金沙水電站花石崖危巖體穩(wěn)定性分析與治理

趙 明 華， 朱 信 波， 趙 雄

(1.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

1 概 述

花石崖危巖體分布于金沙水電站壩址上游0.9～1.5 km處的右岸崖頂，地形為一條大沖溝，山坡陡峻，溝谷切割較深?；鶐r為大蕎地組含煤地層，巖性以含炭粉砂質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖為主，與中粗粒巖屑砂巖等硬質(zhì)巖交互分布，表現(xiàn)為逆向坡。

該危巖體區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價分區(qū)屬穩(wěn)定性較差區(qū)，主要遭受外圍地區(qū)強(qiáng)震和場地附近中強(qiáng)地震的影響，歷史上的地震對工程區(qū)的最大影響烈度為Ⅵ度；地震基本烈度為Ⅶ度，50 a超越概率10%的基巖水平峰值加速度值為120 cm/s2(0.122 g)。

2 危巖體具有的特征及分區(qū)

(1)危巖體具有的基本特征。

該危巖體位于花石崖沖溝頂部近山脊陡崖處，高差近200 m，順江長230 m；邊坡陡峻，局部近直立或崩塌形成負(fù)地形；危巖體范圍內(nèi)基巖大多裸露，東側(cè)坡頂有厚3～5 m的殘積土。坡頂緩坡發(fā)育13條裂縫(圖1)，呈鋸齒狀延伸,走向大多與危巖體邊坡走向呈大角度相交，其中東側(cè)裂縫多呈小角度斜交。

圖1 危巖體坡頂裂縫分布與穩(wěn)定性分區(qū)圖

危巖體后緣以裂縫為界，前緣以坡下第一層含炭粉砂質(zhì)泥巖為底界，平面上呈沿坡走向的長條狀，東西長約230 m、南北寬15～35 m，面積約4 500 m2，高度為14～34 m，估算總體積約10×104m3。危巖體物質(zhì)以中粗粒巖屑砂巖為主，局部為殘積土和崩塌堆積物。

(2)危巖體分區(qū)。

危巖體按規(guī)模及穩(wěn)定性特征分為7個區(qū)(包括兩個亞區(qū))，如圖1所示。

Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ1區(qū)規(guī)模較大，方量分別為6.5萬m3、1.6萬m3和0.6萬m3，整體穩(wěn)定性較好，前緣較差； Ⅰ2、Ⅲ2、Ⅳ區(qū)方量分別為0.5萬m3、0.2萬m3和0.2萬m3，穩(wěn)定性很差；Ⅴ區(qū)方量為0.4萬m3，整體穩(wěn)定性較好，表部較差。

3 危巖體失穩(wěn)原因及破壞模式分析

花石崖危巖體巖性以軟質(zhì)巖為主，與硬質(zhì)巖交互分布；邊坡高陡，坡面表部巖體卸荷較強(qiáng)，坡頂陡傾角裂隙發(fā)育，多張開。

軟質(zhì)巖易風(fēng)化崩解，剝落后形成巖腔，致使其上部臨空巖體重心向外側(cè)偏移，加上陡傾角裂隙切割，地表水入滲，在重力作用下產(chǎn)生崩塌失穩(wěn)物并堆積于下部緩坡上；另外，挖煤采空導(dǎo)致坡頂巖體變形，加劇了危巖體的崩塌破壞進(jìn)程，從而使坡面巖體不斷產(chǎn)生崩塌，導(dǎo)致坡面不斷后退。

筆者對危巖體分布區(qū)的地形、地質(zhì)構(gòu)造、變形特征等進(jìn)行分析得知：花石崖危巖體的主要破壞模式為崩塌(圖2)。其崩塌形式可以分為傾倒崩塌和自由墜落兩種。另外也存在殘積土塌滑。

圖2 花石崖危巖體主要失穩(wěn)模式示意圖

(1)傾倒崩塌。

由于坡面陡峻、巖石軟硬相間，軟弱巖石易風(fēng)化崩解剝落，隨著其下部軟弱基座被掏蝕、巖腔不斷擴(kuò)大，上部巖體重心逐漸外傾，最終向坡外發(fā)生轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生傾倒崩塌，其中尤以Ⅰ區(qū)比較典型(圖3)。

圖3 Ⅰ區(qū)地質(zhì)模型圖

(2)殘積土塌滑。

由于邊坡較陡，殘積土結(jié)構(gòu)較松散，在降雨等因素影響下，其自身穩(wěn)定性變差，土體產(chǎn)生順坡向塌滑，花石崖危巖體Ⅱ區(qū)即為此類破壞模式(圖4)，坡頂有厚3～5 m的殘積土，加上其邊坡較陡，時有小規(guī)模土體塌滑發(fā)生。

圖4 Ⅱ區(qū)地質(zhì)模型圖

(3)自由墜落崩塌。

由于邊坡陡峻，巖體表部卸荷強(qiáng)烈、裂隙發(fā)育，受降雨等其它外力因素影響，沿張開裂隙產(chǎn)生自由落體式的崩落。此類破壞方式在整個危巖體邊坡都有可能發(fā)生，但其規(guī)模小，呈零星的塊石墜落形式，其中尤以Ⅲ區(qū)比較典型(圖5)。由于邊坡后緣裂隙寬張，其下坡形呈倒坡，易發(fā)生此類破壞。

圖5 Ⅲ區(qū)地質(zhì)模型圖

4 危巖體穩(wěn)定性分析

(1)穩(wěn)定性宏觀分析。

花石崖危巖體總體積約為10萬m3，巖層平緩，為逆向坡；裂隙發(fā)育，但多延伸不長且以與邊坡走向呈大角度相交的NNW、NE組陡傾角裂隙為主，緩傾角裂隙不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)長大結(jié)構(gòu)面的不利組合；坡頂裂縫多與邊坡呈大角度相交；底部較軟巖風(fēng)化剝落較緩慢；近30 a來未發(fā)生較大規(guī)模的崩塌，僅以小規(guī)模崩塌為主。由此可見，危巖體不具備整體或大規(guī)模失穩(wěn)的地質(zhì)條件，整體穩(wěn)定性較好，破壞模式為小規(guī)模解體崩塌。

(2)穩(wěn)定性計算分析。

①計算工況及計算剖面。

為對花石崖危巖體進(jìn)行安全評估，筆者研究計算并分析了危巖體所處的3種工況(表1)。

表1 危巖體邊坡計算工況表

計算剖面根據(jù)各分區(qū)的失穩(wěn)模式圖選定(圖5)。

②計算選用的力學(xué)參數(shù)。

計算涉及的巖石材料主要包括：碎石夾土、泥質(zhì)粉砂巖夾含炭泥質(zhì)粉砂巖、中粗粒巖屑砂巖等。

依據(jù)相關(guān)的地勘資料及力學(xué)試驗(yàn)成果以及參數(shù)敏感性分析，確定計算所采用的各地層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

③計算結(jié)果及穩(wěn)定性評價。

表2 花石崖危巖體邊坡巖(石)體物理力學(xué)參數(shù)取值表

基于剛體極限平衡法和非線性有限元法，考慮到危巖體Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的破壞模式，計算得到的各剖面穩(wěn)定性統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 危巖體邊坡典型剖面各工況穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)剛體極限平衡法和非線性有限元法的計算結(jié)果得知，各區(qū)剖面在各工況下的邊坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求；Ⅰ區(qū)在短暫工況下的安全系數(shù)較低,在地震工況下的安全系數(shù)剛剛滿足規(guī)范要求，安全儲備亦很低；由于巖體的劣化及各種不確定性因素，Ⅰ區(qū)需要進(jìn)行加固，以提高其長效安全性。

5 花石崖危巖體對金沙水電站的影響

危巖體崩塌后其將進(jìn)入下方的沖溝中，溝道兩側(cè)的山脊能夠很好地約束崩塌塊石的運(yùn)動方向；加之堆積體溝道坡度相對較緩、坡面較長(圖3)，能對運(yùn)動的塊石起緩沖消能的作用，崩塌體在運(yùn)動過程中會逐漸崩解、減速，崩塌體直接入江的方量有限，因而造成崩塌堵江或產(chǎn)生巨大涌浪的可能性亦不大，只有少量的塊石順坡翻滾飛濺入江。另外，危巖體距金沙水電站壩址區(qū)較遠(yuǎn)(0.9～1.5 km)且與壩址區(qū)之間金沙江河道由SE轉(zhuǎn)為NE向，危巖體失穩(wěn)崩塌對電站工程的直接影響不大。

但是，花石崖危巖體及其下方?jīng)_溝兩側(cè)的邊坡不斷崩塌，崩塌物質(zhì)順溝堆積，大部分會運(yùn)動到堆積體后緣，將對其形成加載而影響到堆積體的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到工程建設(shè)和運(yùn)營期間的安全。

6 工程處理措施建議

根據(jù)花石崖危巖體的成因、破壞模式、穩(wěn)定性及其對電站工程的危害性，地質(zhì)人員認(rèn)為有必要對其進(jìn)行治理。

治理措施有兩種方案：一是對危巖體邊坡采取削坡、噴錨等綜合措施進(jìn)行治理，該方案為較為徹底的治理方案；二是在其下方?jīng)_溝內(nèi)修建落石槽、攔石墻等被動防護(hù)措施。無論采取何種方案進(jìn)行治理，都應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測，以便在出現(xiàn)不利情況時及時采取有效的對策。

7 結(jié) 語

(1)研究結(jié)果表明：危巖體不具備整體或大規(guī)模失穩(wěn)的地質(zhì)條件，整體穩(wěn)定性較好，破壞模式主要為小規(guī)模解體崩塌，造成堵江或產(chǎn)生巨大涌浪的可能性不大。但危巖體不斷崩塌，且崩塌物質(zhì)大部分會運(yùn)動到花石崖崩塌堆積體后緣對其形成加載，進(jìn)而影響到堆積體的穩(wěn)定性及工程建設(shè)和運(yùn)營期間的安全，因此，有必要對危巖體進(jìn)行治理。

(2)根據(jù)剛體極限平衡法和非線性有限元法的計算結(jié)果，各區(qū)剖面在各工況下的邊坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求；但I(xiàn)區(qū)在短暫工況下的安全系數(shù)較低,在地震工況下的安全系數(shù)剛剛滿足規(guī)范要求，安全儲備亦很低；由于巖體的劣化及各種不確定性因素，I區(qū)需要進(jìn)行加固，以提高其長效安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，GB50287-2006[S].

[2] 水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范，SL386-2007[S].

[3] 張倬元，王士天，等.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社.2007.

[4] 王 衛(wèi)，李天斌，王蘭生.溪洛渡水電站拱肩槽高邊坡穩(wěn)定性的三維有限元分析[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,33(5)：527-530.

[5] 黃潤秋，許 模，陳劍平，等.巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)描述及其工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.