小水電工程邊坡穩(wěn)定影響因素綜述

孫國偉

(黔南州電力建設(shè)管理站,貴州都勻 558000)

小水電工程邊坡穩(wěn)定影響因素綜述

孫國偉

(黔南州電力建設(shè)管理站,貴州都勻 558000)

黔南地區(qū)碳酸鹽巖廣布,碎屑巖則分布其間,受河流的侵蝕切割,地表起伏大,地貌類型復(fù)雜多樣,地質(zhì)災(zāi)害常見,邊坡失穩(wěn)(崩塌、滑坡等)便是其現(xiàn)象之一。在小水電工程建設(shè)和運(yùn)行過程中,其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩(wěn)定問題,文章從工程地質(zhì)角度入手,重點(diǎn)闡述影響邊坡穩(wěn)定的因素,據(jù)此并結(jié)合實(shí)際對邊坡進(jìn)行分類,從而提出防范邊坡失穩(wěn)之對策措施。

黔南小水電 邊坡穩(wěn)定 影響因素 分類與措施

1 概述

黔南地區(qū)屬喀斯特地貌的典型分布區(qū)，碳酸鹽巖廣泛發(fā)育，出露面積約占總面積的73%。該區(qū)屬熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有濕熱多雨的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷過多期地殼運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造以“川黔南北向構(gòu)造”為基本骨架，亦有北西向、北東向、北北東向構(gòu)造及近東西向弧形構(gòu)造。受河流的侵蝕切割，地表崎嶇不平，海拔高程303m—1961m，屬中低山盆谷地區(qū)，具有山原的特點(diǎn)，地形地貌類型復(fù)雜多樣。在該區(qū)興建小水電工程，其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩(wěn)定問題，邊坡失穩(wěn)破壞是一種地質(zhì)災(zāi)害，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成等的不同，造成邊坡破壞的類型亦不同。目前邊坡穩(wěn)定分析方法眾多，就工程地質(zhì)角度而言則多以定性分析為主，必要時(shí)進(jìn)行半定量或定量分析。通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制的分析，對邊坡的穩(wěn)定性狀況及發(fā)展趨勢作出分類和評價(jià)并提出確保邊坡穩(wěn)定之對策措施。

2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素歸納為環(huán)境因素(地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、自然地理現(xiàn)象等)和工程因素(工程措施、施工條件、運(yùn)行管理等)。

2.1 巖石性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)

巖性包括巖石的化學(xué)水理和物理力學(xué)性質(zhì)。巖石在飽和水條件下的力學(xué)強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。在堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬的巖石中，巖性對邊坡的穩(wěn)定性影響不是最主要的；塑性巖石以及吸水易膨脹的巖石等，通常具有風(fēng)化速度快，力學(xué)強(qiáng)度低以及遇水軟化、崩解、膨脹等特性，可明顯降低滑面處巖石的抗剪強(qiáng)度。

巖體結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面系指具有方向、規(guī)模、形態(tài)和特性的面、縫、層等各種地質(zhì)界面。結(jié)構(gòu)體系指各結(jié)構(gòu)面切割巖體的單元巖塊。巖體結(jié)構(gòu)系指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的特性以及它們之間的排列組合。結(jié)構(gòu)面之諸因子均影響邊坡的穩(wěn)定，邊坡失穩(wěn)皆因不利組合體沿底滑面向臨空方向產(chǎn)生滑動(dòng)、張裂、崩塌和蠕動(dòng)變形等。影響邊坡穩(wěn)定的巖體結(jié)構(gòu)因素如下：

(1)結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角：同向邊坡的穩(wěn)定性較反向邊坡差，在同向邊坡中結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角屬不穩(wěn)定型邊坡。(2)結(jié)構(gòu)面的走向：當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾向和走向與坡面平行或兩者走向夾角很小時(shí)，整個(gè)坡面都具有臨空自由滑動(dòng)的條件，對邊坡的穩(wěn)定最為不利。結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向夾角愈大，對邊坡的穩(wěn)定愈有利。(3)結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量：結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量，直接影響被切割巖塊的大小，它不僅影響邊坡的穩(wěn)定性，亦決定邊坡變形破壞的形式。(4)結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性：在邊坡穩(wěn)定計(jì)算中，是把結(jié)構(gòu)面假定為連續(xù)的，而實(shí)際情況往往并非如此，所以解決實(shí)際工程問題時(shí)，應(yīng)認(rèn)真研究結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性。

(5)結(jié)構(gòu)面的起伏差和表面性質(zhì)：在結(jié)構(gòu)面上正應(yīng)力低的情況下，起伏差使有效摩擦角增大；正應(yīng)力過大，在滑動(dòng)過程中不允許因?yàn)榕榔露a(chǎn)生巖體的隆脹時(shí)，則出現(xiàn)滑動(dòng)的條件必須是剪斷結(jié)構(gòu)面上互相咬合的起伏巖石，因而結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。如果結(jié)構(gòu)面上充填的軟弱物質(zhì)的厚度大于起伏差的高度時(shí)，就應(yīng)當(dāng)以軟弱充填物的抗剪強(qiáng)度為計(jì)算依據(jù)。(6)軟弱結(jié)構(gòu)面：軟弱結(jié)構(gòu)面主要指巖體結(jié)構(gòu)面充填有一定厚度的抗剪強(qiáng)度低、可變性大的軟弱充填物質(zhì)或地質(zhì)形成的軟弱夾層，是巖體中最薄弱的環(huán)節(jié)，是控制巖體變形破壞的關(guān)鍵。巖體侵水后，軟弱面的軟化系數(shù)明顯下降。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造因素，包括區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)、邊坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育特征以及區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)特點(diǎn)等。一般來說，邊坡巖體經(jīng)受的構(gòu)造變動(dòng)的次數(shù)愈多，愈強(qiáng)烈，巖層的節(jié)理裂隙就愈發(fā)育，邊坡的穩(wěn)定性也就愈差。況且地質(zhì)構(gòu)造通常與水、風(fēng)化等因素共同影響邊坡巖體諸特性，故地質(zhì)構(gòu)造對邊坡穩(wěn)定，特別是對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的影響是十分明顯的。例如，緩傾角順向斷裂可構(gòu)成底滑面、陡傾角斷裂可構(gòu)成橫向、縱向切割面或臨空面(壓縮變形帶)。

2.3 水的作用

水對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著。在水下透水邊坡將承受水的浮托力作用，而不透水的邊坡坡面將承受靜水壓力，處于充水的張開裂隙將承受裂隙水壓力，地下水的滲流活動(dòng)則將對坡體產(chǎn)生動(dòng)水壓力；另外水對邊坡巖體還具有溶解、軟化、沖刷等作用。這—切都將使巖體松散、破碎并不同程度地增加巖體結(jié)構(gòu)面的貫通性和透水性等，直接影響邊坡的穩(wěn)定平衡現(xiàn)狀，從而導(dǎo)致邊坡變形與破壞。

2.4 風(fēng)化作用

風(fēng)化作用使得巖體化學(xué)水理和物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變。巖體的巖性、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等特性進(jìn)一步惡化，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性，提升了邊坡變形與破壞的可能性。而且風(fēng)化程度越，穩(wěn)定坡角越小，邊坡穩(wěn)定性就越差。

2.5 其它因素

大爆破和機(jī)械振動(dòng)都可能引起邊坡應(yīng)力的瞬時(shí)變化；長期的開采爆破也可以使巖體產(chǎn)生疲勞效應(yīng)；地應(yīng)力也是控制邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育及邊坡變形特征的重要因素；邊坡高度、長度、平剖面形態(tài)、邊坡的臨空條件以及運(yùn)行管理、氣候條件、植物生長等都會影響邊坡的穩(wěn)定。

3 邊坡工程地質(zhì)分類

黔南地區(qū)邊坡多由變質(zhì)巖(板巖)、沉積巖(碳酸鹽巖、碎屑巖)、殘坡積巖(粘土、碎石土)等組成，小水電工程邊坡依據(jù)其巖性、層厚、結(jié)構(gòu)面、產(chǎn)狀、坡度、坡高等組合特征并結(jié)合實(shí)際分類如下：

3.1 巖質(zhì)邊坡

(1)塊體結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由巨厚層塊狀巖石組成，邊坡一般較穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型邊坡。但應(yīng)注意不利結(jié)構(gòu)面組合以及結(jié)構(gòu)面充填、風(fēng)化、水等因素的不利影響。(2)層狀同向緩傾結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由堅(jiān)硬層狀巖石組成，坡面與層面同向，坡角大于巖層傾角，巖層層面被坡面切斷，其組合特征不利于邊坡穩(wěn)定，屬欠穩(wěn)定型邊坡。若巖層中有軟弱夾層，在風(fēng)化、水、開挖、爆破等因素的影響下，易產(chǎn)生順層滑動(dòng)、張裂變形等。(3)層狀同向陡傾結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由堅(jiān)硬層狀巖石組成，坡面與層面同向，坡角小于巖層傾角，巖層層面未被坡面切斷，其組合特征有利于邊坡穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型邊坡。但應(yīng)注意不利結(jié)構(gòu)面組合等因素的影響，尤其是薄層巖層或軟弱夾層分布的坡體，因開挖可能誘發(fā)邊坡傾倒、蠕動(dòng)變形等。(4)層狀反向結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由堅(jiān)硬層狀巖石組成，坡面與層面反向，其組合特征有利于邊坡穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型邊坡。但應(yīng)注意不利因素影響其張裂、傾倒變形等。(5)層狀斜向結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由堅(jiān)硬層狀巖石組成，坡面走向與巖層走向呈一定夾角，其組合特征有利于邊坡穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型邊坡。但應(yīng)注意不利因素影響其崩塌、楔狀滑動(dòng)變形等。(6)碎裂結(jié)構(gòu)邊坡：坡體由堅(jiān)硬巖石組成，但被強(qiáng)烈發(fā)育之不規(guī)則結(jié)構(gòu)面切割成碎裂狀，其組合特征不利于邊坡穩(wěn)定，屬不穩(wěn)定型邊坡。在水、開挖、爆破等因素的影響下，易產(chǎn)生崩塌、坍滑變形等。

3.2 土質(zhì)邊坡

坡體由土體(粘土、碎石土)組成，以粘粒為主或以碎石、砂礫土為主，其結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、易軟化、崩解、膨脹等特性不利于邊坡穩(wěn)定，屬不穩(wěn)定型邊坡。例如高陡邊坡，開挖后若自然條件進(jìn)一步惡化，更易產(chǎn)生整體滑動(dòng)變形等。再如庫岸邊坡因庫水驟降，亦易誘發(fā)坍塌、滑坡變形等。而溝谷段渠道邊坡因輸水或地表水、地下水作用可能引起變形滑動(dòng)。

3.3 混合邊坡

邊坡下部由巖體組成，而邊坡上部則由土體組成；或邊坡下部由土體組成，而邊坡上部則由巖體組成。其結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)不利于邊坡穩(wěn)定，屬欠穩(wěn)定型邊坡。在土體與巖體接觸帶地下水活動(dòng)頻繁，風(fēng)化作用 強(qiáng)烈，若上部為高陡邊坡，而接觸面與坡面同向，且傾角較大時(shí)，易產(chǎn)生土體滑動(dòng)或巖體崩塌。

4 邊坡穩(wěn)定處理措施

在小水電工程勘察、建設(shè)和運(yùn)行過程中，從庫區(qū)到廠區(qū)，其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩(wěn)定問題，依據(jù)其影響因素分析和邊坡工程地質(zhì)分類對邊坡變形破壞類型作出定性判定，以預(yù)防為主，爭對性防范治理為原則，就邊坡穩(wěn)定提出如下處理措施：

4.1 穩(wěn)定型邊坡的處理

穩(wěn)定型邊坡包括塊體結(jié)構(gòu)邊坡、層狀同向陡傾結(jié)構(gòu)邊坡、層狀反向結(jié)構(gòu)邊坡和層狀斜向結(jié)構(gòu)邊坡(Ⅰ、Ⅱ級)。當(dāng)存在不利結(jié)構(gòu)組合和施工方法不當(dāng)時(shí)，邊坡局部失穩(wěn)不可避免，它可能會以松弛張裂、傾倒、蠕動(dòng)、局部崩塌或楔狀滑動(dòng)等變形破壞形式出現(xiàn)。處理措施應(yīng)視實(shí)際情況：(1)對可能局部拉裂崩塌或楔狀滑動(dòng)的塊體結(jié)構(gòu)或斜向結(jié)構(gòu)邊坡 釆取錨固，必要時(shí)適當(dāng)清除等措施；(2)對可能松弛張裂的陡傾或反向結(jié)構(gòu)邊坡 釆取加固、防滲或排水等措施；(3)對可能彎曲傾倒或蠕動(dòng)的陡傾或反向邊坡 釆取削坡、錨固，坡高時(shí)設(shè)置馬道等措施。

4.2 不穩(wěn)定型邊坡的處理

不穩(wěn)定型邊坡包括層狀同向緩傾結(jié)構(gòu)邊坡、碎裂結(jié)構(gòu)邊坡、土質(zhì)邊坡和混合邊坡(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級)。不穩(wěn)定型邊坡的巖土體結(jié)構(gòu)或存在不利組合，或自身松散等特性，在不受干擾的情況下通常處于自然穩(wěn)定臨界狀態(tài)。在其它環(huán)境或工程因素的影響下，穩(wěn)定平衡便發(fā)生變化，邊坡失穩(wěn)不可避免。它可能會以順層滑動(dòng)、蠕滑、崩塌、坍滑、坍塌、滑坡、蠕動(dòng)和錯(cuò)落等變形破壞形式出現(xiàn)。處理措施應(yīng)視實(shí)際情況：(1)對可能順層剪切滑動(dòng)或蠕滑的滑面采取挖除、回填、錨固、支擋和排水等措施；(2)對可能拉裂崩塌或坍滑的碎裂結(jié)構(gòu)邊坡采取適當(dāng)清除、噴錨和排水，并按穩(wěn)定坡角開挖等措施；(3)對可能剪切滑坡、坍塌、蠕動(dòng)的(粘土、碎石土)土質(zhì)邊坡采取按穩(wěn)定坡角開挖、削坡壓腳、內(nèi)外排水和監(jiān)測調(diào)度等措施；(4)對可能剪切滑動(dòng)、坍滑和錯(cuò)落的混合邊坡采取按穩(wěn)定坡角開挖、設(shè)置抗剪墻或承重墻、防水和排水等措施。

5 結(jié)語

小水電工程依其建筑和功能等特點(diǎn)，所涉及的邊坡穩(wěn)定影響因素不少、范圍不小，突顯探討邊坡穩(wěn)定問題之重要。本文從工程地質(zhì)角度入手，重點(diǎn)闡述影響邊坡穩(wěn)定的因素，據(jù)此并結(jié)合實(shí)際對邊坡進(jìn)行分類，從而提出防范邊坡失穩(wěn)之對策措施。筆者認(rèn)為該文章對地區(qū)小水電工程建設(shè)和發(fā)展具有參考價(jià)值或?qū)嵱脙r(jià)值。

[1]《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》.(5337-2006)[S].2005.

[2]《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》.(SL55-2005)[S].2005.

孫國偉(1959-),男,貴州甕安人,高級工程師,主要從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)及管理工作。