阿爾塔什右岸邊坡不穩(wěn)定塊體治理及蓄水過程安全評價

李建鋒，田保明，張 明，趙宇飛，羅小濤

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

近年來，水利水電工程建設(shè)成為國家拉動經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措，新建的工程大多位于地質(zhì)條件較為惡劣的高山峽谷區(qū)，工程建設(shè)中涉及到的巖體開挖，改變了河流兩岸巖土體的平衡體系，邊坡穩(wěn)定問題成為工程建設(shè)中重要的安全隱患，一旦邊坡失穩(wěn)，將引發(fā)巨大的災難。因此，對于大型天然邊坡、古滑坡及工程開挖邊坡穩(wěn)定及處置技術(shù)，目前已經(jīng)開展了廣泛的研究，獲得了許多重要的成果，同時為水利水電工程建設(shè)提供了重要保障。

但是，除了大型邊坡穩(wěn)定問題，在邊坡中隨機分布的體量較小的不穩(wěn)定塊體(危巖體)，也是工程建設(shè)及運行安全的重大隱患。這些危巖體主要是由于多組結(jié)構(gòu)面交切而成，由于其具有方量較小、分布分散、受地形條件影響較大等特點，危巖體的識別、分析及處理措施一直是水利水電工程建設(shè)中的難題。

阿爾塔什水利樞紐屬于葉爾羌河干流“兩庫十四級”梯級規(guī)劃中的第11個梯級，水庫總庫容量為22.49億m3，其擋水壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高為164.8m，是大(1)型Ⅰ等項目工程。壩體右岸邊坡地形高陡，山體較寬厚，岸坡基巖裸露，坡高為565～610m。其走向近為EW走向，岸坡自然坡度在高程1960m以下為50°～55°，以上為75°～80°。岸坡局部較陡峭，整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。

右岸邊坡中發(fā)育有F9斷層，斷層斜切右岸高陡邊坡，其中出露地表部分約650m，為一上盤向西平移的逆斷層，兩盤的巖石層主要由灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成，斷層產(chǎn)狀為310°SW∠30°～35°，破碎帶寬度范圍為2.0～8.0m，影響帶寬約為40m，斷層帶主要為碎裂巖、斷層泥以及夾糜棱巖。受斷層影響，右岸高邊坡中分布各種形狀各異、成因不同、方量不一的不穩(wěn)定塊體30余塊，這些不穩(wěn)定塊體的處理關(guān)系到整個工程建設(shè)進度與安全可靠，成為控制大壩填筑的重要因素。在這樣的背景下，利用激光掃描及人工勘測對邊坡中的不穩(wěn)定塊體進行了系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上進行了不穩(wěn)定塊體分區(qū)分類，并針對不同的塊體提出了具體的處理方案，形成了阿爾塔什右岸高陡邊坡不穩(wěn)定塊體群處理關(guān)鍵技術(shù)，為工程的安全建設(shè)與可靠性提供了重要的保障。

1 右岸高邊坡地質(zhì)條件概況

阿爾塔什水電站壩址區(qū)右岸邊坡地形陡峭，邊坡表面裸露基巖，基本無植被。原始邊坡的坡高超過600m，面板壩趾板由人工開挖形成的邊坡，高約90m。邊坡在地形上具有上陡下緩的特點，以該邊坡的控制性結(jié)構(gòu)面F9斷層為界，上部地形較陡，坡度超過70°，局部地段近于直立，斷層下部地形較緩，邊坡坡度約為40°。

阿爾塔什右岸邊坡基本上可以劃分為兩部分，上游側(cè)邊坡傾向NW，下游側(cè)傾向NE。邊坡巖層主要由上石炭統(tǒng)塔合奇組(C3t)的厚層白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r組成。區(qū)內(nèi)除發(fā)育的最大的結(jié)構(gòu)面，也是控制性結(jié)構(gòu)面為F9斷層，另外還發(fā)育其它卸荷裂隙、層理等結(jié)構(gòu)面。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察對右岸邊坡中發(fā)育的各類結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析可知，阿爾塔什右岸高邊坡主要發(fā)育有以下三組結(jié)構(gòu)面，分別為：產(chǎn)狀為NW300°～NE10°∠60°～80°的卸荷裂隙，產(chǎn)狀為SW230°∠30°～50°的層面與50°～110°∠50°～70°的結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面與傾向NW或NE的邊坡坡面相互組合，形成了阿爾塔什右岸高陡邊坡中隨機出露的不穩(wěn)定塊體，為工程建設(shè)的安全造成了重要的影響。

2 高邊坡不穩(wěn)定塊體調(diào)查

結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程地質(zhì)勘察工作，對右岸高邊坡中賦存的不穩(wěn)定塊體進行了不同階段的調(diào)查，通過調(diào)查對右岸不穩(wěn)定塊體分布、主要特點進行現(xiàn)場調(diào)查。在工程地質(zhì)勘探前期，由于右岸邊坡高陡，沒有施工便道進行右岸邊坡實體勘察，結(jié)合右岸高陡邊坡中地質(zhì)構(gòu)造賦存方式及工程開挖布置，利用非接觸式激光掃描技術(shù)對右岸高邊坡進行了掃描分析；工程地質(zhì)勘探后期，結(jié)合實地踏勘與全站儀測量，對右岸高陡邊坡中的不穩(wěn)定塊體進行了測量與調(diào)查。通過現(xiàn)場踏勘及不穩(wěn)定塊體調(diào)查分布如圖1所示。

圖1 阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡危巖體分布示意圖

從圖1中可以看出，在右岸高邊坡中不穩(wěn)定塊體分布很廣，結(jié)合水利樞紐運行等綜合信息，依據(jù)不穩(wěn)定塊體失穩(wěn)后對樞紐工程運行的影響，將其分為四個區(qū)，分別為A區(qū)、B1區(qū)、B2區(qū)與C區(qū)。另外在這幾個區(qū)中分為兩類危巖體，用黑色線圈圈起來的塊體方量較大；用白色線圈圈起來的主要是高邊坡表層較小的塊石垮落。

各部分不穩(wěn)定塊體詳細的調(diào)查與測量以及危巖體方量的估算見表1。

表1 阿爾塔什水利樞紐工程右岸高邊坡不穩(wěn)定塊體統(tǒng)計表

3 失穩(wěn)模式及穩(wěn)定分析

3.1 失穩(wěn)模式分析

通過現(xiàn)場踏勘，對阿爾塔什右岸高陡邊坡中的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況進行了統(tǒng)計，得到的結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 阿爾塔什右岸高陡邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查成果(上半球投影)

阿爾塔什的右岸高邊坡主要由三組結(jié)構(gòu)面組成分別是：產(chǎn)狀為SW230°∠30°～50°的層面、產(chǎn)狀為NW300°～NE10°∠60°～80°的卸荷裂隙以及50°～110°∠50°～70°的結(jié)構(gòu)面。邊坡區(qū)內(nèi)除發(fā)育有控制性的F9斷層外，也存在其它的小型結(jié)構(gòu)面，如卸荷裂隙、層理等。受F9斷層的擠壓與結(jié)構(gòu)面的切割作用，邊坡表面巖體較為破碎，孤石林立，特別是在F9斷層的核部與影響帶范圍內(nèi)，在斷層擠壓作用下，巖體十分破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)。

對各個區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定塊體調(diào)查與測量得到的信息進行了細致分析，并在此基礎(chǔ)上對各區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定塊體進行了失穩(wěn)破壞模式、穩(wěn)定分析以及失穩(wěn)垮落后的危害進行了分析，右岸高邊坡中分布的不穩(wěn)定塊體主要有以下幾種失穩(wěn)破壞模式：

(1)楔形體失穩(wěn)破壞

楔形體失穩(wěn)破壞主要出現(xiàn)在右岸高邊坡內(nèi)的3組主要結(jié)構(gòu)面分別為：傾向為NW的陡傾角卸荷裂隙、傾向為SW的中緩傾角層面，以及垂直邊坡表面傾向為E/SE的陡傾角隨機結(jié)構(gòu)面。這幾組結(jié)構(gòu)面相互組合可能形成失穩(wěn)的楔形體，兩個底滑面主要由卸荷裂隙和傾向為E/SE的陡傾角結(jié)構(gòu)面組成。

如在不穩(wěn)定塊體W14，右岸高邊坡頂端的不穩(wěn)定塊體W1～W9內(nèi)都可以見到這種模式的塊體失穩(wěn)后的楔形體槽等，如圖3所示。

圖3 危巖體W14區(qū)內(nèi)形成的較大方量的楔形體

另外的一種塊體破壞模式，主要是在右岸高邊坡中，中低高程中由傾向NW的陡傾角的卸荷裂隙與傾向SW的中緩傾角的層面，作為底滑面；垂直邊坡表面發(fā)育的傾向E/SE的陡傾角的隨機結(jié)構(gòu)面?zhèn)惹袔r體形成臨空面，或有自然的臨空面，所組成的可能失穩(wěn)的塊體。

如在右岸高邊坡中方量最大的不穩(wěn)定塊體W19，以卸荷裂隙與巖層層面作為滑面，與其兩側(cè)由于巖體崩塌所形成的臨空面形成較大的塊體。

(2)單滑面失穩(wěn)破壞

單滑面失穩(wěn)破壞所發(fā)生的區(qū)域主要為卸荷裂隙為滑面、危巖體兩側(cè)的邊坡崩塌巖體以及沖蝕而形成的臨空面組成的不穩(wěn)定塊體。另外右岸高邊坡坡面上堆積的坡積物兩側(cè)有沖溝形成孤立山梁時，其可能的失穩(wěn)模式也屬于該類型，如圖4所示。

圖4 危巖體單滑面滑動失穩(wěn)模式示意圖

3.2 穩(wěn)定性分析

采取三維剛體極限平衡法，對阿爾塔什右岸高邊坡表層露出的不穩(wěn)定塊體在蓄水前的狀況、自然降雨時的狀況以及正常蓄水位遭遇地震等情況的穩(wěn)定性進行分析。

考慮地震情況下，在每個土條的重心處施加水平與豎直兩方向的地震力，在對應方向設(shè)防烈度，根據(jù)邊坡設(shè)計規(guī)范選用擬靜力法對其進行邊坡穩(wěn)定分析。右岸高陡邊坡中巖體參數(shù)及各結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)見表2。

表2 右岸高邊坡不同類型結(jié)構(gòu)面的參數(shù)建議值與計算取值

該邊坡進行穩(wěn)定性分析時其安全系數(shù)的設(shè)定情況為：自然狀態(tài)與正常蓄水位條件下的安全系數(shù)大于1.25，地震工況條件下的安全系數(shù)大于1.1。

由上綜合分析，高陡邊坡不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性主要靠摩擦系數(shù)f和凝聚力c來維持，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)大部分不穩(wěn)定塊體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，當摩擦系數(shù)f和凝聚力c不能夠維持不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性時，將導致出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.3 典型不穩(wěn)定塊體(W19)穩(wěn)定性分析

在右岸高都邊坡中，不穩(wěn)定塊體W19是右岸高邊坡中發(fā)育的規(guī)模最大的一個危巖體，其分布高程為1950～2100m，位于正常蓄水位以上。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計結(jié)果，該部位主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面：J1:5°∠80°，卸荷裂隙；J2:230°∠30°，層面。邊坡面的產(chǎn)狀為0°∠70°。

在進行W19穩(wěn)定分析時，考慮了重要的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化對危巖體穩(wěn)定影響，進行了相關(guān)的敏感性分析，影響W19的卸荷裂隙的產(chǎn)狀NW330°～NE20°∠50°～80°，而邊坡面的平均產(chǎn)狀為∠0°～70°。通過赤平投影分析可知，隨著卸荷裂隙的產(chǎn)狀由NW向NE方向變化，與層面的交棱線方向在上游方向由走向山里逐漸向臨空面發(fā)展。此外，當卸荷裂隙的傾向由NW向NE向發(fā)展時，其與層面的交棱線的傾角逐漸變緩，塊體穩(wěn)定性應該逐漸好轉(zhuǎn)，但所形成的塊體體積也逐漸變大。

通過分析可知，隨著卸荷裂隙產(chǎn)狀的變化，交棱線產(chǎn)狀從268.07°∠38.53°變化為276.64°∠33.24°，塊體穩(wěn)定分析得到的在天然工況、降雨工況及地震工況運行條件下的安全系數(shù)分別從1.44變化為1.46，0.62變化為0.96,1.25變化為1.27。

4 不穩(wěn)定塊體群治理及蓄水過程安全評價

4.1 不穩(wěn)定塊體群治理措施

阿爾塔什水利樞紐工程右岸高陡邊坡不穩(wěn)定塊體群的加固工程，對大壩填筑施工安全與質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。根據(jù)不穩(wěn)定塊體實際的地形及相互之間關(guān)系，制定了右岸不穩(wěn)定塊體群的加固方法，主要為：分區(qū)對待、上下聯(lián)動、挖錨結(jié)合。針對右岸高邊坡中的W19進行重點處理，并且在處理過程中，采用了智能錨索技術(shù)進行加固。不穩(wěn)定塊體群處理方案與關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1)分區(qū)對待。右岸高邊坡分布有31塊不穩(wěn)定塊體，根據(jù)本文中所提出的分區(qū)內(nèi)容，針對不同區(qū)域危巖體采用了不同的處理方案。W1～W9位于右岸高邊坡頂部，均為以孤石與危巖的垮落破壞為主，進行專門的挖除。W17和W18以孤石垮落為主，且其失穩(wěn)破壞對工程正常運行影響較大，在施工中全部進行挖除。W22巖體較為破碎，正常施工中已經(jīng)全部清除。W19(W20)、W21(W21- 1)、W23、W24危巖體進行表層清理和部分挖除，其中由于W19(W20)位置比較重要，需要進行錨固處理。

(2)上下聯(lián)動。在進行右岸高陡邊坡危巖體處理過程中，結(jié)合不同塊體高程及分區(qū)不同，進行了相互協(xié)調(diào)的聯(lián)動處理方法，這樣大大加快了右岸不穩(wěn)定塊體群處理的施工時間，并且也考慮了危巖體挖除的石渣處理。在邊坡下部河灘地設(shè)置集渣平臺，有效控制邊坡甩渣滾落范圍，減少滾石對圍堰填筑、基坑開挖的影響。

(3)挖錨聯(lián)合。針對不同區(qū)域、不同方量的不穩(wěn)定塊體，采用了不同的處置方法。對于失穩(wěn)影響嚴重且方量較小的不穩(wěn)定塊體，直接進行全部挖除；對于方量較大的不穩(wěn)定塊體，需要結(jié)合其發(fā)育特點及主要控制結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況，進行挖錨聯(lián)合處理方式。如W19(W20)，其方量較大，結(jié)合其賦存特點，進行了表層清理，清理后采用預應力錨索進行支護。

其他的未進行全部挖除的不穩(wěn)定塊體，在進行了表層清理之后，進行了錨噴及主被動防護網(wǎng)的支護處理。

(4)智能錨索技術(shù)的應用。在進行W19(W20)的預應力錨索支護中，采用了新型的預應力錨索技術(shù)進行支護。智能錨索主要是在內(nèi)錨固段、自由段以及外錨頭分別利用內(nèi)錨頭測力計、鋼絞線測力傳感器以及錨索測力計等受力監(jiān)測傳感器進行不同深度的鋼絞線長期受力監(jiān)測分析(如圖5所示)，進而通過鋼絞線受力變形來合理評價邊坡加固巖體受力變形特征。

圖5 智能錨索原理示意圖及現(xiàn)場實施照片

結(jié)合W19(W20)錨固施工狀態(tài)，擬在2030高程、2040高程、2050高程中的17剖面左右兩側(cè)布置3根智能錨索，智能錨索編號分別為480(2050高程)，436(2040高程)、422(2030高程)。在傳感器位置設(shè)計中，考慮了不同深度卸荷的位置。通過智能錨索的實施，可以針對右岸高邊坡中最重要的不穩(wěn)定塊體中不用位置的卸荷裂隙的張開變形進行有效監(jiān)測，為運行期右岸的安全可靠提供了重要支撐。

4.2 蓄水過程邊坡安全評價

2019年11月19日，一期下閘蓄水；2020年7月，通過二期下閘蓄水驗收，2021年7月18日，通過正常蓄水驗收。

4.3 基于變形監(jiān)測的邊坡變形分析

右岸邊坡針對不穩(wěn)定塊體群，結(jié)合施工條件布設(shè)4座變形觀測墩，分別為G1～G4。其布設(shè)位置見如圖6所示。其觀測墩水平位移和沉降時程曲線見如圖7所示。

圖6 右岸邊坡布設(shè)變形觀測墩示意圖

圖7 右岸高邊坡不同觀測墩水平位移計沉降時程曲線

通過變形觀測墩實測資料可知。右岸邊坡觀測墩G1～G4的沉降變形均呈抬升趨勢，但量值不大，且年度變幅也不大。右岸邊坡觀測墩G1、G2的水平位移呈向左岸向下游趨勢，G3、G4的水平位移呈向右岸向上游趨勢，但總體量值不大，且年度變幅也不大。總體而言，右岸邊坡沉降呈抬升，整體沉降較為一致；水平位移上部呈向左岸向下游、下部呈右岸向上游趨勢，整體受斷層F9影響，上下部呈微錯動趨勢，邊坡整體安全。

4.4 基于InSAR解譯的邊坡形變分析

為進一步了解整個右岸高陡邊坡在蓄水過程中的整體變形規(guī)律，在缺乏相關(guān)資料的情況下，利用InSAR技術(shù)對右岸高陡邊坡從2018年1月開始到三期蓄水過程中的遙感影像進行了分析。

圖8 右岸邊坡遙感解譯形變云圖

從圖可見，右岸邊坡形變呈增加趨勢，但增幅較小。右岸邊坡上部典型測點TS1處三年最大累積形變達到-14.79mm左右，且以每年-1.51mm左右的速度增加；下部典型測點T2處3年最大累積形變達到-6.58mm左右，且以每年0.23mm左右的速度增加。

右岸邊坡遙感影像解譯形變結(jié)果與變形監(jiān)測所反映的結(jié)果較為一致，右岸邊坡上、下部均呈增加趨勢，但上、下部增加趨勢不一致，表現(xiàn)為上、下部存在微錯動趨勢。

4.5 基于智能錨索監(jiān)測信息邊坡安全分析

另外，針對W19不穩(wěn)定塊體中的智能錨索安全監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，除智能錨索張拉過程中由于錨固段存在大型裂隙失效外，其他三根智能錨索都運行正常，從其監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，如圖10所示，目前W19塊體在阿爾塔什水利樞紐工程蓄水過程中錨索全程受力較為均勻，不存在較大變形問題。

圖9 典型測點形變時程曲線圖

圖10

從以上3個方面來看，對右岸高陡邊坡中存在的不穩(wěn)定塊體群治理之后，在樞紐工程三期蓄水過程中，右岸高陡邊坡變形較小，目前是較為安全的。

5 結(jié)語

阿爾塔什水利樞紐工程是新疆葉爾羌河山區(qū)河段上的一座大型控制性水利樞紐工程，在其右岸高陡邊坡中，由于發(fā)育F9斷層、巖層層面等結(jié)構(gòu)面，在卸荷裂隙的進一步影響下形成了大小不一的諸多不穩(wěn)定塊體，這些不穩(wěn)定塊體是工程建設(shè)、運行階段重要的安全隱患。通過利用激光掃描等技術(shù)手段，對這些危巖體進行了相關(guān)量測分析，并且進行了分區(qū)與穩(wěn)定分析，在此基礎(chǔ)上，進一步提出了分區(qū)對待、上下聯(lián)動、挖錨結(jié)合綜合處理方案，并且應用了智能錨索監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，使得右岸危巖體處理的年度施工計劃提前了2個月完成。另外通過近幾年邊坡安全監(jiān)測資料分析可知，右岸邊坡變形較小，W19頂部錨索受力較為均勻，目前邊坡安全可靠。

本文所開展的不穩(wěn)定塊體群的治理技術(shù)，結(jié)合實際地形與地質(zhì)條件，取得了較好的應用效果，也將為其他相類似工程中的不穩(wěn)定塊體群的治理提供重要的參考和借鑒。