巖質(zhì)高邊坡裂縫成因分析

崔華麗，費文平，張國強

（四川大學水利水電學院水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

巖質(zhì)高邊坡裂縫成因分析

崔華麗，費文平，張國強

（四川大學水利水電學院水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性直接影響到水電站建設(shè)的順利進行。西南某水電站右岸高邊坡巖體卸荷深度大，巖脈、斷層、裂隙發(fā)育，且施工開挖規(guī)模大，邊坡在施工過程中出現(xiàn)了大量裂縫，對后續(xù)施工和運行期的穩(wěn)定性產(chǎn)生極其不利的影響。針對該水電站巖質(zhì)高邊坡出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，結(jié)合該邊坡的地質(zhì)資料、監(jiān)測成果及施工情況，綜合分析了邊坡出現(xiàn)裂縫的原因，并提出了相應(yīng)的工程治理措施，對類似工程的勘探、監(jiān)測分析和工程治理具有一定的參考價值。

巖質(zhì)邊坡；裂縫成因；安全監(jiān)測

1 概 述

巖質(zhì)高邊坡是山區(qū)工程建設(shè)中的主要地質(zhì)環(huán)境載體。在中國西南地區(qū)高邊坡問題幾乎成為重大工程建設(shè)的首要地質(zhì)和巖石力學問題，極大影響著工程建設(shè)的可行性和運行效益。巖質(zhì)高邊坡開挖暴露面積大，邊坡高陡，斷層、節(jié)理、軟弱夾層發(fā)育，地質(zhì)條件復雜，嚴重影響其施工期及運行期的穩(wěn)定性。國內(nèi)外很多學者［1］對巖質(zhì)高邊坡的變形和穩(wěn)定性進行了有益的探討。

高邊坡裂縫不僅種類繁多，形態(tài)各異，而且在巖體工程領(lǐng)域中是一個相當普遍的問題。裂縫會降低坡體的穩(wěn)定性和耐久性，甚至還會導致整體滑坡的重大事故［2－8］。由此可見，高邊坡裂縫的形成、發(fā)展、治理，對工程的進度、造價產(chǎn)生了較大影響，因此，深入分析裂縫成因、采取有效的治理措施是十分必要的。

本文依托西南某水電站巖質(zhì)高邊坡工程，結(jié)合該邊坡的地質(zhì)資料，施工期多點位移計、測斜儀監(jiān)測成果，及施工情況，綜合分析了邊坡出現(xiàn)裂縫的原因，并提出了對應(yīng)的工程治理措施，對類似工程具有一定的參考價值。

2 裂縫簡介及監(jiān)測儀器布置

2.1 工程簡介

某水電站是四川省西部大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，地應(yīng)力較高，巖體卸荷及風化強烈。自然坡度一般40°～65°，相對高差一般在600 m以上。

右岸1 220 m高程以上自然坡度為35°～40°，地形較緩，地表基本上為崩坡積層所覆蓋，水平厚度為10～20 m，垂直厚度10～15 m；1 220 m高程以下自然坡度一般40°～50°，谷坡陡峻，基巖裸露，相對高差一般在600 m以上，地形較為完整。邊坡基巖巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖，局部出露輝綠巖脈（β），花崗細晶巖脈等，據(jù)勘探揭示：右岸發(fā)育有β5（F1），γL5，β85，β62，β117（f78），β43，β8（f7），XL9－15，XL316－1，β146，f65，f242（f243），f231，f119，β82（f74），β73（f118），β142，β219等主要巖脈、斷層、卸荷裂隙密集帶；河床發(fā)育有β88，β144，β145等主要巖脈，節(jié)理裂隙主要發(fā)育有6組。由于發(fā)育有大量的巖脈破碎帶、小斷層、節(jié)理裂隙等，該電站右岸邊坡局部存在結(jié)構(gòu)面的不利組合，從而影響邊坡的局部穩(wěn)定性。

2.2 邊坡裂縫概況

右岸1 135 m以下邊坡于2009年2月開始爆破施工，10月右岸停止下挖，在此期間右岸邊坡共出現(xiàn)3次較大的變形。

（1）2009年5月3日裂縫，右岸1 124～1 127 m高程已掛網(wǎng)噴混凝土封閉的邊坡上出現(xiàn)裂縫，裂縫呈斷續(xù)延伸，表現(xiàn)為3段裂縫區(qū)，裂縫張開4～7 cm。

（2）2009年8月16日，右岸1 075～1 092m高程邊坡出現(xiàn)裂縫，共4條：裂縫L2－1，L2－2張開0.1～0.2 cm，延伸長4～6 m，為橫向縫；裂縫L2－3沿輝綠巖脈β62上界面，張開1.5～2 cm，延伸長約10 m；裂縫L2－4張開0.1～0.3 cm，延伸長約6.3 m。

（3）2009年9月1日下午2：10左右，右岸1 135～1 165 m高程邊坡出現(xiàn)裂縫，為豎向縫，裂縫沿β219輝綠巖脈展布，另外在高程1 100～1 135 m邊坡也發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)，裂縫情況如圖1。

圖1 右岸裂縫圖Fig.1 Cracks of right bank

3 裂縫成因分析

右岸1 040～1 135 m高程地質(zhì)條件較差部位布置了4套四點式多點位移計和3套測斜管，多點位移計4個測點的深度為：5，13，25，39 m，測斜管監(jiān)測深度均為39 m。監(jiān)測儀器的儀器布置圖參見圖2，其它剖面與剖面4類似，儀器安裝情況見表1。

圖2 監(jiān)測布置剖面圖（監(jiān)測剖面4）Fig.2 Profile ofmonitoring instruments arrangement

3.1 變形監(jiān)測成果分析

裂縫區(qū)域的監(jiān)測儀器監(jiān)測成果如圖3至圖7和表2至表3，其中多點位移計測值-時間曲線形態(tài)相似，測斜管IN5，IN7孔口位移-深度曲線相似，本文選取多點位移計和測斜管IN6，IN7測值曲線圖加以詳細分析，多點位移計和測斜管IN5的測值在表2、表3中均已列出。

表1 監(jiān)測儀器安裝統(tǒng)計表Table1 Statistics ofmonitoring instruments

圖3 多點位移計測值-時間過程線Fig.3 Displacement-time curves of

圖4 多點位移計測值-時間過程線Fig.4 Displacement-time curves of

從圖2至圖4及表2可以看出：

（1）多點位移計各測點的變形基本保持一致，測值-時間曲線表現(xiàn)為臺階式上升，變形均表現(xiàn)為向坡外的正位移，且位移量值較大。

（2）測值-時間曲線揭示出坡體變形主要集中在6月下旬到8月中旬，這與此時間段爆破及施工開挖強度大密不可分；9月中旬，右岸邊坡停止下挖開始全面支護，各監(jiān)測儀器測值變化量也逐漸趨于平穩(wěn)。

表2 多點位移計測值統(tǒng)計表Table2 Displacement by multi-point displacement M eter

圖5 測斜孔IN6孔深-位移曲線Fig.5 Displacement-depth curves of IN6

圖6 測斜孔IN7孔深-位移曲線Fig.6 Displacement-depth curves of IN7

（4）各多點位移計監(jiān)測成果反映出的較弱結(jié)構(gòu)面與地質(zhì)勘測得出的結(jié)果基本保持一致，說明右岸邊坡的監(jiān)測方案基本是可以監(jiān)測到軟弱結(jié)構(gòu)面的。

施工期測斜管IN6，IN7的監(jiān)測成果分析如圖5至圖7和表3，本文選取測斜管A向位移即向河床方向的位移進行分析。

圖7 測斜孔IN6和IN7位錯－時間曲線Fig.7 Dislocation-time curves of IN6and IN7

表3 測斜管揭示出的軟弱帶情況統(tǒng)計Table3 Weak belts revealed by inclinometer tube

從圖5至圖7可以得出：

（1）盡管各測斜孔所處位置不同，其孔口位移大小也有所差異，但是測斜管監(jiān)測成果均反應(yīng)出右岸邊坡存在明顯的剪切變形。

（2）各測斜管孔深-位移曲線形態(tài)基本保持一致，由圖7可以得出右岸邊坡已產(chǎn)生較大的滑動變形，滑帶之間的錯動主要發(fā)生在7月15日至9月1日期間，深部滑動面的位錯滑移屬于典型的結(jié)構(gòu)面控制型滑動變形，IN6測斜管8月15日1 092 m高程測點測值相對8月5日增加了3.28 mm，8月16日現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)裂縫，停止下挖全面支護期間，位錯-時間曲線變化平穩(wěn)，觀測成果及時地反映了工程的現(xiàn)場情況。

3.2 地質(zhì)條件

由于河流下切引起岸坡應(yīng)力調(diào)整，右岸邊坡淺表部受地質(zhì)改造作用，開挖引起巖體卸荷，其破壞形式主要表現(xiàn)為滑移－拉裂變形、蠕滑－拉裂變形，局部可能會產(chǎn)生崩塌破壞。

右岸邊坡坡體內(nèi)發(fā)育有多條巖脈破碎帶、卸荷裂隙密集帶和多條斷層（如圖1）。巖脈β85延伸長約200 m，產(chǎn)狀N0°－10°W／SW＜60°～70°上游邊坡出露長約150 m，下游邊坡出露長度約50 m，厚度2～3m，巖脈呈鑲嵌－塊裂結(jié)構(gòu)，與圍巖主要呈裂隙式接觸；輝綠巖脈β62延伸長約240 m，產(chǎn)狀N10°－35°W／SW＜60°～80°，在EL 1 130～1 070m之間上游邊坡出露長約50 m，厚度2～3 m，巖塊裂結(jié)構(gòu)；輝綠巖脈β219產(chǎn)狀N78°W／NE＜64°～87°，寬約1.3 m，碎裂－塊裂結(jié)構(gòu)，與花崗巖上接面為裂隙式、下接面斷層式；斷層f231延伸長約80 m，破碎帶寬約7～30 cm，由破裂巖、角礫巖、碎粉巖組成，產(chǎn)狀為SN／40°～50°，并且與斷層f65相連，導致潛在不穩(wěn)定塊體滑動面強度降低。根據(jù)地質(zhì)條件推斷1 070～1 135 m邊坡β85，β62，f242，f243等輝綠巖脈傾向坡內(nèi)，可構(gòu)成后緣邊界；β219，βj622等陡傾角輝綠巖脈與邊坡大角度相交，可構(gòu)成上游側(cè)緣邊界；斷層f231的走向與邊坡走向近于平行，傾向坡外，傾角中等，構(gòu)成底滑面，這些為邊坡產(chǎn)生滑移-拉裂提供了潛在的滑移面。

多點位移計和測斜管的監(jiān)測成果顯示：位于斷層f231影響帶的5套多點位移計的變形相對較大，且均呈現(xiàn)出深部變形特征，最大變形28.83 mm，3套測斜管也出現(xiàn)了明顯的剪切變形。綜合工程地質(zhì)條件、監(jiān)測儀器成果分析及裂縫展布特征可以認為：右岸邊坡形成了以β85，β62，f242，f243為后緣邊界，β219，βj622為上游側(cè)緣邊界，斷層f231為底滑面的塊體，當邊坡下挖，斷層f231在邊坡上出露，塊體產(chǎn)生了滑移-拉裂變形，從而導致邊坡噴混凝土表面出現(xiàn)裂縫。

3.3 開挖及支護分析

隨著2009年6月、7月右岸邊坡工程進展，右岸邊坡表層的阻滑巖體大量被開挖，惡化了邊坡原始應(yīng)力平衡性狀，爆破開挖過程中產(chǎn)生的卸荷回彈、松弛變形不可避免，這種變形的累計將進一步破壞邊坡的平衡狀態(tài)。

從圖3、圖4可以得出：爆破振動引起的坡體變形較大，且呈臺階狀增加，位移歷時過程曲線每一個臺階對應(yīng)一次較大的爆破?，F(xiàn)場爆破資料顯示，6月右岸已開挖至1 090 m高程，6月、7月爆破施工強度較大，據(jù)統(tǒng)計1 100～1 040 m邊坡6月和7月間共實施爆破48次，平均0.8次／d，8月1日至12日實施爆破6次。進入8月右岸邊坡裂縫持續(xù)出現(xiàn)。

截止2009年8月6日右岸邊坡主要進行邊坡掛網(wǎng)噴砼和淺層錨桿支護，1 100～1 135 m邊坡僅完成錨索6臺，數(shù)量較少。一方面錨桿支護只能對淺層巖體的變形有效，另一方面錨索施工進度嚴重滯后，群錨效應(yīng)未能得到發(fā)揮，控制性結(jié)構(gòu)面的變形未被抑制。

9月1日后右岸邊坡停止下挖，開始全面支護，多點位移計測值和測斜管位錯變化也逐漸趨于平穩(wěn)?？梢哉J為施工開挖是邊坡出現(xiàn)裂縫的直接原因，支護進度嚴重滯后于開挖進度促進了邊坡向臨空面變形。

4 結(jié)論與建議

（1）右岸邊坡地質(zhì)條件復雜，天然邊坡基本穩(wěn)定，但由于巖脈、斷層破碎帶和節(jié)理裂隙切割，邊坡巖體風化卸荷強烈，故存在淺表局部不穩(wěn)定問題。

（2）右岸邊坡6月至8月期間開挖強度大，支護進度嚴重滯后于開挖進度，深部卸荷裂隙帶及斷層f231在邊坡上出露，工程邊坡穩(wěn)定性下降，直接導致了邊坡裂縫的出現(xiàn)。

（3）采用測斜儀來監(jiān)測邊坡深部巖體內(nèi)未知結(jié)構(gòu)面的變形，確定可能的滑動帶，是一種行之有效的手段。

（4）右岸邊坡的監(jiān)測儀器工作狀態(tài)良好，對邊坡爆破開挖施工響應(yīng)明顯，能夠及時有效監(jiān)測施工導致的邊坡變形情況，對邊坡穩(wěn)定起到了預(yù)警作用。

（5）建議：在1 120～1 240 m高程分5層設(shè)置抗剪洞和錨固洞來置換斷層f231；利用深層縱、橫排水洞、坡面排水淺孔、深孔、截排水系統(tǒng)及坡面的防滲噴混凝土等措施形成系統(tǒng)的綜合排水網(wǎng)絡(luò)；在右岸1 135～1 225 m高程邊坡及右岸拱肩槽上游1 070～1 135 m高程邊坡施加預(yù)應(yīng)力錨索；加強邊坡開挖的動態(tài)監(jiān)測。

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（編輯：王 慰）

Analysis on Crack Causes of High Rock Slope

CUIHua-li，F(xiàn)EIWen-ping，ZHANG Guo-qiang
（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，College ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Sichuan 610065，China）

The stability of high rock slope has a direct impact on the smooth construction of a hydropower station.Due to large unloading depth and developed dikes，faults and fissures，as well as large-scale excavation，a large number of cracks occurred in the excavation of the right bank slope of a hydropower station in southwest China，which would produce unfavorable influences on the subsequent construction and the stability during operation peri-od.Based on the cracks of high rock slope and according to the geological data，monitoring results and construction conditions，the causes of cracks are analyzed comprehensively and the corresponding engineering treatmentmeas-ures are suggested，whichmay provide references for the exploration，monitoring and engineering treatment of simi-lar projects.

rock slope；causes of crack；safetymonitoring

TD824.7

A

1001－5485（2011）02－0045－05

2010-03-09

國家自然科學基金重點項目（50639100，50974091）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2010CB226802，2010CB732005）

崔華麗（1983-），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事巖土工程研究，（電話）13408528124（電子信箱）huali8831＠126.com。