黃河上游茨哈峽水電站右壩肩順層巖質(zhì)斜坡破壞模式分析

宋彥輝，黃民奇，陳新建

（1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；

2.中國水電顧問集團(tuán) 西北水電設(shè)計院工程地質(zhì)研究所，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

在黃河上游茨哈峽水電站岸坡穩(wěn)定性研究中，根據(jù)平硐勘探工作，明確、詳細(xì)地揭露了順層高陡巖質(zhì)斜坡由彎曲-拉裂（傾倒）變形轉(zhuǎn)化為蠕滑-拉裂的變形破壞模式及過程，該斜坡變形特征明顯，清楚地揭示了兩類變形模式的特征及轉(zhuǎn)化發(fā)展的階段，充分說明了同一斜坡變形模式的復(fù)合和轉(zhuǎn)化特征。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

斜坡位于黃河上游茨哈峽水電站下壩址右壩肩，上游邊界位于壩軸線以上約220m，下游邊界基本與壩軸線一致。斜坡所在河段，河道基本順直，河流流向北東73°，由于斜坡前緣的垮塌破壞，黃河從上游邊界處向斜坡一岸凹進(jìn)，岸坡由于前緣垮塌，使坡面完整性變差，尤其是靠上游部分的坡體前緣?？傮w上坡型仍較平整。平水期水位高程約2748m，河面寬度約40～60m。岸坡坡度40°～50°，基巖裸露，岸坡相對高差約400m。

構(gòu)成斜坡的巖性主要為三迭系中統(tǒng)板巖、板巖夾砂巖（T2-Ss+Sl），巖體總體上以薄層狀為主，局部夾中厚層狀板巖，斜坡坡體結(jié)構(gòu)為陡傾順向坡。地表局部地段被薄層坡積塊碎石土覆蓋。

斜坡巖體內(nèi)無較大規(guī)模的斷層發(fā)育。包括原生板理在內(nèi)主要發(fā)育5組結(jié)構(gòu)面。其中，板理面產(chǎn)狀平均為316°∠70°，其余4組構(gòu)造結(jié)構(gòu)面分別為：①59°∠25°②66°∠6°③163°∠20°④233°∠71°。其中又以第一組最為發(fā)育（圖1）。

圖1 節(jié)理赤平投影大圓Fig.1 Stereographic projection of the joints

2 斜坡變形工程地質(zhì)特征及其變形機(jī)理

2.1 斜坡變形工程地質(zhì)特征

斜坡變形部分平面形態(tài)呈“鏟”型，上窄下寬，形狀規(guī)整且基本對稱。前緣寬244m、中部寬165m、后緣寬 138m。平均厚度約 16.5m，分布面積 4.1×104m2，估算方量 67 ×104m3（圖 2）。

變形部分前緣高程2790～2792m，高出平水期河水面40多米。后緣為緩傾斜坡，坡度約25°～30°，高程2940～2967m。變形體上游邊界基本以沖溝為界，下游邊界不甚清楚，基本以斜坡表面小型切溝、沖溝為界。從斜坡前緣至高程2890m，斜坡坡度較大，平均坡度約45°。自2890m至變形體后緣，斜坡坡度變緩，平均坡度約28°。

圖2 變形斜坡平面圖Fig.2 Plan of the deform ed slope

斜坡淺表部巖體發(fā)生了明顯的彎曲變形，導(dǎo)致巖體破碎、松散?？可嫌芜吔绲那熬壊课唬寻l(fā)生過擠壓垮塌。變形部分與下部完整基巖在前緣界限清楚，受上部變形巖體的擠壓，下部基巖局部被壓垮（圖3）。

圖3 斜坡前緣的垮塌破壞Fig.3 Slope slum ping in leading edge

變形部分后緣緩坡上主要發(fā)育有4條張裂縫，并有次級裂縫伴生（圖4），最長122m，寬1～2m，傾向岸外，順坡向呈弧形延伸、拉裂并有明顯錯坎（達(dá)0.5～1m）。后緣地形呈明顯臺階式下錯，共有2～3級小型錯臺。

圖4 斜坡后緣拉裂縫Fig.4 The rear-edge tensile cracks of the slope

根據(jù)斜坡變形區(qū)的勘探平硐揭露結(jié)果，變形部分在下游邊界處的水平變形深度為43m，由于此處岸坡凹進(jìn)，因此變形體主體部分的水平變形深度應(yīng)大于此深度。從岸坡水平向里至43m，巖體彎曲變形強(qiáng)烈，一般彎曲變形后的巖層呈近水平狀，略傾向坡內(nèi)，巖層傾角10°～30°，局部地段松動、破碎嚴(yán)重；43m以后巖體完整，不存在變形現(xiàn)象。表1是勘探平硐中不同水平深度內(nèi)的巖體變形特征，圖5～圖7是硐內(nèi)不同深度巖體變形素描圖。

從表1及素描圖中的巖層變形特征可以看出，目前斜坡的傾倒變形（彎曲 -拉裂）已基本完成，從坡體后緣的拉裂縫及前緣的蠕動擠壓可以看出，斜坡變形現(xiàn)已明顯轉(zhuǎn)入蠕滑-拉裂變形階段。

表1 勘探平硐中巖體變形特征Table 1 Deformation characteristic of the rock m ass in exploration adit

圖5 平硐14～18m段巖體變形特征Fig.5 Deformation characteristic of rock mass from horizontal depth of 14m to 18m

圖6 平硐35～36m段巖體變形特征Fig.6 Deformation characteristics of the rock mass from horizontal depth of 35m to 36m

圖7 平硐36～42m段巖體變形特征Fig.7 Deformation characteristics of the rock m ass from horizontal depth of 36m to 42m

2.2 斜坡變形破壞演變過程

斜坡的變形破壞特征明顯地揭示了其變形破壞方式和演變過程，即該斜坡屬于復(fù)合型的變形破壞機(jī)制，最初的變形主要表現(xiàn)為近順層陡傾巖層的彎曲、拉裂，其后轉(zhuǎn)化為蠕滑-拉裂型破壞模式，并將最終以滑坡方式結(jié)束其變形過程。其變形過程可分為如下幾個階段：

（1）彎曲-拉裂變形階段：斜坡前緣陡傾板巖在自重彎矩及空隙水壓等作用下［1］，于前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，使原本陡傾坡外的板理面轉(zhuǎn)為傾向坡內(nèi)，隨著彎曲變形的發(fā)展和向后推移，板理之間產(chǎn)生互相錯動并出現(xiàn)拉裂，前緣坡體出現(xiàn)垮塌，后緣出現(xiàn)拉裂縫；

圖8 斜坡變形演化過程Fig.8 Developing process of the slope deformation

（2）板巖彎曲根部形成斷續(xù)拉裂面：由于板巖呈薄層狀，彎曲變形的程度很高，巖層面由原來的陡傾坡外轉(zhuǎn)為傾向坡內(nèi)，其傾角較小，一般為25～30°左右，局部巖層甚至近水平，變形角度較大。由此在最大彎折帶部位形成折斷面；

（3）蠕滑-拉裂變形：在上述折斷面形成的基礎(chǔ)上，變形巖體在重力作用下沿折斷面或折斷面以上巖體（圖5）發(fā)生向臨空方向的蠕滑，這一過程造成后緣拉裂縫的出現(xiàn)及前緣巖體的蠕滑擠出。其長期發(fā)展趨勢將導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。

上述變形破壞過程可用圖8表示，由此可見，目前斜坡變形的發(fā)展已初步形成潛在折斷面，并正處于蠕滑-拉裂變形階段。從地質(zhì)歷史過程分析，其處于從穩(wěn)定變形到不穩(wěn)定破壞的過渡階段。

3 變形斜坡穩(wěn)定性分析

由斜坡變形破壞特征及其機(jī)理可知，其最終破壞方式為蠕滑-拉裂形成的滑坡，潛在滑移面就是巖體彎曲折斷的界面，大體上成弧形，由此根據(jù)斜坡后緣拉裂縫的位置、勘探平硐揭露的分界面以及前緣蠕滑剪出口即可準(zhǔn)確地確定變形斜坡的潛在滑面形態(tài)（圖9）。

圖9 斜坡潛在滑移面Fig.9 Potential sliding p lane of the slope

由于潛在滑移面為板巖彎曲折斷面，因此，潛在滑面的物質(zhì)組成起初主要應(yīng)由折斷的板巖碎塊、巖屑等組成，且局部地段可能尚未完全折斷貫通。根據(jù)斜坡的變形特征，目前滑移面已基本形成。因此在對潛在滑面的物理力學(xué)參數(shù)選取時，主要參照碎石土的經(jīng)驗取值，考慮坡體中局部地段可能尚未完全貫通，但局部地段層間擠壓破碎帶又會產(chǎn)生局部夾泥，因此計算時對類比值進(jìn)行了綜合考慮。根據(jù)以上原則，潛在滑面參數(shù)的取值按表2執(zhí)行［2］。

穩(wěn)定分析主要考慮天然條件、降雨條件、地震條件下變形體的穩(wěn)定狀況。考慮地震作用時，按Ⅶ度考慮，水平地震系數(shù)取0.1。由于研究區(qū)地處高原半干旱高寒型氣候區(qū)，降雨持續(xù)時間及一次降雨量一般均較小，故降雨條件下潛在滑帶參數(shù)按天然條件下的90％取值。而飽水條件下的參數(shù)依經(jīng)驗按天然條件下的 80％ 折減［3，4］。

計算結(jié)果表明，盡管斜坡正處于蠕變變形之中，但天然條件、降雨條件及地震作用下總體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有在暴雨疊加地震時斜坡才會處于極限平衡狀態(tài)。

表2 潛在滑面的抗剪強(qiáng)度Table 2 Shear strength of the potential sliding plane

依據(jù)上述計算剖面及參數(shù)取值，采用SARMA法［5，6］計算得斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)見表 3。

表3 穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 3 The result of stability analysis

4 結(jié)論

茨哈峽水電站岸坡變形特征清楚地展現(xiàn)了一類由傾倒轉(zhuǎn)化為蠕滑-拉裂變形發(fā)展的機(jī)理、過程及發(fā)展趨勢。這一實例表明，斜坡變形破壞的演變過程往往不是單一的，而且在同一階段斜坡不同部位可存在不同的變形模式。對這類斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，首先應(yīng)著重于變形機(jī)理，然后分析潛在破壞面的性質(zhì)，進(jìn)而根據(jù)試驗或經(jīng)驗公式確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而準(zhǔn)確地把握變形斜坡的穩(wěn)定狀況。

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