巴基斯坦卡洛特水電站緩傾層狀軟硬相間邊坡變形特性及防治建議

張必勇 徐俊 侯欽禮 曹道寧

摘要：沉積巖層狀巖體在地殼表層廣泛存在，通常呈軟、硬相間的互層結(jié)構(gòu)，巖層各向異性顯著。不同厚度的沉積巖層狀巖體組合對邊坡的穩(wěn)定性影響很大。以巴基斯坦卡洛特水電站軟硬相間巖體邊坡為例，研究了該類巖體的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、地下水分布及其對工程邊坡的影響，總結(jié)了該類巖體構(gòu)成的自然及人工邊坡的主要失穩(wěn)破壞模式，分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的防治措施，以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：邊坡變形;邊坡防治;軟硬相間層狀巖體;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV223文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.004

1工程背景

卡洛特水電站位于巴基斯坦東北部吉拉姆河干流上，該工程所在區(qū)域出露巖層為上第三系中新世Nagri組層狀沉積巖，巖層軟硬相間。工程主要建筑物包括瀝青混凝土心墻堆石壩、地面廠房、溢洪道及導(dǎo)流洞等，工程開挖邊坡主要集中在導(dǎo)流洞進(jìn)出口及溢洪道兩側(cè)。其中，導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡最大坡高約122 m，為逆向坡，出口邊坡最大坡高約91 m，為順向坡;溢洪道左側(cè)最大壩高約95 m，為斜交逆向坡，右側(cè)最大坡高約83 m，為斜交順向坡。

2 層狀巖體主要特征及與工程邊坡的關(guān)系

2.1 巖 性

工程區(qū)主要揭露有中砂巖和粉砂巖（統(tǒng)稱“砂巖”）以及泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖（統(tǒng)稱“泥質(zhì)巖”），砂巖呈灰綠色、淺灰色，飽和抗壓強度25～30 MPa，屬于較軟巖;粉砂質(zhì)泥巖呈紫紅色，飽和抗壓強度為8～12 MPa;泥質(zhì)粉砂巖呈淺紫紅色，飽和抗壓強度為10～15 MPa，均屬軟巖。

2.2 巖層產(chǎn)狀及變化

工程區(qū)在構(gòu)造上處于Karatot向斜與右岸Narwan背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，巖層傾角7°～10°。

2.3 巖層厚度變化

砂巖單層厚度為2～6 m，呈巨厚層狀，連續(xù)層厚一般6～24 m，在工程范圍內(nèi)略有變化，以漸變?yōu)橹?。粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖單層厚0.1～2 m，呈薄層～厚層狀，連續(xù)層厚一般5～20 m，變化不明顯。

2.4 風(fēng)化與卸荷

由于層狀巖體軟硬相間，不同巖石抗風(fēng)化能力差別大，自然邊坡呈現(xiàn)明顯的差異風(fēng)化[1-2]。砂巖由于抗風(fēng)化能力較強，在邊坡頂部易形成平臺，在坡身處易形成陡崖，風(fēng)化后巖體主要表現(xiàn)為礦物蝕變，總體呈灰黃色，巖體結(jié)構(gòu)保存完整，風(fēng)化裂隙以長大裂隙為主。泥質(zhì)巖由于遇水易軟化、泥化，在干濕循環(huán)作用下易產(chǎn)生崩解，其表層風(fēng)化后呈土夾碎塊狀，灰褐色，在坡頂受雨水沖刷很少保留，在坡身呈現(xiàn)為緩坡，坡度為15°～20°，在與上部的砂巖交結(jié)處多形成空腔，致使砂巖呈倒懸體。

工程區(qū)處于地殼強烈上升地區(qū)，受河流下切、巖體差異風(fēng)化等影響，高陡邊坡附近巖體卸荷強烈，強卸荷帶水平深度一般為8～16 m。

2.5 地下水活動

泥質(zhì)巖屬相對隔水層，微新巖石透水性微弱，砂巖透水性稍大，地下水總體不發(fā)育，水位較高。地下水主要沿著長大卸荷裂隙以及沖溝下部的集中下滲通道運移[3-4]。在河谷兩側(cè)，由于裂隙寬大，且主要集中在砂巖中，地下水排泄通暢，對邊坡的作用表現(xiàn)為使細(xì)顆粒流失，加速裂隙的擴張;在小型沖溝等集中下滲通道部位，地下水主要沿微小裂隙轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為軟弱夾層的軟化、泥化，巖體強度顯著下降，不過由于地下水移動速度有限，其影響范圍較小，一般小于30 m。

2.6 邊坡主要特點

工程區(qū)邊坡為典型的軟、硬巖體相間及不等厚、互層狀分布結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)巖具快速風(fēng)化的特性;由于泥質(zhì)巖往往構(gòu)成相對隔水層，邊坡中地下水具有“層狀分布”及“多層地下水”的特點;高、陡臨江岸坡巖體卸荷強烈。

邊坡巖層主要為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，巖石總體具有時代新、成巖膠結(jié)程度較差、巖石較軟弱，巖性較復(fù)雜，發(fā)育有不同類型的軟弱夾層等特點。

3 邊坡的破壞模式

在卡洛特水電站工程開挖施工過程中，失穩(wěn)破壞或變形的邊坡主要表現(xiàn)為拉裂崩塌、蠕滑變形及層間滑坡。

3.1 拉裂崩塌

由于邊坡中巖層上硬下軟，且下部泥質(zhì)巖抗風(fēng)化能力差，受地下水影響易崩解塌落，在上部厚層～巨厚層砂巖壓應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生壓縮變形，加速向外側(cè)位移而崩解[5-6]。同時，上部砂巖在失去下部支撐后，形成倒懸體，由于抗拉強度較低，逐漸產(chǎn)生卸荷，裂隙沿著倒懸體根部往上擴展，當(dāng)裂隙貫穿時，分離出來的砂巖塊體將產(chǎn)生錯落或崩塌。

根據(jù)該類型塊體破裂原理，最大倒懸寬度可以表示為

[b=（H·Rm·Rλ·K）]

式中，b為倒懸寬度，m;Rm為巖石抗拉強度，kPa;H為倒懸?guī)r層厚度，m;[λ]為倒懸體重度，kN/m3;R為強度折減系數(shù)，主要反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度對巖體抗拉強度的影響，一般取0.1～0.5;K為安全系數(shù)，一般取1.2。

3號導(dǎo)流洞出口處自然邊坡即為一處典型的上硬下軟的倒懸體結(jié)構(gòu)，見圖1，邊坡中部N1dh1-1-1層砂巖厚度約6.6 m（H），以上為陡坡，坡度約65°，以下即倒懸體，由于地下水作用強烈，沿該層底部不斷有地下水滲出，呈線狀。

巖石抗拉強度Rm為400 kPa，巖體重度λ為24.7 kN/m3，強度折減系數(shù)R取0.1，安全系數(shù)K取1.2，根據(jù)上述公式計算可知，該倒懸體穩(wěn)定寬度b=3.05 m。現(xiàn)場實際測量表明，其寬度范圍為2.5～3.1 m，考慮到地下水作用，倒懸體已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，地質(zhì)剖面圖見圖2。在開挖施工過程中，該倒懸體由于爆破振動影響而崩塌，方量約2 000 m3。

3.2 蠕滑變形

在沉積過程中，由于沉積環(huán)境的不同，層狀巖體少數(shù)薄層可能會形成軟弱夾層。這類夾層的特點主要表現(xiàn)為：層薄，膠結(jié)較差，強度低，在構(gòu)造運動中往往形成薄弱面而受到剪切破壞，且局部孔隙率高，易成為地下水運移的通道而出現(xiàn)泥化、軟化或夾泥。

溢洪道進(jìn)水渠右側(cè)邊坡巖體沿N1na4-3-1與N1na4-2層面發(fā)育有斷續(xù)分布的軟弱破碎夾層，寬度1～6 cm，延伸長度90余米，見圖3。其在地下水作用下表現(xiàn)為明顯的軟化，并夾泥，構(gòu)成了邊坡的潛在底滑面，其地質(zhì)剖面圖見圖4。隨著邊坡的下挖施工及爆破振動的影響，該邊坡沿軟弱夾層產(chǎn)生徐變、蠕滑，并沿邊坡后緣發(fā)育的長大卸荷裂縫產(chǎn)生拉裂，最大變形達(dá)3 cm，施工方及時采取加強支護措施后，蠕滑才得到控制。

3.3 層間滑坡

在互層狀巖體中，當(dāng)泥質(zhì)巖厚度過大時（如大于20 m），位于兩層砂巖中的泥質(zhì)巖易風(fēng)化形成緩坡，其上部的砂巖層由于失去支撐，不斷崩塌，在斜坡中部形成大小不一的塊石堆積，局部架空，同時構(gòu)成了地下水的存儲空間，使該區(qū)域堆積體的重量不斷增加。下部泥質(zhì)巖由于透水性弱，聚集在塊石中的地下水沿著泥質(zhì)巖不斷滲透，加速了下部泥質(zhì)巖的軟化，在暴雨或地震等極端條件誘發(fā)下，將沿著泥質(zhì)巖強風(fēng)化層產(chǎn)生切層滑動或順層蠕動。

4號渣場排洪溝右側(cè)邊坡施工時，由于地震誘發(fā)了該類型滑坡。該滑坡呈圈椅狀，地形坡度30°，局部20°;后緣高程485 m，前緣高程455 m左右，前緣寬50 m，縱向長約61 m;面積約2 590 m2，體積約1.2萬m3，屬小型滑坡，見圖5。

邊坡上部松散碎塊石土及下部全強風(fēng)化泥質(zhì)巖均發(fā)生滑動，屬覆蓋層～基巖滑坡，為較為典型的層間滑坡實例，見圖6。

4 邊坡防護建議

不同類型的邊坡應(yīng)采取針對性防治措施，除坡面系統(tǒng)支護外，針對以上3類易產(chǎn)生變形破壞的邊坡防護建議如下。

（1）對于存在倒懸體的邊坡，若為臨時邊坡，可通過在底部回填混凝土，以支撐倒懸?guī)r體重力荷載;對于永久邊坡，建議沿倒懸體根部往上削坡減載，對下部易風(fēng)化區(qū)域及時進(jìn)行噴護封閉，對上部巖體根據(jù)裂隙發(fā)育情況需進(jìn)行適當(dāng)加強支護，若存在較深的卸荷裂隙，應(yīng)采取較低噸位錨索（1 000 kN左右）穿過強卸荷帶進(jìn)行加固，且錨固段應(yīng)設(shè)置于強度較高的砂巖中。

（2）對于含軟弱夾層的蠕滑型邊坡，主要措施為增加深排水孔，保證邊坡排水通暢;增加穿過軟弱夾層的錨筋樁，并使其角度與蠕滑面垂直;必要時增設(shè)穿過蠕滑面的低噸位（1 000 kN左右）錨索，錨固端應(yīng)位于下部強度較高的砂巖中。

（3）對于砂巖層中厚層泥質(zhì)巖邊坡，主要措施為及時在下部砂巖處設(shè)置擋墻，上部堆積體若已經(jīng)產(chǎn)生滑動，應(yīng)進(jìn)行削坡減載，經(jīng)過多次實踐，該方案經(jīng)濟實用，效果良好，見圖7。

5 結(jié) 語

層狀軟硬相間巖體具有獨特的變形特征，工程設(shè)計時應(yīng)充分發(fā)揮其中硬巖的優(yōu)勢。在布置線路或線狀建筑物時，應(yīng)優(yōu)先選擇硬巖與軟巖比例相對較高的地段。對特別重要的直立坡，應(yīng)將其布置于厚度較厚的硬巖處。對于邊坡中的軟巖，無論臨時坡或永久坡，均應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行噴護封閉，防止其快速風(fēng)化。在設(shè)計系統(tǒng)支護時，應(yīng)將重點放在相對較軟巖層中，如遇軟弱夾層時，應(yīng)采取加強措施，防止邊坡的蠕滑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 車彥良，周驥. 緩傾軟硬相間邊坡破壞機理的物理模擬研究[J]. 水利科技與經(jīng)濟，2018，24（5）：23-26.

[2] 曹運江，黃潤秋，鄭海君，等. 岷江上游某水電站工程邊坡軟巖的崩解特性研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2006 （14）：35-40.

[3] 孟立朋，彭軒明，吳吉民，等. 青干河軟硬相間順向岸坡演化過程研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（6）：52-56.

[4] 陳小婷，黃波林，劉廣寧，等. 三峽庫區(qū)平緩層狀軟硬相間斜坡變形模式變化分析[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2009（6）：57-61.

[5] 徐魯勤，楊志強，鞠遠(yuǎn)江. ?軟硬相間巖層底板變形研究[J].中國煤炭地質(zhì)，2008（11）：34-37.

[6] 張巖. 四川雙江口水電站典型工程邊坡失穩(wěn)分析[J].水利水電快報，2019， 40（5）：62-66.

（編輯：李 慧）

Deformation characteristics of soft and hard layered slope with gentle dip of Karot Hydropower Station in Pakistan and controlling measures

ZHANG Biyong1， XU Jun1， HOU Qinli2， CAO Daoning1

（1. Changjiang Geotechnical Engineering（Wuhan），Wuhan 430010，China;

2. Changjiang Survey， Planning， Design And Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： The sedimentary layered rock mass is widely distributed in the earth crust， most of which are soft and hard layered structures with distinct anisotropic feature. The rock mass with different layer thicknesses could greatly impact the slope stability. Taking the soft and hard layered slope with gentle dip at Karot Hydropower Station as an example， the structure， mechanical features and groundwater distribution of the rock mass and the related influence on excavated slopes are studied. The main stability loss and failure modes of natural and excavated slopes of the rock mass are summarized and the causes are analyzed. The controlling measures are provided， which could be referred by similar projects.

Key words： slope deformation; slope control; ?soft and hard layered rock mass; Karot Hydropower Station; Pakistan