某水庫庫首右岸危巖體穩(wěn)定性復(fù)核評價

帥世杰，程瑞新

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 工程概況

貴州某水庫初設(shè)階段判斷庫岸穩(wěn)定主要受壩址上游右岸河道拐彎處存在的一危巖體和部分卸荷巖體控制，經(jīng)初步估算，危巖體體積約2萬m3，水庫蓄水后，受庫水浸泡及浪蝕作用，下部巖體沿裂隙面易產(chǎn)生塌滑，進(jìn)而牽引上部巖體坍塌，造成水庫淤積及涌浪，危及下游安全，建議進(jìn)行邊坡設(shè)計。

圖1 初步階段定義的危巖體范圍

在水庫施工階段，上述危巖體施工存在如下困難：

圖2 危巖體施工條件

（1）坡度陡，高度大。地形坡度70°～85°，危巖體底部距離庫底高程近30 m，危巖體開挖高度達(dá)90 m，危巖體頂部距離庫底高度約120 m。地形坡度近乎垂直，無法按常規(guī)進(jìn)行自上而下的開挖支護(hù)施工，常規(guī)施工設(shè)備如潛孔鉆、挖掘機無法運用。如要實施，必須將外側(cè)近高速側(cè)大片原狀山體開挖成多層臨時施工便道，臨時便道開挖方量遠(yuǎn)大于危巖體本身，不僅對環(huán)境破壞大，且原設(shè)計未考慮該項臨時措施費用。

（2）鄰近高速公路，無法爆破。危巖體距離鄰近高速公路僅約200 m，根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》，不得在高速路附近實施爆破作業(yè)。如果要開挖，必須采用專業(yè)的拆除爆破手段，而且必須與高速路運行進(jìn)行精準(zhǔn)的交通管制協(xié)調(diào)工作；且原設(shè)計未考慮該項非常規(guī)爆破費用，僅按一般石方開挖單價考慮。原設(shè)計危巖體開挖方量約2萬m3，如果確定是危巖體，則必須開展開挖支護(hù)作業(yè)，受地形條件影響施工難度極大，不僅自身存在極大的安全隱患風(fēng)險，而且爆破作業(yè)危及高速公路的行車安全，協(xié)調(diào)難度極大。

為了便于指導(dǎo)施工，確保危巖體施工的進(jìn)度和安全，必須對危巖體進(jìn)行仔細(xì)調(diào)查，查清其規(guī)模、成因、破壞模式，以期能優(yōu)化危巖體治理措施。

2 基本地質(zhì)條件復(fù)核

2.1 地形地貌

危巖體位于壩址上游右岸河道拐彎處陡崖上，頂部高程870 m，底部高程680 m。陡崖地形坡度70°～85°，基巖裸露。從上游至下游共發(fā)育2條近垂直沖溝。危巖體陡壁上巖體受節(jié)理裂隙及層面切割，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。

2.2 地層巖性

巖性為三疊系中統(tǒng)邊陽組第一段（T2b1）青灰、灰綠色薄～中厚層泥質(zhì)粉砂巖與泥巖互層，泥質(zhì)粉砂巖為較硬巖，泥巖為軟巖，長期風(fēng)化或沖蝕后易形成基座。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。

2.3 地層構(gòu)造

危巖體由于受層間褶曲影響，該部位巖層產(chǎn)狀變化較大。中上部巖層產(chǎn)狀SN/W∠3°～5°E，下部巖層產(chǎn)狀N50°～70°E/NW∠6°～12°。根據(jù)危巖體頂部地表測繪，本區(qū)垂直裂隙發(fā)育，主要有3組優(yōu)勢節(jié)理裂隙。

（1）L1：N10°～20°E，NW∠80°～90°，走向與陡崖臨空面小角度斜交，裂縫寬0.2～30 cm，深10～60 cm，充填巖屑，或無充填，層面平直光滑，1～3條/m。

（2）L2：N15°～25°W，NE∠80°～85°，走向與陡崖臨空面垂直相交，裂縫寬0.5～30 cm，深20～40 cm，充填巖屑，或無充填，層面平直光滑，2～5條/m。

（3）L3：N55°～65°E，NW∠80°～90°，走向與陡崖臨空面近似平行，裂縫寬0.5～70 cm，深10～60 cm，充填巖屑，或無充填，層面平直光滑，1～3條/m。

2.4 水文地質(zhì)條件

場區(qū)出露碎屑巖（T2b1）地層，巖體透水性總體較弱，地下水類型主要為基巖裂隙水，次為第四系孔隙水，主要接受大氣降雨補給，為地下水補給河水。基巖裂隙水賦存于巖體裂隙內(nèi)，橫向排泄于河床；第四系孔隙水主要分布于沖洪積層和崩塌堆積層內(nèi)，排泄于河床及河谷低洼處。根據(jù)前期勘察及現(xiàn)場調(diào)查，右岸陡坡未見泉水及地表水出露，坡面干燥，汛期裂隙面、層面有少量滲水。

2.5 巖石（體）及結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)建議值

依據(jù)施工圖階段補充鉆探資料，結(jié)合場地實際地質(zhì)條件情況，各結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)建議值見表1。

表1 巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)建議值

2.6 危巖體范圍及規(guī)模

危巖體位于壩址上游右岸河道拐彎處陡崖上，距大壩最近水平距離140 m。陡崖受1、2號沖溝切割，三面臨空，僅西北向后緣與山體連接，呈凸出三角體。長約90 m，寬20～60 m，規(guī)模約2萬m3，分布高程730～840 m。

根據(jù)本次地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合無人機拍攝錄像分析，危巖體整體穩(wěn)定，僅表層分布有4個小型楔形體，由上至下垂直分布，參數(shù)統(tǒng)計見表2，楔形體分布情況見圖3。

圖3 危巖體上楔形體分布圖

表2 危巖體上楔形體參數(shù)統(tǒng)計

2.7 危巖體破壞模式

（1）傾倒式破壞。場區(qū)地層為疊系中統(tǒng)邊陽組第一段（T2b1）青灰、灰綠色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖與泥巖互層，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，砂巖巖體被陡傾節(jié)理裂隙切割形成近直立巖柱塊體，硬質(zhì)巖體（砂巖）坐落于軟巖（泥頁巖）之上，巖體呈上硬下軟分布，巖體荷載基本全部作用于下部軟巖上，存在一定壓縮變形。受開挖、爆破及后緣外水壓力影響，以及泥巖進(jìn)一步風(fēng)化、變形模量降低等影響，導(dǎo)致楔形體發(fā)生傾倒變形破壞[1]。

（2）拉裂式破壞。砂巖巖體被陡傾節(jié)理裂隙切割形成近直立巖柱塊體，巖柱底部軟巖基座在風(fēng)化、雨水沖刷等作用下不斷向內(nèi)收縮，使上部巖柱體形成懸臂梁式突出巖體。該巖體頂部受拉，底部受壓，在長期重力和風(fēng)化作用下，突出體根部受到的拉應(yīng)力將越來越集中，使該處垂直裂隙逐漸擴大，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，上部懸出的巖體將發(fā)生破壞。

2.8 危巖體成因分析

危巖體形成的主要成因是層間褶曲影響、垂直坡面裂隙切割及風(fēng)化剝蝕作用。危巖體上為軟硬相間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，高陡的臨空條件及垂直節(jié)理裂隙的切割，使該處巖體拉應(yīng)力高度集中于后緣連接處，使張性裂隙不斷發(fā)展，并由于砂巖與泥巖的差異風(fēng)化，在泥巖分布地帶形成風(fēng)化凹槽，加劇了上伏巖層卸荷松動帶沿臨空面方向墜落的風(fēng)險[2]。另一方面，由于楔形體頂部裂隙的形成，有利于地表水的入滲，地表水主要沿最后緣拉裂隙入滲，從而使楔形體后緣邊界擴展及加大連通率，形成現(xiàn)今楔形體形態(tài)。

3 整體穩(wěn)定性復(fù)核評價

3.1 赤平投影穩(wěn)定分析

根據(jù)赤平極射投影圖分析計算其穩(wěn)定性（見表3）[3]。根據(jù)赤平極射投影計算分析，場區(qū)無不利節(jié)理裂隙組合，巖體穩(wěn)定性為穩(wěn)定。

表3 危巖體赤平投影穩(wěn)定分析

3.2 三維楔形體穩(wěn)定分析

場區(qū)臨空面、L1與層面可組成楔形體，計算結(jié)果為下滑力S為15 950.4MN，抗滑力Q為665 414.7 MN，安全系數(shù)F為41.718。通過楔形體計算，場區(qū)巖體穩(wěn)定性為穩(wěn)定[4]。

3.3 整體穩(wěn)定性評價

危巖體上部巖層呈水平狀，中下部巖層呈反傾狀，坡體無外傾節(jié)理裂隙發(fā)育，通過上節(jié)分析可知，巖體無不利節(jié)理裂隙組合，巖體整體穩(wěn)定性好。坡體頂部后緣已開挖至845 m高程平臺，平臺上未見深大裂隙，危巖體目前整體穩(wěn)定。

4 局部穩(wěn)定性復(fù)核評價

4.1 影響楔形體穩(wěn)定的不利因素

（1）地表水入滲的影響（包括降水及運行期泄洪霧水的入滲）。由前述楔形體現(xiàn)狀可知，局部后緣裂縫發(fā)育，降雨時地表水沿該拉裂縫入滲，使其后緣拉裂面及底滑面處于充水狀態(tài)，在楔形體底部及后緣邊界下部形成一定水壓力，對楔形體穩(wěn)定不利。另一方面，因地表水的入滲，將會使楔形體各結(jié)構(gòu)、巖體參數(shù)降低，可能誘發(fā)楔形體產(chǎn)生不穩(wěn)定因素。

（2）巖體進(jìn)一步風(fēng)化的影響。隨著時間的推移，在自然條件下，巖體風(fēng)化將進(jìn)一步加劇，巖體強度、結(jié)構(gòu)面強度均會降低，楔形體穩(wěn)定性進(jìn)一步變差。

（3）頂部開挖的影響。三角體頂部開挖時，對陡崖邊巖體產(chǎn)生擾動，巖體節(jié)理裂隙加大，楔形體各結(jié)構(gòu)、巖體參數(shù)降低，降低了楔形體的穩(wěn)定性。

（4）庫水對危巖體的影響。水庫蓄水后，抬高水位至730 m，地下水浸潤線將抬高，Ⅲ號堆積體下半部分將浸泡于水庫中，削弱堆積體的穩(wěn)定性，可能引起后緣的滑動；泥巖（T2b1）在水位以下及一定范圍內(nèi)進(jìn)一步軟化，可影響危巖體的穩(wěn)定性。

4.2 局部楔形體穩(wěn)定性評價

危巖體表面局部巖體在垂直節(jié)理裂隙、層面切割下形成碎裂狀結(jié)構(gòu)楔形體，在外力作用下極易傾倒破壞，且砂巖與泥巖風(fēng)化差異下，局部形成懸臂梁式巖體，在長期風(fēng)化、雨水浸泡作用下，節(jié)理裂隙抗剪參數(shù)降低，一旦巖體重力大于其拉力，將發(fā)生楔形體崩塌。

4.2.1 傾倒破壞模式

楔形體1～4三面臨空，后緣垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，楔形體加在軟巖基座上的荷載較大，且軟巖基座在重力作用下可能產(chǎn)生壓縮變形，彈性模量降低，因此存在著傾倒破壞的可能。如考慮施工影響，運行期水霧會降低底座巖體強度、彈性模量，大大削弱其穩(wěn)定性。

4.2.2 局部拉裂式破壞

楔形體1～4局部已懸空，形成懸臂梁式凸出巖柱，巖柱后緣裂縫在巖體重力作用下，將不斷擴大。從目前來，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著巖體風(fēng)化加劇、地表水入滲等外界因素影響，結(jié)構(gòu)面參數(shù)逐步降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)面拉應(yīng)力不能維持該塊體穩(wěn)定時，即可產(chǎn)生拉裂破壞。

這些塊體在自然條件，雖然處于穩(wěn)定狀態(tài)，一旦受到外部環(huán)境的擾動，也可能產(chǎn)生破壞。總之，由于楔形體上硬下軟的結(jié)構(gòu)，加之未來庫水的運營作用，均會導(dǎo)致楔形體產(chǎn)生失穩(wěn)。

4.2.3 楔形體破壞后的運動計算

（1）根據(jù)質(zhì)量守恒原理，落石的勢能變化等于動能變化和克服摩擦所做的功：

式中：vi為落石在斜坡面上任意位置處所具有的速度，m/s；di為各直線段斜坡的平均坡度，取60°；△hi為各直線段斜坡的鉛直高度；φ為落石與坡面的綜合內(nèi)摩擦角，取25°；Li為各直線段斜坡的長度。當(dāng)末速度vi=0時，可求得∑cos d1·L1就是崩塌的最大水平運動距離。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，楔形體滾落的最大巖體體積不超過1 m3，按m=1 m3代入上式（1）計算，楔形塊體最大理論滾落距離為27 m，與現(xiàn)場實際量測的的楔形體頂部渣體滾落距離（25 m）接近（見圖4）。

圖4 楔形體頂部開挖傾倒時滾落渣體

4.2.4 危害程度分析

危巖體周邊的重要水工構(gòu)筑物為大壩，根據(jù)上節(jié)計算，楔形塊體最大滾落距離（27 m）遠(yuǎn)小于三角形切割體坡腳至大壩距離（140 m）。故楔形體1～4破壞后對大壩無危害。

5 結(jié)論

經(jīng)復(fù)核，判定初設(shè)階段原定義危巖體整體穩(wěn)定，僅表層楔形體1～4可能產(chǎn)生破壞；楔形體1～4存在傾倒、拉裂崩塌兩種可能破壞模式；楔形體1～4破壞后滾落最大距離27 m，對大壩等水工建筑物無影響。施工階段建議取消原設(shè)計的治理措施，但應(yīng)建立可靠、完善的監(jiān)測系統(tǒng)，對楔形體進(jìn)行監(jiān)測[5]。最終設(shè)計取消原初步設(shè)計的危巖體開挖及支護(hù)措施，對于已經(jīng)實施的頂部部分開挖裸露巖面采用覆土植草等水土保持措施。經(jīng)過約2個月的變形監(jiān)測，結(jié)果顯示該危巖體沒有發(fā)生明顯的變形跡象，說明施工圖階段的危巖體穩(wěn)定性復(fù)核評價是合理的。