某水電站壩后開(kāi)挖邊坡破壞邊界分析

張鳳，聶德新

（1.北京吉利學(xué)院理工學(xué)院，北京 102202；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

順層巖質(zhì)邊坡是工程上最為關(guān)注的邊坡類(lèi)型，在工程上順層邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題突出，尤其是水電站等重大工程，多位于深山峽谷中，邊坡高、陡，地勢(shì)險(xiǎn)峻，工程開(kāi)挖量巨大，對(duì)順層邊坡的穩(wěn)定性影響也更為顯著。

自然斜坡的變形破壞是在長(zhǎng)期地質(zhì)史演化過(guò)程中形成的，是一定坡體結(jié)構(gòu)在特定邊界條件下的產(chǎn)物，研究斜坡變形破壞的控制性邊界是穩(wěn)定分析的前提和基礎(chǔ)［1－3]，尤其是在軟硬相間、開(kāi)挖規(guī)模較大的順層斜坡中，對(duì)控制性邊界的準(zhǔn)確確定提出了更高的要求［4－5]。

某水電站左岸壩后順層邊坡高度400 m余，邊坡巖性為礫巖、砂巖、泥巖軟硬相間，且開(kāi)挖邊坡坡腳揭露有緩傾斷層。邊坡開(kāi)挖過(guò)程中曾有過(guò)變形、拉裂，此段邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到電站廠房施工期及運(yùn)行期的安全。為此，深入研究大壩左岸邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的邊界條件，具有重要的實(shí)際工程意義。

1 工程地質(zhì)概況

某水電站位于金沙江中游河段，壩型為混凝土重力壩和土石壩組成：左岸、河床、右岸低高程的部位均為混凝土重力壩，右岸中高高程為土石壩。電站正常蓄水位1 134 m，庫(kù)容約20.72×108m3，電站裝機(jī)3 000 MW。壩址巖性為中生代侏羅系蛇店組礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖互層分布。

左岸壩后順層邊坡不僅高度大（430 m）、有軟巖、溶蝕巖體分布，而且坡腳有緩傾斷層?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，壩后邊坡范圍內(nèi)巖層傾向范圍為94°～130°，傾角范圍為33°～69°，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為126°∠76°；邊坡平均方位為N86°～89°E，坡度20°～35°，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀88°∠25°，利用層面與坡面的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀繪制關(guān)系圖，如圖1所示。從圖中可以看出，研究區(qū)邊坡為縱向谷，工程斜（邊）坡范圍內(nèi)巖層走向與河谷走向的交角較小，與河流交角約為13°，屬于層狀邊坡亞類(lèi)中的層狀順向結(jié)構(gòu)。

圖1 某水電站壩后高邊坡巖層與邊坡關(guān)系

2 邊坡破壞的邊界條件分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，壩后邊坡地段開(kāi)挖揭露了一條規(guī)模較大的斷層，產(chǎn)狀平緩，這一斷層的發(fā)育對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響，本文主要根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)斷層、層間擠壓帶等弱帶開(kāi)展空間分析，研究開(kāi)挖邊坡的破壞邊界。

2.1 開(kāi)挖揭露的平緩斷層展布特征

左岸開(kāi)挖至1 020～1 010 m高程初次揭露的平緩斷層F1（圖2），斷層破碎帶寬度40～50 cm，為斷層泥、細(xì)角礫，產(chǎn)狀281°∠29°，傾下游偏左岸山內(nèi)。后期在開(kāi)挖面多處地段出露。

圖2 1 010 m平臺(tái)揭露平緩斷層F1

測(cè)量獲得開(kāi)挖面各部位平緩斷層的坐標(biāo)、產(chǎn)狀等基本信息，見(jiàn)表1。表中數(shù)據(jù)反映了斷層彎曲起伏的特征。利用實(shí)際測(cè)量獲得斷層基本信息，在AUTOCAD中建立斷層空間展布的三維模型（圖3）。根據(jù)建立的三維模型，獲得F1平緩斷層在開(kāi)挖邊坡的發(fā)育位置。

表1 平緩斷層F1實(shí)測(cè)坐標(biāo)及產(chǎn)狀信息數(shù)據(jù)

圖3 F1平緩斷層空間展布模型

對(duì)建立的三維模型進(jìn)行剖切分析，可以獲得F1平緩斷層壩后邊坡的分布位置。圖4為近河床處F1的分布位置。

斷層在壩后邊坡將從地表延伸至坡內(nèi)，盡管斷層傾向坡內(nèi)偏下游，傾向方向?qū)吰碌姆€(wěn)定性有利，但因其傾角較緩，在如此高陡的開(kāi)挖邊坡中，有構(gòu)成底滑面可能，因此應(yīng)分析平緩斷層F1與其他弱面或長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面的組合特征。

2.2 順層邊坡中層間擠壓帶發(fā)育特征

圖4 平緩斷層F1剖面展布特征

邊坡所在區(qū)域?yàn)檐浻蚕嚅g互層分布的層狀巖體，組成物質(zhì)為較軟泥質(zhì)物的層間擠壓帶發(fā)育，因?qū)用孑^陡，且為順層邊坡，因此層間擠壓帶可以形成后緣拉裂面，與底部平緩斷層組合，形成滑移邊界。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，開(kāi)挖邊坡中平行發(fā)育6條層間擠壓帶，測(cè)量其出露點(diǎn)坐標(biāo)及產(chǎn)狀信息，建立空間模型，獲得層間擠壓帶的空間展布特征（圖5）。

圖5 層間擠壓帶展布及與F1斷層組合關(guān)系

2.3 以斷層和層間擠壓帶為邊界的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前面分析的組合邊界，利用剛體極限平衡計(jì)算軟件，根據(jù)試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度參數(shù)，針對(duì)邊坡不同部位擠壓帶與斷層的組合情況，分別計(jì)算不同組合狀態(tài)下所形成的不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。僅列出發(fā)育深度最大的第六條錯(cuò)動(dòng)帶與平緩斷層的計(jì)算結(jié)果（圖6）。

計(jì)算結(jié)果表明，上述邊界條件下地震工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小，量值為1.597，邊坡穩(wěn)定性較好，在不利工況下仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 第六條擠壓帶與F1斷層組合計(jì)算模型

3 結(jié)論

本文根據(jù)開(kāi)挖邊坡揭露的平緩斷層及層間擠壓帶，分析了平緩斷層與6條層間擠壓帶的空間展布特征，以及相互見(jiàn)組合形成的破壞邊界。根據(jù)確定的邊界開(kāi)展了穩(wěn)定性計(jì)算分析工作，計(jì)算結(jié)果表明，邊坡在特定邊界不利工況下穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.597，邊坡穩(wěn)定性較好。

［1]周德培，鐘衛(wèi)，楊濤.基于坡體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（4）：687－695.

［2]羅瓚錦.巖質(zhì)邊坡破壞模式初探［J].廣東公路交通，2001，（7）：11－14.

［3]李樹(shù)森，任光明，左三勝.層狀結(jié)構(gòu)巖體失穩(wěn)機(jī)理的力學(xué)分析［J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1995，6（2）：24－29.

［4]嚴(yán)明，陳劍平，黃潤(rùn)秋，等.巖質(zhì)邊坡滑移－彎曲破壞中間狀態(tài)的工程地質(zhì)分析［J].水利水電技術(shù)，2005，36（11）：41－44.

［5]劉紅星，蘇愛(ài)軍，王永平.軟弱夾層對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響分析［J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（2）：766－770.