某樞紐工程壩址右岸高陡邊坡穩定分析與處理措施

趙玉強

（蒙城淮河河道管理局，安徽 蒙城 233500）

1 工程概況

某水利樞紐工程壩型為砂礫石面板堆石壩，最大壩高高達164.3 m，設計總庫容22.51 億m3，控制灌溉面積427.5 萬畝，電站裝機容量730 MW，設計年發電量23.32 億kW·h，屬大（1）型Ⅰ等工程[1]。樞紐工程由攔河壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發電引水系統、電站廠房、生態基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。在勘察研究過程可知，壩址右岸邊坡高達566 m，基巖裸露，壩頂高程以上邊坡接近直立。由于壩頂以上邊坡人員無法到達，采用三維激光掃描成像技術，并結合已有壩區平硐及現有地質資料分析，右岸邊坡存在6 處局部可能產生小規模變形失穩的區域，對工程的施工及運行安全有一定影響，建議采用主被動防護網，其技術可行，也能預防施工期危巖的影響[2]。

為進一步查明右岸高邊坡穩定性，2010 年～2011 年修筑完成了右岸高邊坡上山道路，完成了2140 m、2080 m、1935 m高程三層勘探平硐，對右岸高邊坡進行了坡面地質編錄、結構面調查、統測及統計等工作，通過以上工作，查明了邊坡巖體結構面分布，利用已有巖石（體）試驗成果結合經驗類比提出高邊坡主要破壞形式和加固措施的建議[2]。

2 工程地質及水文地質

2.1 右岸高邊坡基本地質條件

壩址區位于中山峽谷區，右岸高邊坡位于3#和5#沖溝之間的基巖山梁，梁頂山峰高程2530 m～2720 m，當水庫正常蓄水位1820 m 時，山梁順河向寬度1100 m～2100 m，邊坡走向近EW，整體成臺階狀，陡緩交替，上游側為一陡壁，坡度＞80°。在壩體范圍內，F9 斷層以上自然坡度為75°～80°，局部近直立55°～80°，靠近壩軸線上游側發育有一條基巖溝槽，溝槽深度5 m～15 m，溝壁較陡，坡度大于60°，山坡上分布有崩塌堆積物形成的倒石堆，可推知崩塌災害發生。

右岸高邊坡基巖裸露，地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙及斷層帶內，沿裂隙網絡及斷層帶運移，無統一的水面。右岸高邊坡臨河岸坡未見泉水分布；在下游與3#沖溝交匯處坡腳有泉點出露，高程1696 m，略高于河水位，水量微小并隨季節或降水變化，基巖裂隙水主要受大氣降水的補給，總體向河谷排泄。

2.2 巖性及物理力學特性

高邊坡基巖巖性為中石炭統阿孜干組C2a 的薄層灰巖、巨厚層白云質灰巖、泥灰巖、石英砂巖為主。對右岸高邊坡進行坡面地質編錄、結構面調查、統測及統計等，根據物理力學特征試驗(以表部探坑取樣試驗為主,結合豎井取樣)及地質勘察成果，白云質灰巖單軸飽和抗壓強度32.4 MPa～69.2 MPa之間，平均值49.4 MPa，軟化系數0.39～0.80 之間，平均值0.59，屬中硬巖，干密度2.67 g/cm3～2.79 g/cm3，孔隙率0.37%～0.74%，弱～微風化巖體縱波速度3500 m/s～6700 m/s；灰巖單軸飽和抗壓強度30.5 MPa～45.9 MPa 之間，平均值36.5 MPa，屬中硬巖，軟化系數0.40～0.85 之間，平均值0.65，干密度2.67 g/cm3～2.71 g/cm3，孔隙率0.37%～1.1%，弱～微風化巖體縱波速度3000 m/s～5800 m/s。高邊坡各類巖體物理力學地質建議值見表1、表2[3]。

表1 高邊坡巖體質量分類表

表2 巖體物理力學參數建議值表

2.3 構造條件

巖層產狀在F9 斷層以下為340°～355°SW∠58°，以上為300°～330°SW∠44°～51°。右岸坡巖層傾向上游偏坡里，為橫向逆向坡。

（1）斷層

右岸坡分布規模較大的F9 斷層，斷層斜切右岸邊坡，出露長度約650 m，兩盤巖層主要為灰巖和白云質灰巖，斷層產狀310°SW∠30°～35°，傾向岸內，破碎帶寬2.0 m～8.0 m，影響帶寬40 m 左右[4]，斷層帶主要由碎裂巖夾糜棱巖和斷層泥組成，其中，糜棱巖厚度1.0 m～2.5 m。

（2）邊坡巖體結構面

壩體右岸高邊坡結構面分組匯總見表3。由表3 可知：①傾向NW 的卸荷裂隙，傾角均值為68°；②傾向SW 的巖層層面，傾角均值為42°；③與岸坡大角度相交的傾向E/SE 的結構面，傾角均值為66°。

表3 壩體右岸高邊坡結構面分組匯總表

3 高邊坡整體穩定性分析

3.1 高邊坡主要變形破壞模式

右岸邊坡為巖層傾向上游橫向逆向坡，巖層及主要斷層均傾向坡里或傾向上游偏坡里（圖3），巖體堅硬完整，地質測繪及平硐揭露均未發現傾坡外的大規模不利結構面分布，邊坡體主要由II、Ⅲ兩類巖體組成，未發現明顯變形現象，在天然狀態下，邊坡整體穩定性較好，邊坡不存在失穩問題。

右岸邊坡在F9 斷層以下卸荷裂隙帶水平深度為5 m～8 m；F9 斷層以上卸荷裂隙帶水平深度為14 m～17 m，最大深度為26 m（PD20），裂隙面多張開，最大張開寬度10 cm。右岸高邊坡淺表巖體卸荷松弛較明顯，天然狀態下有小規模的崩塌、滑落現象，主要為卸荷裂隙與層面組合構成。其中，層面和卸荷裂隙發育密度較大，為邊坡主要控制結構面，易形成崩塌源或滑落源（危巖體）。根據坡表及平硐的變形破壞跡象調查，結合邊坡巖體結構類型的分析，高邊坡主要變形破壞模式為松弛張裂—崩塌和不穩定楔形體—拉裂—崩塌為主。

①松弛張裂—崩塌

邊坡的側向應力削弱后出現卸荷回彈而在坡體出現張裂隙的現象成為松弛張裂，在邊坡形成松弛張裂帶（圖1）。最終導致邊坡產生崩塌。

圖1 右岸高邊坡F9 以上淺表巖體處松弛張裂

②楔形體—拉裂—崩塌

在樞紐右岸邊坡表部裂隙與巖體層面構成不利組合，形成規模較小的楔形塊體。自然斜坡的陡壁上和溝槽附近可見原楔形滑體空腔和楔形塊體（圖2）。這種變形模式在此區內主要以崩塌或墜石為主要破壞方式[5]。

圖2 壩軸線上游側1880 m 高程附近楔形塊體

③滑移破壞

單滑面失穩破壞：這種破壞模式主要是以卸荷裂隙為滑面，危巖體兩側為邊坡巖體崩塌或沖蝕形成的臨空面組成的潛在不穩定塊體（圖3）。

組合面滑移破壞：主要由傾坡外的裂隙與傾向SW 的中緩傾角的層面組合，形成底滑面，兩側臨空形成較大的潛在不穩定塊體。如在右岸高邊坡中方量最大的W19（圖4）。

圖3 單滑面失穩破壞危巖體

圖4 組合面滑移破壞危巖體

3.2 邊坡加固處理建議

右岸邊坡陡峻，為橫向谷坡，宏觀地質勘查右岸高邊坡巖體整體穩定，但調查中發現山坡表部危巖體數量多，且難以完全查明，對工程的施工及運行安全有一定影響，且危巖體均處于懸(陡)崖上，處理難度大，針對本邊坡特點，結合國內同等邊坡處理經驗，主要有以下處理措施[6]：

（1）清除危巖及坡面危石；對不穩定體進行表層清理后，采用100T 級、35 m 和40 m 長的預應力錨索間錯布置，進行錨固處理，錨索間距5 m×5 m，布置錨索約550 束。

（2）在高邊坡1820 m～2230 m 高程范圍內進行噴錨支護，范圍為壩軸線至上游延伸200 m，邊坡噴護范圍內設置排水孔和截水溝，排水孔應深入基巖3 m。

（3）被動防護網防護。右岸高邊坡處設置被動防護網，被動防護網高度4 m。鋼繩網采用堅固而雙面抗錯動的鋼絲繩卡扣編織而成的菱形網。

（4）排水孔設置。邊坡噴護范圍內設置排水孔，孔徑100 mm，仰角15°，深入基巖3 m，間排距4 m，布置應與錨索及錨桿錯開，呈梅花型布置。

（5）隨機錨索。高邊坡處理過程中，由于坡面的不平整及可能會有預計不到的位置需要進行錨索加固，因此考慮一些隨機錨索保證邊坡處理工程量的控制，預留108 束隨機錨索。

（6）F9 斷層帶加固處理措施。針對F9 斷層帶對高邊坡穩定的影響主要為庫水對斷層糜棱巖軟化和掏蝕作用，建議對斷層帶采取灌漿和砼置換處理。

4 結語

本文在參考國內外相似工程處理的基礎上，提出對斷層核部進行封閉置換、斷層影響帶特殊灌漿處理以及邊坡適當位置進行預應力錨索錨固的邊坡綜合治理措施。另外，對于個別危巖體，在整體加固后安全系數仍然較低的情況下，應根據具體情況進行補強加固處理。工程邊坡加固后，邊坡穩定性得到了很大的改善，特別是F9 斷層出露位置的塑性屈服區有改善作用，使邊坡整體塑性屈服區體積減少10%左右。