測(cè)和施工中需進(jìn)行信息化和動(dòng)態(tài)化變更。開(kāi)挖中少或晚擾動(dòng)，加固時(shí)加快施工進(jìn)度，以便恢復(fù)和提升坡腳支擋力。

4 邊坡破壞模式識(shí)別與尾水渠擋墻精細(xì)化施工

對(duì)臨時(shí)坡腳下挖和逐級(jí)澆筑擋墻支護(hù)的水利樞紐尾水渠工程而言，如何在強(qiáng)降水間隙利用時(shí)間差高強(qiáng)度開(kāi)挖基坑而后澆筑回填即起支擋加固作用，是此類(lèi)工程中優(yōu)先考慮的對(duì)策。對(duì)業(yè)已滑動(dòng)破壞的邊坡，如何依賴變形監(jiān)測(cè)信息，組織擋土墻基坑開(kāi)挖和澆筑，是信息化施工能否成功的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)尾水渠擋墻基坑開(kāi)挖中邊坡50多個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料分析，獲取位移矢量時(shí)空變化關(guān)系，揭示邊坡變形過(guò)程中順時(shí)針壓扭式變形及滑體的固結(jié)排水破壞機(jī)理。結(jié)合降水資料相關(guān)分析，得到不同時(shí)段邊坡變形與降水和開(kāi)挖對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述破壞模式和監(jiān)測(cè)分析結(jié)果為尾水渠擋墻精準(zhǔn)化施工提供了依據(jù)。

圖6 主要變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移加速度與施工進(jìn)度及降水量的關(guān)系Fig.6 Relationship between displacement acceleration and construction progress in rainy season

圖7 2019年3—8月不同時(shí)段滑坡?lián)岆U(xiǎn)及工程施工進(jìn)展對(duì)比Fig.7 Comparison of landslide rescue and construction progress in different time

滑坡?lián)岆U(xiǎn)階段完成后，對(duì)省道上方永久邊坡自下而上采用挖除變形體、開(kāi)挖至弱風(fēng)化、框格梁+錨索+錨桿、修建截水溝。有效減少控制西側(cè)緣坡腳開(kāi)挖范圍和清除深部軟弱破碎巖，公路下邊坡前緣包餃子式開(kāi)挖、及早回填混凝土擋土墻等工程措施，取得預(yù)期效果，保證了坡腳電站廠房尾水渠擋土墻下挖期間的施工安全。擋土墻快速施工和支護(hù)力提升，有力平衡抑制了右岸邊坡變形，為電站廠房、尾水渠運(yùn)行期安全提供了保障。從圖6可見(jiàn)在2019年2—8月總降水量達(dá)1 033 mm情況下，邊坡快速削載10多萬(wàn)方，補(bǔ)充地質(zhì)鉆探13孔總進(jìn)尺約225 m。為更直觀表示位移日變化速率，這里不用位移速率(mm/d)而用加速度指標(biāo)，后者系觀測(cè)日較前1日的變化量，即日位移變化量，時(shí)間間隔是1 d，單位mm/d2。在2月底、3月初強(qiáng)降雨情況下邊坡位移空間加速度(即3個(gè)方向矢量和，2個(gè)方向矢量和為平面加速度)達(dá)567 mm/d2，主要是3月12日路面上靠西側(cè)緣的點(diǎn)6和點(diǎn)7加速度達(dá)到最大值。大規(guī)模開(kāi)挖卸載后的5—6月加速度較大值的空間點(diǎn)主要分布在公路下方邊坡，一般在200 mm/d2以內(nèi),個(gè)別點(diǎn)如靠近公路下方第一臺(tái)階的T9點(diǎn)為237 mm/d2。7月下旬尾水渠擋土墻施工完成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度值都很小，不超過(guò)12 mm/d2，可認(rèn)為變形基本完成而不再受強(qiáng)降雨影響。該穩(wěn)定情況一直持續(xù)到8月底。

5 結(jié)論

地質(zhì)構(gòu)造控制了花崗巖風(fēng)化土邊坡邊界及次級(jí)結(jié)構(gòu)，使其變形具有空間復(fù)雜性，破壞模式表現(xiàn)出沿剪切帶(風(fēng)化輝綠巖脈)順時(shí)針側(cè)旋滑移。在此變形模式下，兩側(cè)緣及滑坡上下不同部位應(yīng)力狀態(tài)不同，從而呈不同區(qū)段的壓、剪破壞特征。運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為淺層蠕動(dòng)破壞，運(yùn)動(dòng)方向由上向下發(fā)生旋扭。

2019年2月底以來(lái)強(qiáng)降雨和尾水渠擋墻基坑開(kāi)挖是滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素。在對(duì)滑坡破壞模式判別基礎(chǔ)上，雨季施工中密切監(jiān)測(cè)邊坡變形，尤其對(duì)突破口部位集中監(jiān)測(cè)和預(yù)防。

上游截排地表水減少表水入滲，上部邊坡削坡卸載等是主動(dòng)有效的滑坡?lián)岆U(xiǎn)措施。在滑坡治理、公路路基安全、尾水渠擋土墻施工交叉實(shí)施階段，將較穩(wěn)定部位先施工，最后開(kāi)挖最不穩(wěn)定的塊體5和4(近西側(cè)緣坡腳剪出帶)。這樣的開(kāi)挖和加固步序緊密結(jié)合邊坡旋扭剪切蠕動(dòng)破壞模式及其西側(cè)緣剪切集中部位和位移變化，實(shí)現(xiàn)了信息化施工和精細(xì)化管理的指導(dǎo)思想，取得較好工程效果。