獅子坪水電站二古溪傾倒邊坡成因機(jī)制分析

張世殊，裴向軍，王仁坤，冉從彥，余 挺，趙小平，田 雄

（1.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610072；

2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

1 研究背景

傾倒邊坡是一種常見(jiàn)的邊坡類型之一，長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)表明，邊坡傾倒變形主要發(fā)育在由陡傾角裂隙切割形成的板狀巖體邊坡中，且結(jié)構(gòu)面走向與臨空面方向呈小角度相交，一般＜30°。一般而言，邊坡傾倒變形產(chǎn)生的過(guò)程為：陡傾層狀、板狀巖體，在自重產(chǎn)生的彎矩作用下，由前緣開(kāi)始向臨空方向作懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，形成彎曲-折斷面，并貫通直至發(fā)生傾倒變形破壞［1-6］。目前，針對(duì)邊坡傾倒變形的研究已有較多的研究成果，如趙小平等［7］利用離散單元法，模擬分析了傾倒變形體的發(fā)展階段；陳孝兵等［8］，蔡國(guó)軍等［9］利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了傾倒變形體的破壞過(guò)程；韓貝傳等［10］對(duì)傾倒變形體的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。盡管目前對(duì)邊坡傾倒變形體的研究已經(jīng)取得較多的成果，然而針對(duì)傾倒變形的成因機(jī)制的研究鮮有成果?；诖?，本文以二古溪傾倒邊坡為研究對(duì)象，研究斜坡傾倒變形的成因機(jī)制。

二古溪傾倒邊坡位于四川省甘孜州理縣境內(nèi)，地處獅子坪水電站庫(kù)尾區(qū)，距離壩址約7.2 k m，317國(guó)道的二古溪1＃和2＃隧道都從變形體中通過(guò)，且下游側(cè)與二古溪大橋相連。2013年5月，水庫(kù)開(kāi)始二期蓄水至2 535 m，前緣水位抬升近25 m，岸坡受蓄水影響發(fā)生局部垮塌，而后庫(kù)岸再造，與此同時(shí)監(jiān)測(cè)資料表明邊坡的整體變形速率也明顯加快，二古溪大橋發(fā)生向理縣方向的推擠位移，并且2座隧道發(fā)生不同程度的洞壁破壞與洞底隆起，造成道路斷行。目前水位已經(jīng)恢復(fù)至一期蓄水位，并且317國(guó)道臨時(shí)改道，那么二期蓄水能否繼續(xù)，邊坡是否有必要治理，國(guó)道是否需要改道？要解決這些問(wèn)題的重點(diǎn)就是要分析二古溪傾倒變形體的成因機(jī)制。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

研究區(qū)地處川西北高原深切峽谷地貌，岸坡高陡，呈“V”字形。由于河流前期的切割速率較慢，而后期切割速率加快的原因，所以高程2 700 m以上自然坡度在30°～35°之間，而高程2 700 m以下為45°～60°。邊坡體約呈圓錐形，較為圓緩，寬約1 000 m，長(zhǎng)約900 m，拔河高差約750 m。臨河側(cè)邊坡坡度陡增，谷底有基巖出露，坡表植被發(fā)育。在臨河側(cè)受流水侵蝕，臨空條件良好（圖1）。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于北西向鮮水河斷裂帶和北東向龍門(mén)山斷裂帶所圍限的川青斷塊的小金弧形構(gòu)造帶之西翼近頂端的次級(jí)構(gòu)造族郎帚狀構(gòu)造帶上。在大地構(gòu)造部位上隸屬于松潘—甘孜地槽褶皺帶范疇，西側(cè)毗連巴顏喀拉冒地槽褶皺帶，東鄰揚(yáng)子地臺(tái)西緣龍門(mén)山—大巴山臺(tái)緣拗陷帶。區(qū)域控制性主干斷裂為NE向龍門(mén)山斷裂帶，小金—較場(chǎng)弧形構(gòu)造帶（西翼）構(gòu)成了區(qū)域次一級(jí)斷裂構(gòu)造格架。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造形跡以緊密線狀弧形褶皺為主，大中型斷裂發(fā)育程度較低。而位于傾倒邊坡向斜的一翼上，坡內(nèi)巖層產(chǎn)狀陡立，整體傾角為70°～85°，米亞羅斷裂位于小金弧形構(gòu)造的西翼，工程場(chǎng)地的北東側(cè)，距壩址最近距離為3～4 k m，邊坡的工程地質(zhì)圖見(jiàn)圖2。

圖1 邊坡裂縫展布平面圖Fig.1 Plane distribution of cr acks in the slope

圖2 垂直河向邊坡的工程地質(zhì)圖Fig.2 Geological str ucture and typical engineering profile of the slope

2.3 地層巖性

邊坡相對(duì)高差超750 m，邊坡整體下部屬于三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2z2）：板（千枚）巖夾變質(zhì)砂巖及灰?guī)r，巖性相對(duì)較軟，尤其是千枚狀板巖遇水易軟化；上部為三疊系上統(tǒng)侏倭組（T3zh）：變質(zhì)砂巖、板（千枚）巖韻律互層，屬于軟硬巖互層。整個(gè)區(qū)屬于軟硬巖互層地區(qū)，這對(duì)于形成傾倒變形體較為有利，加之快速的河谷下切，坡內(nèi)巖體快速的應(yīng)力釋放，邊坡內(nèi)巖體易向臨空側(cè)發(fā)生位移變形，并且具有陡傾坡內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)，因而具備形成傾倒變形體的有利條件。而坡表的第四系塊碎石土堆積呈上薄下厚（45～75 m）的分布形態(tài)，主要組成為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl），第四系上更新統(tǒng)冰磧層（Q3fgl）的傾倒變形破碎巖體和第四紀(jì)崩坡積、坡殘積物組成。主要表現(xiàn)為青灰—深灰色，干燥，結(jié)構(gòu)為中密—密實(shí)的粉土、角礫土、碎石土、塊石土。

3 傾倒變形特征

3.1 邊坡的變形特征

2011年和2012年理縣地區(qū)持續(xù)特大的大暴雨，2012年8月當(dāng)?shù)卮迕癜l(fā)現(xiàn)二古溪邊坡后緣產(chǎn)生有裂縫，距離二古溪隧道進(jìn)口段上約500 m，裂縫向米亞羅方向延伸約730 m，寬、深10～70 c m；2013年“4.20”地震后，5月份獅子坪水電站進(jìn)行二期蓄水，蓄水位至2 535 m，此時(shí)二古溪邊坡前緣水位抬高超20 m，2013年7月17日地面巡視發(fā)現(xiàn)邊坡頂部出現(xiàn)新增裂縫，距離二古溪隧道出口段上約300 m，裂縫斜向上與上部原有裂縫連通，新裂縫長(zhǎng)超200 m，寬、深30～50 c m。至2013年10月6日，裂縫快速發(fā)展形成基本貫通圈閉的變形體邊界裂縫，并且導(dǎo)致從變形體低高程位置穿過(guò)的二古溪1＃和2＃隧道的強(qiáng)烈變形，致使國(guó)道G317公路暫時(shí)中斷，而后受“4.20”地震影響和5月份的庫(kù)水位蓄水抬高影響，裂縫發(fā)展迅速，至10月份基本將整個(gè)變形體圈閉。二古溪邊坡的變形初期，地表變形只出現(xiàn)在邊坡后緣，并逐步向前緣擴(kuò)展并將邊界圈閉，而坡體中部和前緣地表并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有明顯的變形跡象。

在邊坡隧道外側(cè)的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)出露基巖中有傾倒變形跡象，見(jiàn)圖3，千枚狀板巖向臨空側(cè)發(fā)生了彎曲變形，由于巖性較軟，所以表現(xiàn)出“呈折而未斷”的現(xiàn)象。

圖3 邊坡中的傾倒變形跡象Fig.3 Sign of toppling defor mation in the slope

3.2 隧道的變形特征

二古溪1＃隧道（與坡體關(guān)系見(jiàn)圖2（b））在2008年“5.12”汶川大地震發(fā)生后不久，就發(fā)現(xiàn)隧道洞身多處有細(xì)小裂縫，2011年7月進(jìn)入雨季以來(lái)，發(fā)現(xiàn)裂縫有不斷加劇發(fā)展的趨勢(shì)；截至2012年10月，隧道從進(jìn)口端至出口端230 m范圍內(nèi)存在裂縫，隧道進(jìn)口至出口130 m左右裂縫較為集中，隧道的持續(xù)變形和開(kāi)裂威脅到車輛的安全運(yùn)營(yíng)，通過(guò)加固治理后恢復(fù)使用功能。2013年8月雨季后，加固后的二古溪隧洞又開(kāi)始出現(xiàn)變形，底板、頂拱和邊墻均出現(xiàn)裂縫，底板出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，后緣邊坡也出現(xiàn)羽狀排列、斷續(xù)延伸的環(huán)形裂縫，2013年10月6日，變形進(jìn)一步加劇，地面隆起，拱頂?shù)魤K嚴(yán)重，隧道兩側(cè)工字鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形，連接處螺栓拉斷。

選用徠佧公司Scan Station2三維激光掃描儀對(duì)隧道變形進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，采樣點(diǎn)間距控制為2 mm，得到隧道點(diǎn)云影像特征。通過(guò)隧道變形前后對(duì)比，得到的洞壁最大偏移量達(dá)1.08 m，而地面最大隆起量達(dá)80 c m（圖4）。

圖4 1＃隧道最大位移斷面和地面隆起照片F(xiàn)ig.4 Section of maxi mum defor mation and photo of bulge in tunnel 1＃

二古溪2＃隧道于2012年9—10月份建成通車（此前由隧道外側(cè)通行，2010年外側(cè)道路橋梁下游端擋墻發(fā)生垮塌），通車約1 a時(shí)間，即2013年10月6日隧道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重變形，拱頂?shù)魤K、邊墻開(kāi)裂、地面隆起等現(xiàn)象極為嚴(yán)重，隧道地面隆起是由于隧道側(cè)頂拱受壓，隧道產(chǎn)生變形，兩壁向內(nèi)側(cè)擠壓造成地面隆起。

1＃和2＃隧道都出現(xiàn)了程度不一的拱頂?shù)魤K，地面隆起，其中2＃隧道的掉塊比1＃隧洞嚴(yán)重，而1＃隧洞的地面隆起比2＃隧道嚴(yán)重，2座隧道壁上都出現(xiàn)了剪切裂縫。初步分析是邊坡變形時(shí)在2座隧道處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，且由于隧道主要受到來(lái)自山體一側(cè)的力，因此為偏心力，由于受力不均，因此破壞具有不對(duì)稱性，主要的洞壁破壞為近山體側(cè)，而在近坡腳一側(cè)的破壞程度要輕一些。隧道的最大變形方向即為隧道的受力方向，若為一般滑坡那么只有可能是剪出口或滑帶通過(guò)才會(huì)使得隧道受到來(lái)自側(cè)頂拱的力，依此推斷剪出口的位置將會(huì)明顯高于二期蓄水水位，這將與邊坡變形位移與蓄水位成正相關(guān)矛盾。

3.3 邊坡內(nèi)馬刀樹(shù)跡象

坡體內(nèi)存在較多的馬刀樹(shù)，多以松樹(shù)為主，且主要集中在2 720～2 930 m高程范圍內(nèi)，2 950 m以上主要為灌木，2 720 m以下馬刀樹(shù)較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，馬刀樹(shù)發(fā)育的周長(zhǎng)主要集中在1.0～2.0 m，彎曲高度2.0～4.0 m居多，彎曲方向與坡向近于相同，這說(shuō)明邊坡之前發(fā)生過(guò)數(shù)次較大的變形，致使坡面上產(chǎn)生了眾多的馬刀樹(shù)，且變形的方向基本在同一個(gè)方向上，邊坡的多次變形當(dāng)與河流的下切有關(guān)，因而有必要對(duì)河流的下切歷史進(jìn)行研究，從而分析隨著河流下切的變化帶來(lái)的邊坡內(nèi)位移與應(yīng)力的變化情況。

3.4 整個(gè)地表的變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)斜坡的變形特征，本次在整個(gè)邊坡上布置了多個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，變形監(jiān)測(cè)主要集中在二古溪1＃隧道所通過(guò)的邊坡上，首先選取了1＃隧道上的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，3處典型位置分別位于1＃隧道的下游側(cè)入口（TP31）、中部（TP04）以及上游側(cè)（TP20）。變形位移監(jiān)測(cè)中，其中x為正值時(shí)，表示向左岸位移；y為正值時(shí)，表示向下游位移；z為正值時(shí)垂直向上的位移。

如圖5所示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：變形位移主要是x方向向臨空側(cè)發(fā)生變形，y方向有的向上游變形，有的向下游變形，z方向上主要反映了邊坡整體在下沉，而位移監(jiān)測(cè)的速率可以看出，變形體經(jīng)歷了2次快速變形階段，分別與庫(kù)水位上升和降雨有關(guān)。第1次快速變形時(shí)間段位于2013年7月20日至8月20日的近1個(gè)月時(shí)間，當(dāng)7月20日蓄水位到達(dá)2 530 m時(shí)（期間也有降雨），變形開(kāi)始加速，隨后降低庫(kù)水位到2 490 m，變形速率也逐漸減小甚至無(wú)變形量增加，當(dāng)庫(kù)水位從2 490 m再次上升到2 520 m時(shí)，變形速率也還平穩(wěn)；第2次快速變形時(shí)間段位于2013年9月22日至11月1日的近1個(gè)半月時(shí)間，期間庫(kù)水位從2 520 m開(kāi)始上升，當(dāng)水位達(dá)到2 530 m時(shí)，變形再次開(kāi)始加速，最高水位達(dá)到2 535 m，隨后水位開(kāi)始下降，當(dāng)11月1日庫(kù)水位降到天然河面2 516 m時(shí)，變形明顯收斂，過(guò)程線趨于平緩。

圖5 觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Monitored def or mation curves

綜上所述，二古溪坡體變形主要表現(xiàn)為向臨空面變形及向下沉降為主，但也存在變形的差異分區(qū)，在y方向累積變形既有向上游變形，也有向下游變形，變形體內(nèi)y向顯著不同的位移方向充分說(shuō)明該區(qū)變形以擴(kuò)容解體為主，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和外觀監(jiān)測(cè)資料也相吻合；變形速率主要受庫(kù)水位上升、下降影響以及降雨影響，在水位上升超過(guò)2 530 m時(shí)，變形明顯加速。

另一方面通過(guò)鉆孔測(cè)斜監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)（圖6），邊坡前緣A向變形總體以向坡外右岸變形為主，B向變形表現(xiàn)為分區(qū)差異性的特點(diǎn)，上游總體以向上游為主，下游總體以向下游變形為主；邊坡中下部（ZZK01），A向變形與前緣相反，以向坡內(nèi)變形為主，B向變形與前緣變形方向一致，以向上游變形為主；這一位移特征恰好符合形成反坡臺(tái)坎的條件，雖然目前邊坡內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)反坡臺(tái)坎，但是隨著時(shí)間的推移，位移進(jìn)一步發(fā)展，邊坡中部陡緩相接的地方必然會(huì)出現(xiàn)反坡臺(tái)坎這一標(biāo)志性特征。

4 成因機(jī)制分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，二古溪邊坡總體上處于下部軟巖，中部及以上為軟硬互層的陡傾坡內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)中。受到河谷的快速下切作用，邊坡內(nèi)巖體的應(yīng)力得以釋放，造成巖體向臨空方向發(fā)生卸荷回彈，并且所發(fā)生位移與應(yīng)力集中有一定的轉(zhuǎn)向。由于巖體性質(zhì)的差異，軟巖和硬巖發(fā)生的位移形變不一致，軟巖的變形大，而硬巖的變形小，變形的不協(xié)調(diào)性致使部分硬巖發(fā)生沿轉(zhuǎn)折彎曲幅度最大的位置折斷，而硬巖一旦折斷，即會(huì)造成局部的應(yīng)力集中，這將更有利于邊坡的傾倒破壞。

隨著巖體傾倒變形得以強(qiáng)烈發(fā)展，傾倒巖體發(fā)生強(qiáng)烈的折斷張裂變形，局部變形強(qiáng)烈部位是沿陡傾坡外的張裂帶產(chǎn)生不同程度的墜覆位移。從目前的破裂現(xiàn)象分析，變形僅發(fā)生在傾倒變形極為強(qiáng)烈的坡面淺表層。但如果外部條件進(jìn)一步變化，如水庫(kù)蓄水位升高，則存在深部潛在失穩(wěn)的可能。

并采用UDEC建立離散元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

此外，邊坡內(nèi)大量發(fā)育的馬刀樹(shù)與基巖露頭處的傾倒現(xiàn)象表明二古溪邊坡早期在河流下切的過(guò)程中便已經(jīng)發(fā)生了傾倒變形，隨后逐步地達(dá)到應(yīng)力平衡后變形停止，應(yīng)力平衡后，坡內(nèi)巖體的應(yīng)力主要是呈向坡腳臨空面集中的形態(tài)分布（見(jiàn)圖7），而近年來(lái)的多次地震造成了坡體內(nèi)巖體的進(jìn)一步損傷，在持續(xù)強(qiáng)降雨與水庫(kù)蓄水的影響下，坡體進(jìn)一步向臨空面發(fā)生位移，并致使坡體前緣隧道破壞，此外深孔位移監(jiān)測(cè)也表現(xiàn)出具有形成反坡臺(tái)坎的趨勢(shì)，只是目前位移量較小，反坡臺(tái)坎尚未形成。

圖6 ZK1測(cè)斜孔深度－位移曲線圖（孔口高程：2 564.01 m，孔深37.5 m）Fig.6 Curves of depth vs.defor mation of inclinometer hole ZK1（elevation 2 564.01 m and hole length 37.5 m）

表1 傾倒變形體巖體物力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the toppling defor mation slope

圖7 河流下切后的位移矢量和應(yīng)力分布Fig.7 Vectors of displacement and distribution of stress after river downcutting

5 結(jié) 論

本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與鉆孔資料、變形監(jiān)測(cè)資料、邊坡歷史演化過(guò)程相結(jié)合的方法對(duì)二古溪傾倒邊坡進(jìn)行分析，基于此對(duì)該傾倒變形邊坡的成因機(jī)制進(jìn)行了探討，其主要結(jié)論如下：

（1）二古溪邊坡為河谷快速下切，坡體內(nèi)巖體應(yīng)力釋放產(chǎn)生向臨空面的位移，由于存在軟硬兩種巖體，所以變形過(guò)程中產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)變形，軟巖的變形位移量大而硬巖較小，致使在硬巖中形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力大于硬巖強(qiáng)度時(shí)，硬巖發(fā)生破壞，從而進(jìn)一步加劇邊坡的傾倒破壞，隨后坡體逐步達(dá)到應(yīng)力平衡。

（2）近年來(lái)的地震對(duì)山體造成了進(jìn)一步的損傷，而強(qiáng)降雨和水庫(kù)蓄水則加劇了邊坡的變形速率，目前邊坡處于應(yīng)力調(diào)整期，其變形將會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，因而獅子坪水庫(kù)的二期蓄水目前不能進(jìn)行，317國(guó)道也可選擇改道繞行。

（3）傾倒邊坡的變形破壞與一般邊坡有所不同，其裂縫發(fā)展一般先從后緣開(kāi)始，逐步向前緣發(fā)展，并且前緣的變形跡象較少，位于邊坡陡緩相接處常常會(huì)出現(xiàn)反坡臺(tái)坎。邊坡側(cè)緣或平硐內(nèi)能找到其傾倒變形破壞的明確跡象。

（4）傾倒邊坡通常發(fā)育于陡傾邊坡內(nèi)，且地層巖性存在較大差異或軟巖地區(qū)，坡表巖層產(chǎn)狀與基巖產(chǎn)狀差異大，傾角甚至完全相反。

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［9］蔡國(guó)軍，黃潤(rùn)秋，嚴(yán) 明，等.反傾向邊坡開(kāi)挖變形破裂響應(yīng)的物理模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（4）：812-817.（CAI Guo-jun，HUANG Run-qiu，YAN Ming，et al.Physical Simulation on Def or mation and Failure Response of an Anti-inclined Slope during Excavation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（4）：812-817.（in Chinese））

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