金沙水電站壩肩撓曲邊坡穩(wěn)定性及其影響因素研究

張馨文 田 斌 盧曉春 熊勃勃 陳博夫

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

我國(guó)西南部水力資源豐富，水電開發(fā)較為集中，在大型水利水電樞紐工程建設(shè)過程中，不可避免遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的建設(shè)場(chǎng)地．在地殼運(yùn)動(dòng)、巖體卸荷以及自然侵蝕等影響因素下，可能引起危巖體卸荷變形、應(yīng)力復(fù)雜等不利擾動(dòng)效應(yīng)，嚴(yán)重影響其整體性和穩(wěn)定性，極易誘發(fā)滑坡災(zāi)害．在復(fù)雜地址構(gòu)造體中，撓曲體作為一種復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，其高破碎程度、力學(xué)各向異性及巖層局部脫空等特征使得所形成的地表邊坡極具不穩(wěn)定．在自然及人為因素長(zhǎng)期作用下，巖體強(qiáng)度下降，滲透性增大，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞．然而，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者較多集中對(duì)緩傾角層狀邊坡、多順層邊坡及含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面危巖邊坡的研究[1-3]，針對(duì)多層破碎帶折彎變形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體成因機(jī)制、變形特點(diǎn)及穩(wěn)定影響因素的討論并不多見．因此，開展復(fù)雜空間撓曲體邊坡的穩(wěn)定性及影響因素研究十分必要．

本文以四川省金沙江金沙水電站右岸壩肩撓曲體邊坡為研究對(duì)象，分析其成因機(jī)制與破壞模式，應(yīng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)該邊坡巖體力學(xué)參數(shù)合理取值進(jìn)行了深入研究，分析其穩(wěn)定性及影響因素，提出加固措施，為金沙水電站工程建設(shè)及運(yùn)行安全提供依據(jù)，為類似工程邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其治理提供參考．

1 工程概況

本文以金沙水電站右岸壩肩花石崖?lián)锨w邊坡為研究對(duì)象，該撓曲體從壩址右岸山坡高程1 150～1 200 m穿過，走向NE30°，撓曲體內(nèi)巖層傾向SW即傾坡外，傾角43～56°，與邊坡走向交角25～35°．撓曲體上、下正常巖層走向85～95°、傾向SE、傾角28～37°，發(fā)育少量?jī)A坡外的緩傾角裂隙性斷層，沿線表部巖體曾發(fā)生順層塌滑現(xiàn)象，具體如圖1所示．

圖1 花石崖?lián)锨w圖

花石崖?lián)锨w內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)面以層面錯(cuò)動(dòng)結(jié)構(gòu)面為主，層間剪切帶總體不發(fā)育．由于強(qiáng)烈的擠壓-彎滑作用，巖層錯(cuò)動(dòng)跡象顯著．裂隙總體較發(fā)育，野外見31組78條，占所有結(jié)構(gòu)面總數(shù)的80.4%，根據(jù)結(jié)構(gòu)面的相關(guān)特征、類型和力學(xué)性質(zhì)篩選了撓曲體相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，見表1．

表1 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)表

2 撓曲體成因機(jī)制與破壞模式

2.1 撓曲體的形成環(huán)境

撓曲體的形成方式與其應(yīng)力狀態(tài)、巖層能干性及變形環(huán)境密切相關(guān)．撓曲形成的區(qū)域應(yīng)力條件與區(qū)域的構(gòu)造特征密切相關(guān)．花石崖2號(hào)撓曲位于納拉箐斷裂與倮果斷裂之間，構(gòu)造應(yīng)力以北西向水平擠壓作用為主，主要發(fā)育于上三疊統(tǒng)中段(T3dq2)，以中厚至厚層狀紫紅色粉砂巖夾細(xì)砂巖為主，夾少量泥質(zhì)粉砂巖、微晶灰?guī)r，局部夾泥頁(yè)巖，下部分布3層厚2～6 m的粗礫巖，巖層能干性差較大．撓曲內(nèi)部巖層由于受到外側(cè)拉伸和內(nèi)層壓扁作用的影響，變形以脆性破裂為主，同時(shí)由于層厚和韌性的差異，而呈現(xiàn)出較大的變異性．

2.2 撓曲體成因機(jī)制

撓曲體形成過程中地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖層受到平行或稍微斜交層面的壓應(yīng)力作用，發(fā)生層間滑動(dòng)，但又受圍巖限制，使滑動(dòng)面發(fā)生急劇轉(zhuǎn)折，繞膝折面形成尖棱褶皺．膝折中的滑動(dòng)褶皺作用發(fā)生在不對(duì)稱膝折的短翼部分，形成剪切帶，具體過程如圖2所示．

圖2 撓曲體形成中的膝折作用

其次，據(jù)Ramsay的褶皺接觸應(yīng)變帶理論，由于大喬地組中段厚層砂巖與薄層泥頁(yè)巖能干性差距較大，這時(shí)，既要保持總體褶皺的協(xié)調(diào)性，又要保持強(qiáng)硬層厚度不變，強(qiáng)硬層以發(fā)育規(guī)則的尖棱褶皺為主要特點(diǎn)，應(yīng)變集中于轉(zhuǎn)折端，而兩翼較為平直．由于強(qiáng)烈的擠壓，軟弱層發(fā)生塑性流動(dòng)，逐漸向轉(zhuǎn)折端運(yùn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)折端加厚，使其具有頂厚褶皺(相似褶皺)的特點(diǎn)，如圖3所示．

圖3 花石崖2號(hào)褶皺發(fā)育模式

花石崖2號(hào)撓曲孕育于三疊系上統(tǒng)大喬地組中段的砂巖、灰?guī)r及泥頁(yè)巖之中，在受到北西向水平擠壓作用下，發(fā)生縱彎褶皺作用，強(qiáng)硬層受到中和褶皺面作用的影響，內(nèi)側(cè)壓扁，外側(cè)拉伸，形成內(nèi)側(cè)“X”型共軛剪切節(jié)理，呈現(xiàn)外側(cè)橫向張裂與扇狀張裂的變形特征，同時(shí)既存在層面擦痕、層間破碎帶、“S”形從屬褶皺和虛脫現(xiàn)象等典型的彎滑褶皺作用的變形特征，又存在由于層內(nèi)物質(zhì)流動(dòng)而形成的流劈理與構(gòu)造透鏡體等彎流褶皺作用的特征．總體來(lái)看，由于花石崖2號(hào)撓曲發(fā)育巖層能干性比大，多層巖層在定向水平壓力的作用下，逐漸向尖棱褶皺～膝折褶皺形態(tài)演化，從而形成花石崖2號(hào)撓曲．

2.3 撓曲邊坡失穩(wěn)模式

研究撓曲邊坡的失穩(wěn)模式是分析其穩(wěn)定性的前提，撓曲邊坡內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，不同節(jié)理裂隙組合可能形成不同的邊坡失穩(wěn)模式，因此，需對(duì)邊坡可能的失穩(wěn)模式進(jìn)行初步分析判斷．

在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用赤平投影法統(tǒng)計(jì)分析邊坡結(jié)構(gòu)面的幾何特性，結(jié)合極點(diǎn)分析法分析可能發(fā)生的破壞模式，并繪制赤平投影圖如圖4所示．

圖4 撓曲邊坡失穩(wěn)模式判別圖

由圖4可知：1)無(wú)結(jié)構(gòu)面的極點(diǎn)投影落在傾倒區(qū)，撓曲邊坡不會(huì)發(fā)生傾倒破壞；2)結(jié)構(gòu)面2的極點(diǎn)投影落在滑動(dòng)區(qū)，可能發(fā)生沿第2組結(jié)構(gòu)面的平面滑動(dòng)；3)結(jié)構(gòu)面2與結(jié)構(gòu)面3、結(jié)構(gòu)面2與結(jié)構(gòu)面6、結(jié)構(gòu)面3與結(jié)構(gòu)面6組合交線的極點(diǎn)投影均落入滑動(dòng)區(qū)，撓曲邊坡可能發(fā)生楔形體破壞；結(jié)構(gòu)面2和結(jié)構(gòu)面5交線的極點(diǎn)投影靠近滑動(dòng)區(qū)，需分析該部位楔形體的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)面3和結(jié)構(gòu)面5組合交線與斜坡走向、傾向大致相同，其極點(diǎn)投影并沒有落在滑動(dòng)區(qū)，但在降雨等因素影響下，可能產(chǎn)生楔形體滑動(dòng)．

綜上可知，撓曲邊坡的穩(wěn)定性較差，可能發(fā)生平面滑動(dòng)破壞和楔形體滑動(dòng)破壞(具體的破壞模式見表2)，因此需要對(duì)該撓曲邊坡進(jìn)行更加深入的穩(wěn)定分析．

表2 撓曲邊坡破壞模式一覽表

注：表中“2+3”即為表1中節(jié)理裂隙2與節(jié)理裂隙3的組合．

3 撓曲巖體力學(xué)特征及力學(xué)參數(shù)

花石崖?lián)锨吰戮哂衅露?、?gòu)造發(fā)育、巖石破碎、巖層軟硬相間、結(jié)構(gòu)面組成復(fù)雜、前緣臨空等地質(zhì)特性，其力學(xué)特性在空間上的隨機(jī)變異性很大，為充分考慮這些因素對(duì)巖體參數(shù)的影響，研究基于巖體力學(xué)特征，應(yīng)用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則研究巖體的力學(xué)參數(shù)．

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則[4-6]的關(guān)系表達(dá)式為：

(1)

Woodruff顧客價(jià)值層次模型認(rèn)為顧客感知價(jià)值具有3個(gè)不同層次，即基于產(chǎn)品屬性的價(jià)值感知，基于使用結(jié)果的價(jià)值感知與基于使用目的的價(jià)值感知，3種價(jià)值感知之間存在層次影響關(guān)系，且具有“自上而下”與“自下而上”兩種影響關(guān)系，“自下而上”主要應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品屬性的完善以達(dá)到消費(fèi)者使用結(jié)果，從而強(qiáng)化消費(fèi)者的需求[18]853。本文主要對(duì)“自下而上”即“屬性-結(jié)果-目的”層次關(guān)系進(jìn)行實(shí)證研究，并且基于游客感知視角，依據(jù)感知價(jià)值層次模型的關(guān)聯(lián)程度提供完善鄉(xiāng)村旅游地游客中心的功能的對(duì)策。

(2)

式中：

(3)

由Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的巖體力學(xué)參數(shù)需進(jìn)行弱化處理，綜合考慮經(jīng)濟(jì)及安全原則，取弱化系數(shù)為0.8，即達(dá)到一定計(jì)算精度，同時(shí)也考慮實(shí)際工程的安全裕度，分析所得巖體材料參數(shù)見表3，主要結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度見表4．

表3 巖體材料力學(xué)參數(shù)建議值

表4 主要結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值

4 撓曲邊坡穩(wěn)定性及影響因素分析

4.1 穩(wěn)定性計(jì)算

由勘探資料可知，撓曲體所在位置較高，地下水埋藏較深，故只考慮天然邊坡狀態(tài)下巖體自重荷載，依據(jù)規(guī)范取允許最小安全系數(shù)為1.25．具體計(jì)算方法如下：

1)在平面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析中，安全系數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

(4)

式中，γ為巖體的重度；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；A為結(jié)構(gòu)面面積；V為巖體體積；θ為結(jié)構(gòu)面傾角．

2)進(jìn)行楔形體穩(wěn)定性分析時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示．

圖5 傳統(tǒng)楔形體受力圖

安全系數(shù)計(jì)算公式為[8]：

(5)

由上述方法計(jì)算所得撓曲邊坡安全系數(shù)見表5，在天然狀態(tài)下，不考慮降雨與巖體局部脫空時(shí)，撓曲邊坡整體穩(wěn)定性較好，各種破壞模式下均滿足規(guī)范要求，發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞的可能性較?。渲校ㄐ误w滑動(dòng)模式②、④、⑤安全系數(shù)相對(duì)較?。?/p>

表5 天然狀態(tài)下?lián)锨吰路€(wěn)定安全系數(shù)

注：表中楔形體滑動(dòng)①即為表2中節(jié)理裂隙組合①．

4.2 影響因素敏感性分析

1)降雨

在邊坡工程中，雨水入滲引起巖體容重、飽和度增加，加大了下滑力，弱化了抗剪強(qiáng)度，從而降低邊坡穩(wěn)定性．花石崖?lián)锨吰滤幬恢糜晁渑妫虼?，必須考慮降雨因素的影響．根據(jù)研究，在水的作用下巖體強(qiáng)度降低取決于巖石成分，巖體100%飽和時(shí)，堅(jiān)硬結(jié)晶巖軟化系數(shù)達(dá)0.9以上，低強(qiáng)度泥質(zhì)巖軟化系數(shù)在0.7以下，有的甚至達(dá)到0.4～0.5[9]．結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，將飽和度分別為100%、90%、75%、60%、40%、20%的巖體進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)折減，計(jì)算所得安全系數(shù)如圖6所示．

圖6 安全系數(shù)隨降雨變化曲線

由圖6可知，考慮降雨因素后，各破壞模式下?lián)锨吰路€(wěn)定性隨巖體飽和度增大不斷降低；當(dāng)飽和度達(dá)到60%時(shí)，安全系數(shù)顯著下降，當(dāng)達(dá)到90%時(shí)，安全系數(shù)降低速率趨于穩(wěn)定；當(dāng)飽和度達(dá)到85%時(shí)，楔形體②、楔形體④和楔形體⑤穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求．這幾處巖體結(jié)構(gòu)面較淺，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，且結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度本身不高，降雨使得巖體、裂隙及結(jié)構(gòu)面軟化，對(duì)強(qiáng)度影響相對(duì)較大，達(dá)到特定飽和度后，邊坡將發(fā)生破壞，因此，撓曲邊坡這幾處位置需特別注意降雨時(shí)的安全性．

2)巖層局部脫空

撓曲體的形成必然伴隨著巖體層間滑脫，導(dǎo)致巖體層面不連續(xù)，形成局部空腔，局部空腔會(huì)降低巖體強(qiáng)度．因此，有必要研究非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的連通率對(duì)撓曲邊坡穩(wěn)定性的影響．在非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面剪切過程中，裂隙面和非貫通的巖橋均起剪切作用，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角和粘聚力計(jì)算公式[10]為：

(6)

式中，cb，φb為非貫通結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角；cj，φj為裂隙面的粘聚力和內(nèi)摩擦角；c，φ為巖體粘聚力和內(nèi)摩擦角；K為結(jié)構(gòu)面連通率．本文考慮連通率為95%、90%、85%、80%、70%、60%、50%情況下，撓曲邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，計(jì)算所得安全系數(shù)如圖7所示．

圖7 安全系數(shù)隨連通率變化曲線

由圖7可知，考慮巖層局部脫空后，各破壞模式下?lián)锨吰路€(wěn)定性隨巖體連通率增大逐漸降低；連通率達(dá)到70%時(shí)，安全系數(shù)顯著下降，說(shuō)明連通率小于70%時(shí)，對(duì)巖體穩(wěn)定性影響較小，反之亦然；當(dāng)連通率達(dá)到85%時(shí)，楔形體②、楔形體④和楔形體⑤處于失穩(wěn)狀態(tài)．由于這幾處部位在撓曲前緣，當(dāng)連通率增大時(shí)，層間抗滑力減小，所以連通率對(duì)這幾處穩(wěn)定性影響較大．

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)金沙水電站壩肩復(fù)雜撓曲邊坡穩(wěn)定性及其影響因素進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1)花石崖?lián)锨w形成的主要原因?yàn)閹r層能干性相差較大，受近似平行層面的擠壓作用，發(fā)生彎曲褶皺；利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行巖體參數(shù)取值具有一定合理性．

2)天然狀態(tài)下，花石崖?lián)锨吰抡w穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生大型失穩(wěn)破壞，但降雨和巖層局部脫空現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，可導(dǎo)致?lián)锨w邊坡前緣發(fā)生破壞．

針對(duì)上述結(jié)論，建議對(duì)撓曲體采取適當(dāng)注漿措施，填充層間脫空區(qū)并封閉巖體裂隙；在坡體表面設(shè)置截水排水系統(tǒng)以收集降雨形成的地表徑流，并排往坡體區(qū)域以外，做好排水措施；施加錨桿支護(hù)以增加撓曲體整體性，同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)2號(hào)撓曲體邊坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，確保金沙水電站右岸壩肩撓曲邊坡的安全性．