某電廠后邊坡巖體傾倒變形特征及失穩(wěn)破壞模式分析

潘坤

摘要：某電廠后邊坡為高陡邊坡，且發(fā)生傾倒，巖體破碎，邊坡失穩(wěn)將危及電廠安全。針對(duì)邊坡不同的失穩(wěn)破壞模式，可以采取相應(yīng)的防治措施。為對(duì)電廠后邊坡防治設(shè)計(jì)提供理論支撐，依據(jù)邊坡巖體結(jié)構(gòu)、變形破壞型式以及風(fēng)化、波速等差異，自外向內(nèi)將邊坡巖體分為極強(qiáng)、強(qiáng)、弱3個(gè)傾倒變形區(qū)。綜合分析各變形區(qū)邊坡的形態(tài)、巖性組成等，結(jié)果表明：極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體呈散體結(jié)構(gòu)，易發(fā)生蠕滑-拉裂式滑坡;強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體呈碎裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)，傾向坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育，存在蠕滑-拉裂式滑塌;弱傾倒變形區(qū)巖體一般不會(huì)出現(xiàn)自身失穩(wěn)破壞。

關(guān)鍵詞：邊坡失穩(wěn);邊坡巖體;傾倒變形;變形特征;模式分析

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2019）01-0023-04

某電廠位于青藏高原高山峽谷區(qū)內(nèi)，兩岸山體高聳，工程區(qū)河谷為縱向谷，岸坡巖體普遍發(fā)生傾倒變形，巖體松弛，結(jié)構(gòu)遭到破壞，邊坡失穩(wěn)問(wèn)題突出，危及坡下電廠安全。邊坡失穩(wěn)模式?jīng)Q定了穩(wěn)定性分析計(jì)算方法以及防護(hù)措施的選擇[1]。本文依據(jù)巖體傾倒變形特征的分析，自外向內(nèi)對(duì)巖體傾倒強(qiáng)烈程度進(jìn)行分區(qū)，進(jìn)而分析各區(qū)的失穩(wěn)破壞模式，為后期邊坡防護(hù)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 邊坡地質(zhì)概況

電廠位于河流Ⅱ級(jí)階地上，廠房后邊坡坡高約860 m，坡面地形總體呈陡-緩-陡，邊坡后部地形坡度40°～70°，局部呈陡崖;中、前部地形稍緩，坡度25°～35°;坡腳附近地形坡度35°～55°。邊坡出露巖性由鈣質(zhì)板巖和灰?guī)r、大理巖組成，其中鈣質(zhì)板巖呈薄層狀，分布于中、下部;灰?guī)r、大理巖呈薄-中厚層狀，分布于邊坡上部。邊坡巖層為單斜構(gòu)造，層理（板理）傾NE～NEE，反傾坡內(nèi)，傾角24°～50°，總體為逆向坡。河流Ⅱ級(jí)階地下伏基巖和河床出露基巖產(chǎn)狀N20°W/NE∠70°～85°，巖層走向與邊坡走向呈20°夾角，板理陡傾坡里。對(duì)比邊坡與河床出露巖體產(chǎn)狀，可見(jiàn)邊坡巖體明顯發(fā)生傾倒變形。

2 邊坡巖體傾倒變形的發(fā)育特征

2.1 巖體傾倒深度

邊坡巖體已發(fā)生傾倒彎曲變形，據(jù)平洞揭露，邊坡上部巖體傾倒深度200 m以上，邊坡坡腳即Ⅱ級(jí)階地后緣巖體傾倒彎曲深度約120 m，邊坡上部?jī)A倒深度明顯大于邊坡下部。

傾倒深度的變化往往與邊坡地形特征、邊坡巖性組成及卸荷深度等有關(guān)[2]。巖體的傾倒實(shí)質(zhì)是邊坡側(cè)向應(yīng)力解除從而產(chǎn)生卸荷回彈，使得巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生“板裂化”改造，在重力作用下，“板裂化”巖體向臨空方向發(fā)生懸臂梁式彎曲[3]。由于邊坡越高、坡度越大則臨近坡頂附近卸荷作用越強(qiáng)，卸荷深度越大，相應(yīng)傾倒深度也更深[4]。另外邊坡的傾倒深度與巖性組成及層厚也有關(guān)，巖石強(qiáng)度越低，層厚越薄，則抗彎強(qiáng)度也越低，更容易發(fā)生傾倒彎曲[5]。電廠后邊坡上部雖然由灰?guī)r、大理巖組成，但層厚總體較薄，且以薄層為主，另外坡度較陡且坡高較大，所以?xún)A倒深度較坡體下部深。

2.2 傾倒巖體裂隙發(fā)育特征

依據(jù)對(duì)平洞內(nèi)巖體裂隙統(tǒng)計(jì)，邊坡上部灰?guī)r、大理巖分布區(qū)裂隙主要有兩組，產(chǎn)狀分別為N60°～90°E/NW∠56°～89°和N10°～40°W/SW∠48°～85°（傾坡外），其中陡傾坡外裂隙（傾SW）張開(kāi)寬度 0.2～40 cm，多無(wú)充填。

邊坡中、下部鈣質(zhì)板巖分布區(qū)裂隙最主要有3組，產(chǎn)狀分別為N40°～60°W/NE∠50°～76°、N10°～60°W/SW∠46°～77°（傾坡外）和N55°～68°E/NW∠60°～80°，裂隙張開(kāi)寬度一般為0.1～5.0 cm，其中傾坡外裂隙最大張開(kāi)寬度可達(dá)10～18 cm，多無(wú)充填。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，無(wú)論坡體上部灰?guī)r、大理巖分布區(qū)，還是中、下部鈣質(zhì)板巖分布區(qū)，均存在陡傾坡外（傾SW）裂隙，裂隙普遍張開(kāi)，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的1/3～1/2，該組裂隙較發(fā)育。不同之處在于，灰?guī)r、大理巖分布區(qū)該組裂隙延展性普遍較好，張開(kāi)寬度相對(duì)較大，而鈣質(zhì)板巖分布區(qū)延展性相對(duì)降低，裂隙這種特性與巖石堅(jiān)硬程度及坡形有關(guān)。

2.3 卸荷特征

傾倒巖體普遍已卸荷松弛，由外及里僅為卸荷程度差別[6]。根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2006）附錄G劃分標(biāo)準(zhǔn)，邊坡上部平洞PD03強(qiáng)卸荷水平深度80 m，以?xún)?nèi)總體呈弱卸荷;邊坡中部平洞PD02強(qiáng)卸荷水平深度105 m，以?xún)?nèi)總體呈弱卸荷;邊坡坡腳即Ⅱ級(jí)階地后緣平洞PD01強(qiáng)卸荷水平深度 37.2 m，以?xún)?nèi)總體呈弱卸荷。

邊坡卸荷-拉張變形部位明顯可見(jiàn)主要位于邊坡上部大理巖、灰?guī)r分布區(qū)，山梁部位及陡崖處尤其突出;邊坡中部與鈣質(zhì)板巖分界處是地形陡緩交界處，卸荷-拉張變形亦很突出。上述卸荷-拉張變形突出部位，地表可見(jiàn)明顯拉張裂縫，拉張裂縫陡傾坡外，張開(kāi)寬度 0.3～1.0 m，裂縫可見(jiàn)深度最大可達(dá)9 m。

平洞揭露，邊坡后部大理巖和灰?guī)r分布區(qū)卸荷-拉張變形尤為發(fā)育，這與大理巖本身是硬質(zhì)脆性巖體以及坡度較陡有關(guān)。強(qiáng)卸荷帶內(nèi)近直立卸荷拉張裂隙發(fā)育，張開(kāi)寬度 0.2～30 cm，分別于平洞11～17 m、41～43 m、53～56 m、77～80 m形成4處卸荷拉張帶。洞深80 m以?xún)?nèi)巖體雖總體呈弱卸荷，但洞深172～181 m仍發(fā)育有深部卸荷拉張帶，帶內(nèi)由多條近直立卸荷裂隙組成，張開(kāi)寬度可達(dá)40 cm。

2.4 風(fēng)化分帶

風(fēng)化與巖性堅(jiān)硬程度有關(guān)，邊坡上部?jī)A倒灰?guī)r、大理巖均呈弱風(fēng)化狀態(tài)，聲波波速3 000～5 450 m/s，平均值4 355 m/s，平均波速比0.79。邊坡中、下部鈣質(zhì)板巖，由于巖性軟弱， 在反復(fù)凍融作用下，更易風(fēng)化。平洞揭露，邊坡中部強(qiáng)風(fēng)化水平深度70.8 m，坡腳附近由于地形較陡，強(qiáng)風(fēng)化水平深度約14.0 m，強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)板巖聲波波速1 920～2 586 m/s，平均值2 054 m/s，平均波速比0.45。強(qiáng)風(fēng)化以?xún)?nèi)傾倒巖體均呈弱風(fēng)化狀態(tài)，弱風(fēng)化鈣質(zhì)板巖聲波波速2 062～4 552 m/s，平均波速3 231 m/s，平均波速比 0.71。

2.5 巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型

邊坡巖體卸荷傾倒，巖體完整性遭到破壞，由外及里傾倒強(qiáng)烈程度不同，巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)也不同。 邊坡上部硬質(zhì)灰?guī)r、大理巖分布區(qū)坡表巖體結(jié)構(gòu)為塊裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)，平洞揭示深度約為58m，以?xún)?nèi)主要為薄-中厚層狀結(jié)構(gòu)。

邊坡中、下部由鈣質(zhì)板巖組成，由于鈣質(zhì)板巖屬軟巖，強(qiáng)度低，巖體易彎折破碎，且更易遭風(fēng)化，邊坡淺表層還存在呈散體、碎裂結(jié)構(gòu)巖體。巖體中裂隙極發(fā)育，巖體破碎，巖塊間具次生夾泥，局部具架空現(xiàn)象，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化，波速較低。邊坡中部PD02平洞揭露，洞深0～70.8 m巖體呈散體、碎裂結(jié)構(gòu)，70.8～105.0 m巖體為塊裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)，105.0 m以?xún)?nèi)為薄層狀結(jié)構(gòu)。坡腳PD01平洞揭露，洞深0～14.0 m巖體呈散體、碎裂結(jié)構(gòu)，14.0～37.2 m巖體為塊裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)，37.2 m以?xún)?nèi)為薄層狀結(jié)構(gòu)。

3 邊坡傾倒變形巖體分區(qū)

巖體傾倒強(qiáng)烈程度變化反映在巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞型式的不同上，其風(fēng)化、卸荷、波速也存在差異[7]。依據(jù)這些特點(diǎn)，邊坡巖體自坡外向內(nèi)可分為3個(gè)區(qū)，即極強(qiáng)傾倒變形區(qū)（C）、強(qiáng)傾倒變形區(qū)（B）和弱傾倒變形區(qū)（A）。

（1）極強(qiáng)傾倒變形區(qū)（C）。巖體發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒折斷，極度破碎，整體松弛，具架空現(xiàn)象。裂隙極發(fā)育，具次生夾泥現(xiàn)象，巖體結(jié)構(gòu)以散體結(jié)構(gòu)為主，部分碎裂結(jié)構(gòu)。巖體呈強(qiáng)風(fēng)化、具強(qiáng)卸荷特征[8]。極強(qiáng)傾倒變形區(qū)（C）主要分布于邊坡中、下部坡表，由鈣質(zhì)板巖組成，平均波速2 054 m/s，波速比 0.45。其中，邊坡中部PD02平洞內(nèi)極強(qiáng)傾倒變形巖體（C）水平深度 70.8 m;坡腳PD01平洞內(nèi)極強(qiáng)傾倒變形巖體（C）水平深度14.0 m。

（2）強(qiáng)傾倒變形區(qū)（B）。巖體發(fā)生強(qiáng)烈的張性破裂并表現(xiàn)出顯著的切層發(fā)展特征，巖層板理（層理）宏觀上基本連續(xù)。裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)呈塊裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)。以弱風(fēng)化為主，總體呈強(qiáng)卸荷。邊坡上部PD03平洞內(nèi)強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體（B）分布水平深度57.7 m;邊坡中部PD02平洞內(nèi)強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體（B）分布水平深度70.8～105.0 m;坡腳PD01平洞內(nèi)強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體（B）分布水平深度14.0～37.2 m。強(qiáng)傾倒變形區(qū)（B）內(nèi)鈣質(zhì)板巖平均波速為2 985 m/s，波速比 0.66;灰?guī)r、大理巖平均波速3 750 m/s，波速比 0.68。

（3）弱傾倒變形區(qū)（A）巖體傾倒變形較弱，層內(nèi)可見(jiàn)剪切滑移，層間巖體基本上未見(jiàn)明顯的宏觀張裂變形，或有微小張裂縫。巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化狀態(tài)，具弱卸荷特征[9]。區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)板巖平均波速3 631 m/s，波速比 0.80;灰?guī)r、大理巖平均波速4 726 m/s，波速比 0.86。

4 邊坡失穩(wěn)模式分析

通過(guò)對(duì)各傾倒變形區(qū)巖體結(jié)構(gòu)及巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征分析，同時(shí)綜合考慮邊坡形態(tài)、巖性組成等因素，提出各傾倒變形區(qū)巖體失穩(wěn)模式如下。

（1）極強(qiáng)傾倒變形區(qū)（C）。該區(qū)巖體破碎呈散體、碎裂狀，似塑性-彈塑性體，強(qiáng)度較低，工程性質(zhì)較差。破碎巖體在自重作用下易發(fā)生剪切蠕變，造成后緣拉裂，產(chǎn)生蠕滑-拉裂式破壞，進(jìn)而形成滑坡。極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體主要分布于邊坡中、下部由鈣質(zhì)板巖組成的邊坡表部。因此，邊坡中、下部（尤其坡腳附近）可能發(fā)生此類(lèi)模式破壞，滑動(dòng)面多為圓弧狀。

（2）強(qiáng)傾倒變形區(qū)（B）。該區(qū)巖體裂隙發(fā)育，巖體在蠕變過(guò)程中使傾坡外裂隙之間不連續(xù)段或錯(cuò)列段剪斷而逐步貫通，從而形成微具臺(tái)階狀的滑移面，在自重力作用下（尤其降雨誘發(fā)下）隨著巖體進(jìn)一步蠕滑變形，后緣出現(xiàn)拉裂，沿地形陡緩交界處剪出滑移或滑塌。此類(lèi)失穩(wěn)破壞是一個(gè)長(zhǎng)期的累積過(guò)程，失穩(wěn)模式主要屬蠕滑-拉裂式滑坡，但滑移面貫通形成之前，也存在滑移-壓致拉裂破壞[10]。邊坡中、下部由于地形相對(duì)較緩，發(fā)生該失穩(wěn)模式可能性較小;邊坡上部地形較陡，由硬質(zhì)灰?guī)r、大理巖組成，傾坡外裂隙發(fā)育且延展性較好，極可能發(fā)生蠕滑-拉裂式破壞，從邊坡中部靠后地形陡緩交界處滑移剪出，此類(lèi)邊坡失穩(wěn)往往規(guī)模較大且危害性極大。另外，邊坡上部（尤其是突出山梁部位）以及陡緩交界處卸荷拉張帶與傾坡外裂隙形成的組合塊體（楔形體）滑動(dòng)以及卸荷破碎的崩塌亦嚴(yán)重威脅坡腳建筑物安全。

（3）弱傾倒變形區(qū)（A）。該區(qū)巖體雖發(fā)生傾倒彎曲變形，但從平洞揭露情況看，巖體為層狀結(jié)構(gòu)，基本上未見(jiàn)明顯的宏觀張裂變形，僅有微小張拉裂縫，形成傾坡外貫通滑移面的可能性較小。因此，邊坡基本不會(huì)沿弱傾倒巖體產(chǎn)生整體滑移。

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等，邊坡巖體自外向內(nèi)分為極強(qiáng)、強(qiáng)、弱3個(gè)傾倒變形區(qū)。極強(qiáng)傾倒變形區(qū)分布于電廠后邊坡中、下部坡表，巖體易發(fā)生蠕滑-拉裂式滑坡;強(qiáng)傾倒變形區(qū)主要分布于邊坡上部，巖體除可能發(fā)生蠕滑-拉裂式滑塌外，更可能產(chǎn)生崩塌、塊體滑動(dòng);弱傾倒變形區(qū)巖體一般不會(huì)產(chǎn)生自身失穩(wěn)破壞。

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