庫(kù)水作用下傾倒體變形特征及機(jī)制分析

王 雅 雯

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

中國(guó)西南地區(qū)水電站庫(kù)區(qū)邊坡在建設(shè)和開挖過(guò)程中一般整體穩(wěn)定性較差，在庫(kù)水位變化和降雨等因素的影響下易失穩(wěn)破壞。以九寨溝縣某水電站為例，對(duì)研究區(qū)傾倒體在蓄水、降水條件下變形特征和機(jī)制進(jìn)行分析和研究，并對(duì)其穩(wěn)定性變化作出評(píng)價(jià)［1-2］。

1 傾倒體特征

1.1 研究區(qū)基本地質(zhì)條件

研究區(qū)位于四川省西北部九寨溝縣境內(nèi)，地處青藏高原的東南緣向川西高山峽谷地貌的過(guò)渡帶，地貌類型屬深切割高山侵蝕地貌。

研究區(qū)處于武都—文縣弧形構(gòu)造之間，為一被洋布梁子—大年斷裂和塔藏—雙河—何家壩斷裂所圍限的長(zhǎng)條形玉瓦—南坪地塊內(nèi)。研究區(qū)附近武都弧形構(gòu)造帶、岷江斷裂帶和龍門山斷裂帶晚更新世以來(lái)具有不同程度的活動(dòng)性，工程區(qū)與以上3個(gè)地震帶的直線距離分別為70km、20km、200km，其中武都地震帶和松潘—平武地震帶影響較大。

研究區(qū)內(nèi)河谷較狹窄，兩岸地形高陡，坡度變化大，河谷多呈不對(duì)稱的“V”型谷，右岸地形相對(duì)較緩，一般為35°～50°，植被發(fā)育；左岸多為陡崖，大多基巖裸露。右岸邊坡地形連續(xù)無(wú)異常，受岸坡坡向變化，其中研究對(duì)象傾倒體部位為斜橫向谷。右岸邊坡為同一地層，無(wú)明顯傾、折斷等變形現(xiàn)象，未見對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用的結(jié)構(gòu)面和軟弱帶，岸坡巖體總體較為破碎，由坡面向坡內(nèi)宏觀表現(xiàn)為由碎裂結(jié)構(gòu)漸變?yōu)閷訝睢榱谚偳督Y(jié)構(gòu)［3］。

研究區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅶ度。

1.2 傾倒體形態(tài)規(guī)模

傾倒體位于水電站庫(kù)區(qū)右岸導(dǎo)流放空洞閘門豎井外側(cè)岸坡段，水庫(kù)常水位2370m，傾倒體前緣位于常水位附近，其高程為2375～2530m，高155m，寬約160m，坡面傾向350°，坡度約40°～50°。若九公路高程為2375m，公路高程以上邊坡大部分已進(jìn)行了相應(yīng)的支護(hù)（見圖1）。

圖1 研究區(qū)地形地貌

傾倒體坡表存在厚1～3m的崩坡積塊碎石土，覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，局部架空現(xiàn)象普遍。下伏基巖為二疊系下統(tǒng)黑河組中厚層砂巖夾薄層板巖，巖層褶皺明顯，傾倒體下游側(cè)巖層產(chǎn)狀為N40°～60°W／NE∠70°～80°，傾倒體上游側(cè)巖層產(chǎn)狀為N20°～45°W／SW∠70°～80°；另有2組節(jié)理：①N50°E／NW°∠80°，間距30～40cm，延伸1～3m，大多張開，充填巖屑及泥膜；②EW／N∠40°～50°，間距40～50cm，斷續(xù)延伸1～3m，微張或閉合，銹染，傾下游偏坡外。巖層陡傾向山里，邊坡為逆向坡，坡面與層面、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面關(guān)系見圖2。

圖2 研究區(qū)極射赤平投影

為了查明傾倒體的底部邊界、變形破壞特征、結(jié)構(gòu)特征等，進(jìn)行了鉆孔勘探，目前完成3個(gè)鉆孔勘探。研究區(qū)傾倒體鉆孔資料成果初步統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 研究區(qū)傾倒體勘查成果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)測(cè)繪與勘探資料，研究區(qū)傾倒體的工程地質(zhì)剖面如圖3所示。由圖3可得，傾倒體平均厚度約60m，其中強(qiáng)卸荷傾倒變形區(qū)平均厚度約21m，弱卸荷傾倒變形區(qū)平均厚度約39m。

圖3 研究區(qū)傾倒體工程地質(zhì)剖面

1.3 傾倒體變形跡象

研究區(qū)水庫(kù)蓄水后，坡體后部2515m高程位置有局部連續(xù)拉裂縫，拉裂縫位置在坡型上呈上緩下陡，拉裂縫以上坡度約30°，拉裂縫以下坡度約40°～50°。拉裂縫貫通，延伸長(zhǎng)度約25～30m，最大寬度約10cm，最大深度約30cm，另局部有小裂隙出現(xiàn)。裂縫位置附近架空地形明顯，架空高度約半米，最高可達(dá)1m，延伸長(zhǎng)度約10m。局部有坐落式垮塌，邊坡后緣多可見類似“臺(tái)階狀”地形，據(jù)階坎剖面揭示，坡面為粉土，厚度大于3m。

此外，導(dǎo)流洞豎井內(nèi)也存在明顯的變形跡象。2013年5月20日（庫(kù)水位2321m），豎井2324m高程二次混凝土澆筑接觸錯(cuò)臺(tái)附近出現(xiàn)局部輕微變形；6月4日，2324m高程附近胸墻及外側(cè)井壁混凝土開裂，錯(cuò)臺(tái)面下部臺(tái)向井內(nèi)錯(cuò)動(dòng)明顯；6月10—25日豎井外側(cè)壁線錘顯示錯(cuò)臺(tái)寬度增加1.23cm，隨后對(duì)該段進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理；7月18日項(xiàng)目部對(duì)豎井的外側(cè)井壁、胸墻和下游側(cè)井壁重新布點(diǎn)，7月18—24日，6d時(shí)間內(nèi)豎井外側(cè)井壁錯(cuò)臺(tái)增加了4mm，豎井胸墻錯(cuò)臺(tái)增加6mm，下游側(cè)井壁錯(cuò)臺(tái)增加5mm。2015年5月汛前檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在原加固處理部位，再次發(fā)現(xiàn)變形破壞跡象。平板門豎井側(cè)主要表現(xiàn)為內(nèi)外側(cè)門槽混凝土在2324m高程混凝土交界處上部向山外側(cè)錯(cuò)動(dòng)，形成錯(cuò)臺(tái)約30～50cm（見圖4）；胸墻及上游側(cè)井壁變形破壞，多表現(xiàn)為鋼筋彎曲，混凝土脫落內(nèi)部鋼筋彎鼓、混凝土交界處形成錯(cuò)臺(tái)等；弧形閘門豎井側(cè)由于采用鋼拱加固，變形多見于鋼襯之上，以鋼梁扭曲、彎折為主。

圖4 平板門豎井外側(cè)門槽錯(cuò)臺(tái)

分析認(rèn)為，是由于蓄水導(dǎo)致閘門豎井2324m高程二次混凝土澆筑接觸面附近從開始出現(xiàn)局部輕微變形逐漸形成最大寬度接近半米的錯(cuò)臺(tái)［4］。豎井錯(cuò)臺(tái)變形發(fā)生時(shí)間與庫(kù)水位關(guān)系如圖5所示。

圖5 豎井內(nèi)變形時(shí)間與蓄水階段關(guān)系

2 傾倒體變形監(jiān)測(cè)分析

此傾倒體變形監(jiān)測(cè)共布設(shè)外觀監(jiān)測(cè)墩13個(gè)、多點(diǎn)位移計(jì)5個(gè)、測(cè)斜孔3個(gè)。以監(jiān)測(cè)斷面1-1′為例，此監(jiān)測(cè)斷面共布置有3個(gè)外觀監(jiān)測(cè)墩（DTP11、DTP19、DTP20）、1個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)（M45）以及1個(gè)測(cè)斜孔（VE4），如圖6所示。

圖6 1-1’監(jiān)測(cè)斷面

2.1 外觀監(jiān)測(cè)墩

3個(gè)外觀監(jiān)測(cè)墩DTP19、DTP11、DTP20在坡表由低至高安裝，其高程分別為2401m、2375m、2408m。由監(jiān)測(cè)數(shù)曲線可得，外觀監(jiān)測(cè)墩變形趨勢(shì)基本保持一致，蓄水期間加速變形，其中DTP11變形量最大達(dá)566.42mm，平均變形量達(dá)到500mm，變形速率達(dá)2.85mm／d。降水期間仍持續(xù)變形，變形速率稍有下降，如圖7所示。

圖7 外觀監(jiān)測(cè)墩位移-時(shí)間過(guò)程線

2.2 多點(diǎn)位移計(jì)

多點(diǎn)位移計(jì)成果計(jì)算是以最深測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，即假定為不動(dòng)點(diǎn)。變形以向坡外為正，向坡內(nèi)為負(fù)。由多點(diǎn)位移計(jì)M45各深度測(cè)點(diǎn)過(guò)程線的變化趨勢(shì)可見，地表至深20m范圍測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)基本一致，累計(jì)位移由表及里逐漸減小。起初傾倒體處于蠕變階段，合位移速率小于0.3mm／d；2014年9月初至12月下旬，蓄水階段坡體加速變形，最高速率達(dá)到2.7mm／d；2015年1月上旬庫(kù)水位開始消落后，坡體仍加速變形，在2015年2月中旬即降水一段時(shí)間后累積位移達(dá)到最大，但變形速率略有下降，如圖8所示。

圖8 多點(diǎn)位移計(jì)M45位移-時(shí)間過(guò)程曲線

2.3 測(cè)斜孔

2014年7月15—2015年11月30期間（見圖9），邊坡傾向方向深部變形隨時(shí)間的變化曲線。在2015年4月22三期蓄水前，VE4測(cè)斜孔中高程2324m即深度52.5m以下邊坡有蠕變變形，位移速率極小可忽略不計(jì)；深度52.5m至地表范圍產(chǎn)生朝向坡體外部明顯變形，累計(jì)位移量約為280mm左右；三期蓄水開始后，邊坡方向邊坡變形加速，累計(jì)位移量達(dá)到610mm。整體合位移方向整體變形趨勢(shì)是朝向坡外偏向上游側(cè)變形。

圖9 測(cè)斜孔深度-位移曲線

結(jié)合外觀監(jiān)測(cè)墩、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)斜孔等儀器的監(jiān)測(cè)成果表明：蓄水期間傾倒體加速變形，變形速率最大約2.7～2.85mm／d，降水期間仍持續(xù)變形但變形速率減?。粌A倒體變形體深度約52.5m，整體變形方向朝向河流偏上游。

3 穩(wěn)定性影響因素分析

影響傾倒體發(fā)生變形破壞因素很多，主因是庫(kù)水升降和降雨作用，除此之外還受到地形地貌、地層巖性等內(nèi)因以及地震等外力作用的影響。

3.1 庫(kù)水位升降

庫(kù)水位漲落過(guò)程中，岸坡巖體力學(xué)強(qiáng)度降低和應(yīng)力狀態(tài)改變直接影響了巖體結(jié)構(gòu)完整性和坡體穩(wěn)定性。庫(kù)水位上升后，受地下水影響，巖體強(qiáng)度降低，特別是巖體中的軟弱面，在水的浸泡下抗剪強(qiáng)度大幅下降；在力的作用方面，滲壓效應(yīng)引起滑動(dòng)面上法向應(yīng)力的降低，故抗剪性因水理弱化而降低。蓄水完成后，水位調(diào)節(jié)使地下水位產(chǎn)生顯著動(dòng)態(tài)變化，地下水水力坡度隨之發(fā)生改變，從而產(chǎn)生動(dòng)水壓力或靜水壓力，這都可能給岸坡巖土體造成較大的負(fù)面影響。庫(kù)水位下降時(shí)，若水位突然下降，庫(kù)岸坡體所受浮托力突然減小，陷落壓密，可能會(huì)激發(fā)高超空隙水壓力，使抗剪強(qiáng)度急劇降低導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。

3.2 降雨作用

坡表徑流對(duì)巖體淺表層的浸濕，削弱了巖石力學(xué)強(qiáng)度，加速了風(fēng)化程度的發(fā)展，導(dǎo)致岸坡淺表層巖體飽和、疏松。研究區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，利于雨水補(bǔ)給，在雨季大量降水直接沿裂隙灌入，水在裂隙面、節(jié)理面、巖層的薄弱面上入滲，同時(shí)產(chǎn)生并增大靜水壓力，使得巖土體軟化、黏聚力降低，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)岸坡抗滑力下降。根據(jù)傾倒體現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得飽和狀態(tài)比天然狀態(tài)下重度增大、抗剪強(qiáng)度明顯減小，如表2所示。

表2 巖土體力學(xué)參數(shù)

3.3 地形地貌

臨空面陡峻、陡崖高差大是易形成變形體的條件之一。傾倒體所在研究區(qū)黑河深切河谷，岸坡坡度約50°，高差155m，臨空條件好，此類河谷深切割高山侵蝕地貌使得岸坡巖體卸荷作用十分強(qiáng)烈。陡峻的臨空條件使巖體更易受到風(fēng)化作用，造成較強(qiáng)的重力卸荷作用，不僅易形成平行于崖面的卸荷裂隙，也為岸坡變形體的形成提供勢(shì)能場(chǎng)。

3.4 地層巖性

地層巖性以中厚層狀砂巖夾薄層板巖或千枚巖為主，兩類巖體存在巖性軟硬差異、結(jié)構(gòu)厚薄差異。板巖的高程度板裂化為傾倒拉裂提供了良好的基本條件，而砂巖的高強(qiáng)度使得其蓄能更多，在巖體卸荷后可以釋放更多能量形成拉裂，使得邊坡巖體更易發(fā)生傾倒變形破壞。巖層面傾向與坡面傾向夾角約50°～60°，不易發(fā)生破壞，但巖層面傾角為70°～80°，受外營(yíng)力長(zhǎng)期作用當(dāng)節(jié)理裂隙面貫通情況下易發(fā)生向臨空面方向的傾倒破壞。

4 傾倒體變形破壞機(jī)制分析

根據(jù)研究區(qū)傾倒體變形破壞特征、變形監(jiān)測(cè)、鉆探成果分析得出，研究區(qū)傾倒體的變形機(jī)制為“彎曲—拉裂”。此類斜坡變形破壞的形成條件，通常發(fā)生在近直立或陡傾坡內(nèi)的中等（偏軟）堅(jiān)硬層狀巖體或被陡傾節(jié)理分割的堅(jiān)硬塊狀巖體中，層厚以中—薄層狀為主。

結(jié)合庫(kù)水位周期性變化，將研究區(qū)傾倒體的變形發(fā)展過(guò)程分為3個(gè)階段。

（1）巖體初始變形階段——卸荷變形：河谷下切初始階段，邊坡淺表部沒有表現(xiàn)出明顯變形，受到向臨空方向的卸荷回彈的作用，淺表部巖層開始拉張，隨著河谷的持續(xù)下切邊坡卸荷持續(xù)發(fā)展。

（2）傾倒體變形發(fā)展階段——彎曲拉裂：隨著2013年3月下旬開始蓄水，邊坡出現(xiàn)變形跡象；至2013年8月下旬庫(kù)水位36h驟降48m期間，研究區(qū)邊坡后部約2515m高程處出現(xiàn)拉裂縫，傾倒體從邊坡淺表部向深部發(fā)展；在豎井以下2324m高程處發(fā)生明顯錯(cuò)臺(tái)變形。河谷下切給傾倒體提供了良好的臨空條件，以中厚層砂巖（硬巖）夾薄層板巖（中硬～軟巖）為主的巖層在自重應(yīng)力及庫(kù)水位升降的作用下，巖體力學(xué)性能降低，向臨空方向傾倒彎曲，當(dāng)巖層層面的抗拉強(qiáng)度小于受到的拉應(yīng)力時(shí)，拉張裂隙會(huì)往深部發(fā)展逐漸貫通，層間錯(cuò)動(dòng)同時(shí)發(fā)生，明顯的拉裂縫產(chǎn)生。

（3）傾倒體變形加劇階段——傾倒破壞：隨著傾倒體的持續(xù)發(fā)展，作用于傾倒體深部的推擠力越來(lái)越大，巖層的重力矩也在不斷增大，即根部持續(xù)向前推擠，淺表部覆蓋層垮塌。由于巖性、巖體結(jié)構(gòu)條件、地形地貌等內(nèi)外因綜合因素的影響，研究區(qū)傾倒體在庫(kù)區(qū)蓄、降水階段持續(xù)變形未收斂，后緣拉裂縫也有所發(fā)展。

5 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析

基于剛體極限平衡原理，通過(guò)多種計(jì)算方法，對(duì)水庫(kù)蓄水期間在天然工況常水位蓄水工況、暴雨、地震及其組合工況下的傾倒體進(jìn)行穩(wěn)定性分析［5］，具體如表3所示。

表3 蓄水階段傾倒體穩(wěn)定性計(jì)算成果（1-1’剖面）

從表3中可以看出，蓄水后（工況5～8）較蓄水前（工況1～4）傾倒體穩(wěn)定性情況明顯變差，在未蓄水狀態(tài)下，地震＋暴雨時(shí)邊坡處于前穩(wěn)定狀態(tài)，蓄水狀態(tài)下，傾倒體穩(wěn)定性均變差，且天然狀態(tài)、單一的地震或暴雨工況、蓄水情況下震或暴雨時(shí)邊坡處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，在常水位蓄水且地震＋暴雨組合工況下有可能發(fā)生傾倒破壞。

6 結(jié) 論

（1）蓄水和降雨是傾倒體變形穩(wěn)定性的主要影響因素，除此之外地形地貌、巖性組合、坡體結(jié)構(gòu)、地震也會(huì)影響傾倒變形體的穩(wěn)定性。

（2）“彎曲—拉裂”變形破壞通常發(fā)生在近直立或陡傾坡內(nèi)的中等（偏軟）堅(jiān)硬層狀巖體或被陡傾節(jié)理分割的堅(jiān)硬塊狀巖體中，層厚以中—薄層狀為主。此類斜坡變形破壞主要發(fā)生在斜坡前部，演變過(guò)程如下：陡傾的板狀巖體在自重彎矩作用下，于前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展；彎曲的板梁之間互相錯(cuò)動(dòng)并伴有拉裂，彎曲體后緣出現(xiàn)拉裂縫，形成平行于走向的反坡臺(tái)階和槽溝；板梁彎曲劇烈部位往往產(chǎn)生橫切板梁的折裂。

（3）今后遇到庫(kù)區(qū)有類似傾倒體的邊坡工程，可借鑒本研究的勘探手段，如：鉆探、監(jiān)測(cè)、平硐／豎井等，以及穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法，了解其變形破壞機(jī)理，為后續(xù)應(yīng)對(duì)和處理措施提供科學(xué)依據(jù)。