某電站邊坡卸荷巖體工程地質(zhì)研究與穩(wěn)定性分析

石海榮 楊作恒 王軍

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院 杭州 310002）

1 緒言

某電站工程以發(fā)電為主，兼有防洪作用，電站裝機容量60MW。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、右岸引水系統(tǒng)和岸邊廠房等建筑物組成。庫水由上平硐、調(diào)壓井，經(jīng)豎井、下平硐接入發(fā)電廠房。廠房距壩址約11km。發(fā)電廠區(qū)內(nèi)布置有主廠房、副廠房、升壓站等，依次從河道的上游往下游呈“一”字型排列。

工程于2002年3月開工建設(shè)，2005年6月下閘蓄水。2007年7月，在持續(xù)降雨情況下，廠房后邊坡產(chǎn)生局部坍塌，下陷形成塌坑。2008年5月6月，高程250m 馬道又產(chǎn)生沉陷和鼓包現(xiàn)象，下部擋墻也出現(xiàn)了約10cm 的變形錯動，并在開挖邊坡上部發(fā)現(xiàn)地表拉裂縫，邊坡的變形趨勢對廠房的安全運行構(gòu)成威脅。

2 廠房后邊坡工程地質(zhì)條件

壩址至廠址河流曲折，呈“S”形。廠房上下、游山坡沖溝發(fā)育，與河流略呈正交，沖溝切割深度約20～30m。廠房區(qū)地面高程230m 左右，后山坡相對高差約570 米。河流兩岸山坡陡竣，廠房后山坡地形總體為下陡上緩，往上、下游兩側(cè)的坡度相對平緩。

山坡上生長的部分（直徑約15cm 以上的）松樹、杉樹的樹根段可見馬刀形彎曲，具有“馬刀樹”特征，分布高程一般在400m 以下，高程400m 以上樹木較少，一般無較大的樹木。

廠房后山坡，高程270m 以下，380～400m及450m 以上局部出露侏羅系上統(tǒng)黃尖組第一段（J3h1）基巖，呈全—強風(fēng)化狀，巖石為塊狀構(gòu)造，新鮮巖石堅硬。山坡廣泛分布第四系全新統(tǒng)崩坡積層（col-dlQ4），根據(jù)勘探鉆孔和平硐揭露，山坡上崩坡積塊石、巨（孤）石與粉質(zhì)黏土混雜，厚度一般10～20m。其中粉質(zhì)黏土厚度一般1～3m，局部可達6m 左右。塊石直徑一般0.5～5m，部分塊石直徑大于10m，且為粉質(zhì)黏土包裹。巨（孤）石形態(tài)不一，一般呈弱風(fēng)化—微風(fēng)化，局部呈強風(fēng)化狀。

廠房區(qū)附近斷層以NW（順河向）向為主，次為NE（順坡向）向。根據(jù)發(fā)育的斷層、裂隙與節(jié)理統(tǒng)計，廠房后邊坡發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有：290～310°，SW∠40～60°；40～60°，NW∠70～85°，斷層主要由擠壓破碎帶組成。

山坡處地下水埋深受地形、巖石的風(fēng)化程度、完整性及充填物質(zhì)等的影響而深淺不一，深度可達5～50m。在廠房后邊坡附近較淺，往山坡方向埋深加大，深處可達30～50m。崩坡積層現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)K=0.01～0.006cm/s，局部K=2cm/s，為強—中等透水性。

3 邊坡卸荷巖體工程地質(zhì)研究

3.1 邊坡巖體的卸荷特征

3.1.1 巖體風(fēng)化特征

根據(jù)山坡處的鉆孔、豎井及平硐資料，廠區(qū)山坡巖石風(fēng)化厚度變化較大，中、上游較下游風(fēng)化強，表現(xiàn)在下游強風(fēng)化帶厚度一般要比上游厚，順坡向靠廠房后邊坡附近變厚，往山坡上方變薄。

山坡處風(fēng)化巖石可分為“碎粒巖”和“碎裂巖”兩種，一般為強風(fēng)化巖石，局部為弱風(fēng)化巖石。在空間分布上“碎粒巖”和“碎裂巖”相間分布，無固定分布規(guī)律。

“碎粒巖”為巖石受局部擠壓錯動成礫狀，呈碎屑狀—碎塊狀結(jié)構(gòu)，粒徑一般0.5～5 cm，一般以巖屑為主，含有少量巖粉，次生泥含量一般較少。“碎粒巖”帶層次不均一，厚度變化大，鉆孔資料揭示單層厚度變化在0.1～14m，垂直方向上規(guī)律性差。

“碎裂巖”為碎裂—塊裂結(jié)構(gòu)，鉆孔中表現(xiàn)為巖芯呈碎塊狀，中陡傾角節(jié)理發(fā)育，陡傾角節(jié)理一般為碎屑或軟化方解石充填，局部有巖粉或有黃色黏土充填，充填泥質(zhì)者較少，節(jié)理面寬度一般0.3～0.1cm，面多粗糙，以張裂為主。平硐中揭露緩傾角節(jié)理多充填次生黃色黏土，厚度1～3 cm，局部交匯處可達10 cm左右，一般傾向山外，以偏向下游者居多。平緩充填泥質(zhì)的裂隙數(shù)量上較多，但連續(xù)性差，往往被NW 向裂隙截斷，在剖面上呈階梯狀延伸。泥質(zhì)充填物質(zhì)多少可能與是否靠近坡腳位置有關(guān)，往山坡上方碎裂巖石之間的泥質(zhì)充填較坡腳附近少。另外，平硐中可見碎裂巖帶中還存在多處架空空洞，洞內(nèi)巖石松散，產(chǎn)狀凌亂，充填黏土和泥漿，滲水。

3.1.2 巖體卸荷特征及分布范圍

按GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，根據(jù)廠區(qū)后山坡巖體風(fēng)化厚度、風(fēng)化巖體特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及卸荷裂隙分布情況等將廠區(qū)山坡劃分為2 個卸荷帶。高程400m 以下山坡為強卸荷帶，據(jù)鉆孔揭露，碎粒巖、碎裂巖在高程400m 以下腳底厚度一般在50m 以內(nèi)。高程400m 以上可達68m，節(jié)理很發(fā)育，一般充填巖屑為主，少量次生泥。平硐中揭示，拉張裂隙發(fā)育，多充填次生黏土，局部空洞發(fā)育，寬度可達20～30cm，其傾倒、松動特征明顯。

式中：yi,j表示新位置的植株，xi,j∈[aj，bj]表示Xi的第j條路徑值，aj，bj分別為搜索空間的上邊界值與下邊界值，α是[0,1]的隨機數(shù)。將種群按照適應(yīng)度值優(yōu)劣分為兩類：

高程400m 以上山坡為弱卸荷帶，地表部分出露風(fēng)化巖，地表局部產(chǎn)生拉開裂縫，但充填泥質(zhì)和錯位變形現(xiàn)象較弱。鉆孔中揭露，破碎巖石主要為碎粒狀，具有新鮮巖石、碎裂巖石、粒狀巖石間隔出現(xiàn)的特點。

3.2 卸荷體變形成因分析

該電站自運行以來，廠房后邊坡在雨季多次發(fā)生邊坡小塌滑（溜坡），馬道產(chǎn)生沉陷和鼓包現(xiàn)象，下部擋墻出現(xiàn)變形錯動，并在開挖邊坡上部發(fā)現(xiàn)地表拉裂縫等變形跡象。其主要原因是廠房后山坡存在的卸荷、傾倒、松動的卸荷松動帶，受NW 向（順河向）構(gòu)造的破壞作用，使山體受到強烈切割。較密集的NW 向結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致本區(qū)堅硬的熔結(jié)凝灰?guī)r產(chǎn)生切割破壞，呈碎粒狀和碎裂狀，加之河谷深切，卸荷作用強烈，在巖體自重作用下，使上部巖體產(chǎn)生拉開。而下部巖體因埋深大，物理及風(fēng)化作用影響小，強度相對較強，而開度較小。在長期地質(zhì)作用下，次一級中傾角羽裂帶與陡傾裂隙的組合使原有堅硬巖石產(chǎn)生錯動和位移，使廠房后山坡巖體產(chǎn)生碎粒巖帶成為可能，而在羽裂較弱地段，僅產(chǎn)生碎裂。廠房后邊坡山脊十分單薄，兩側(cè)山溝深切，邊坡自然坡度較陡，臨空條件較好，巖體中反傾坡內(nèi)的NW 向及NE 向中陡傾角小斷層、裂隙十分發(fā)育，形成陡立的“似層狀”結(jié)構(gòu)，完整性差，加之地表水入滲條件好，邊坡具備卸荷松動、傾倒破壞的條件。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，廠房后邊坡未發(fā)現(xiàn)連續(xù)的緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面，調(diào)壓井、引水隧洞下平洞段開挖及已有的勘探平洞、豎井及鉆孔也未揭示明顯的、統(tǒng)一的底滑面，但鉆孔、平洞中均反映巖體風(fēng)化、卸荷十分強烈，局部傾倒變形、拉裂跡象明顯，普遍充填次生夾泥。

在漫長的地質(zhì)活動中，破碎巖體受地下水活動影響，產(chǎn)生風(fēng)化和充填次生泥，不斷改變巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，至今未有明顯的滑動變形，雖在山坡出現(xiàn)有小裂縫，山坡巖體破碎等特征，但其后緣變形、滑床、前緣帶等滑坡的基本特征尚不具備，僅具備卸荷、傾倒、松動等變形特點。因此，從邊坡地形條件、巖體結(jié)構(gòu)特征、變形程度及坡面變形拉裂等現(xiàn)象綜合分析，邊坡巖體為卸荷傾倒松動變形巖體。

4 邊坡穩(wěn)定分析與評價

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，廠房后邊坡穩(wěn)定受后邊坡崩坡積層與廠后山坡松動卸荷體控制。邊坡穩(wěn)定分析按照DL/T5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》推薦采用有效應(yīng)力法，采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓—普萊斯（Morgenstern—Price）極限平衡分析方法進行計算。計算參數(shù)見表1.

表1 崩坡積層計算參數(shù)

4.1 崩坡積層邊坡穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定分析計算結(jié)果見表2。從原始邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果可以看出，穩(wěn)定安全系數(shù)1.10<1.15，崩坡積層邊坡不能滿足穩(wěn)定要求，必須對廠房后邊坡進行支護處理。詳見圖1。

表2 不同工況崩坡積層邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

圖1 原始崩坡積層穩(wěn)定控制滑裂面

因新鮮基巖埋深較深，考慮采用錨筋樁（長20/25）間排距為2.5m×2.5m 進行處理。由計算成果可以看出，相比原始崩坡積層分析成果，滑裂面前緣底高程明顯抬高，從邊坡最上端錨筋樁約280m 高程滑出，這說明支護方案對于阻止滑裂面從280m 高程以下滑出是有效穩(wěn)定安全系數(shù)由1.10 提高到1.153，提高了5%，滿足規(guī)范要求。

4.2 巖體卸荷帶穩(wěn)定分析

對分界點400m 高程以下，強卸荷區(qū)的卸荷松動變形帶進行穩(wěn)定分析。卸荷松動變形帶按最差的壓碎巖帶考慮，抗剪斷強度f′=0.55～0.50，c′=0.1～0.2MPa。根據(jù)強弱卸荷區(qū)的劃分及勘探揭示的變形跡象分析，邊坡中沒有產(chǎn)生連續(xù)的滑動面，不存在整體滑移破環(huán)的可能。根據(jù)邊坡巖體變形程度，按傳統(tǒng)穩(wěn)定安全系數(shù)等于1.05～1 的極限平衡條件反算綜合強度參數(shù)。在最不利斷面上初擬排水工程措施以前原始邊坡地下水位線，邊坡安全系數(shù)為1.05，推算出f′=0.53，c′=0.122MPa，原始邊坡滑裂面計算成果見圖2。

圖2 短暫工況穩(wěn)定控制滑裂面

根據(jù)現(xiàn)狀地形及施工條件，在高程250m 馬道上布置一排抗滑樁(截面尺寸：2.5m×3.5m，間距7.5m)，穩(wěn)定計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.219，安全系數(shù)可提高1.2%。加上抗滑樁措施后，滑裂面位置上移，最不利滑裂面出現(xiàn)在250m 高程以上卸荷松動變形區(qū)，由此可以判斷抗滑樁對于阻止滑裂面從250m 馬道以下滑出是有效的。

250m 馬道“缺口”設(shè)壓腳以恢復(fù)山體原地形，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高到1.222，僅在抗滑樁基礎(chǔ)上提高0.25%。

不同工況巖體卸荷帶穩(wěn)定計算結(jié)果詳見表3。

表3 不同工況巖體卸荷帶穩(wěn)定計算結(jié)果

4.3 巖體卸荷帶敏感性分析

邊坡穩(wěn)定分析受參數(shù)選擇的影響，帶有諸多的不確定性，為此對容重γ、抗剪斷強度參數(shù)c’和f’、水位高度進行了敏感性分析，計算成果見圖3、圖4。

圖3 排水措施實施后持久工況參數(shù)敏感性分析圖

圖4 排水措施實施后短暫工況參數(shù)敏感性分析圖

由計算成果可以看出，抗剪斷強度參數(shù)c’變化最為敏感，其次是水位線高度，再次為抗剪斷強度參數(shù)f’和容重γ。短暫工況相比持久工況f’更為敏感。

4.4 巖體卸荷帶可靠度分析

可靠度分析采用Mont Carlo（蒙特卡洛法），對水位線上、下變幅5m 進行了5000 多次的試算，排水工程實施以后，持久工況概率密度和概率分布分別見圖5、圖6；短暫工況概率密度和概率分布分別見圖7、圖8。

圖5 排水措施實施后持久工況水位變化概率密度分布圖

圖6 排水措施實施后持久工況水位變化概率分布圖

圖7 排水措施實施后短暫工況水位變化概率密度分布圖

圖8 排水措施實施后短暫工況水位變化概率分布圖

由計算成果可以看出，持久工況95%的概率安全系數(shù)大于1.15；短暫工況近乎100%的概率安全系數(shù)大于1.05。

5 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)邊坡破壞的成因機制、破壞形式、性質(zhì)、發(fā)育程度，確定該電站廠房后邊坡巖體為卸荷傾倒松動變形巖體，卸荷松動變形帶底界未形成明顯的連續(xù)面。

（2）廠房后邊坡崩坡積厚度較大，地形較陡，在連續(xù)降雨季節(jié)，土體吸水產(chǎn)生飽和狀態(tài)時，邊坡土體易產(chǎn)生強度下降，穩(wěn)定性降低時，存在淺層滑動產(chǎn)生山坡失穩(wěn)的可能，須進行邊坡治理。

（3）通過邊坡內(nèi)部（平硐）和表面排水，降低地下水位線，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提高明顯，對邊坡穩(wěn)定影響顯著。工程措施實施以后安全系數(shù)各工況均能滿足規(guī)范要求。

（4）根據(jù)敏感性分析結(jié)果，抗剪斷強度參數(shù)c’變化對穩(wěn)定安全系數(shù)最為敏感，其次是水位線高度，再次為抗剪斷強度參數(shù)f’和容重γ。

（5）根據(jù)可靠度分析結(jié)果，持久工況95%的概率安全系數(shù)大于1.15；短暫工況近乎100%的概率安全系數(shù)大于1.05。

1 浙江省水利水電勘測設(shè)計院.某電站廠房后邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程地質(zhì)勘察報告[R].2009.

2 浙江省水利水電勘測設(shè)計院.某電站廠房后邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理專題報告[R].2009.

3 GB50287—2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范.中國計劃出版社[S]，2008.

4 DL/T5353—2006 水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范.中國電力出版社[S]，2007.