旭龍水電站環(huán)境邊坡穩(wěn)定性分析評價

張煥強 楊志川 陳金龍 卞鵬寅 白霖

摘要：為查明旭龍水電站環(huán)境邊坡工程地質(zhì)問題并提出工程處理措施建議，確保工程施工安全，通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與測繪、無人機航拍、三維實景模型分析等手段，針對旭龍水電站環(huán)境邊坡存在的危巖體、崩塌堆積體、強烈卸荷松弛區(qū)等三類主要工程地質(zhì)問題，通過工程地質(zhì)分析及數(shù)值模擬，分析了各類工程地質(zhì)問題的成因機制及失穩(wěn)模式，評價了邊坡穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的工程治理建議。結(jié)果表明：危巖體穩(wěn)定性多為較差至差，崩塌堆積體整體穩(wěn)定性較好，強烈卸荷松弛區(qū)巖體穩(wěn)定性差。建議對體積最大的1號危巖區(qū)采取卸荷開挖、錨固等措施進行治理，避免對體積最大的1號堆積體坡腳開挖，清除S3強烈卸荷松弛區(qū)松動巖體后錨固下伏強卸荷巖體。研究結(jié)果可為類似工程治理提供參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境邊坡； 邊坡穩(wěn)定性分析； 工程地質(zhì)； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV223

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.006

文章編號：1006-0081（2024）05-0031-05

0 引言

邊坡巖土體的變形破壞，將對工程建（構(gòu)）筑物安全造成威脅。水電站環(huán)境邊坡因其特殊的工程環(huán)境和工作要求，如通常會承受水流的沖擊和侵蝕［1-3］，需要考慮水流對邊坡穩(wěn)定性的影響，對穩(wěn)定性和安全性要求更高［4-6］；此外，水電站建設(shè)和維護成本通常較高，需要使用特殊的工程材料和設(shè)備及需定期進行檢查和維護等，其環(huán)境邊坡問題更加復(fù)雜［7-10］。因此，在水電站環(huán)境邊坡勘察時需要更加細致和全面地考慮各種因素。

因工程類型的差異和工程場地地質(zhì)條件復(fù)雜程度的不同，影響自然邊坡巖土體穩(wěn)定的地質(zhì)要素各有不同，如高陡巖質(zhì)邊坡危巖體控制性結(jié)構(gòu)面性狀、堆積體邊坡形態(tài)與物質(zhì)組成、順向巖質(zhì)邊坡地層產(chǎn)狀等［11-14］。旭龍水電站因其特殊的地理位置及地質(zhì)條件，環(huán)境自然邊坡高陡，河谷深切，卸荷強烈，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程地質(zhì)問題突出。為查明旭龍水電站環(huán)境邊坡工程地質(zhì)問題、確保工程施工安全，本文針對旭龍水電站環(huán)境邊坡3類主要工程地質(zhì)問題，分析相應(yīng)的成因機制及失穩(wěn)模式并評價其穩(wěn)定性，提出相應(yīng)的工程治理建議。

1 工程概況

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發(fā)方案中的第12級。主體工程為混凝土雙曲拱壩，最大壩高213 m，水庫正常蓄水位2 302 m，相應(yīng)庫容為7.81億m3。電站總裝機容量2 400 MW（安裝4臺混流式水輪發(fā)電機組），多年平均發(fā)電量105.14億kW·h。

旭龍水電站工程壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。壩址區(qū)屬中高山地貌，谷坡陡緩相間，總體坡度30°～50°，河谷為深切“V”形谷。河谷兩岸岸坡陡峻，高程2 150～2 500 m段坡角一般為50°～60°，局部近直立；高程2 500 m以上兩岸岸坡變緩，坡角一般為30°～40°，局部較陡。

壩址區(qū)及其附近出露的基巖從老至新有中元古界雄松群三段（Pt2x3）斜長角閃（片）巖和混合巖，以及三疊紀(jì)印支期侵入的花崗巖（γ15）。斜長角閃（片）巖片理產(chǎn)狀250°～270°∠60°～80°；混合巖是由混合巖化作用形成的巖石，基體主要是斜長角閃片巖，脈體主要是長英質(zhì)；花崗巖是建壩的主體巖石，跨兩岸呈南北向帶狀分布，帶寬500 m左右，見圖1。

壩址區(qū)地表斷層多為Ⅲ級或Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，以正交金沙江的陡傾斷層最為發(fā)育，其中規(guī)模較大的從下游至上游依次有F1、f3、F2。

壩址區(qū)岸坡由于卸荷作用產(chǎn)生大量的卸荷裂隙：① 近似平行于岸坡臨空面的陡傾角張開裂隙，多發(fā)育于坡頂；② 中緩傾角岸剪裂隙，多發(fā)育于邊坡陡緩相接的部位（圖2）。

如圖3所示，岸坡卸荷機理可分為如下幾類。① 拉裂區(qū)。當(dāng)最小主應(yīng)力超過巖體的抗拉強度時，將發(fā)生平行于坡面的單向拉裂破壞。② 壓致拉裂區(qū)。為受壓應(yīng)力控制的張裂破壞，破裂面也以平行坡面為主。③ 張剪破裂區(qū)。為剪切作用的破裂機制，破壞準(zhǔn)則符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。另外，河谷地帶存在剪切松弛卸荷區(qū)及高應(yīng)力區(qū)。

壩址區(qū)在高程2 300 m以下主要為弱卸荷帶，寬度為15.0～35.0 m。高程2 300 m以上的陡崖發(fā)育有強卸荷帶，強卸荷帶寬度一般小于30 m。河床部位卸荷厚度在4.5～10.7 m。

壩址區(qū)地處金沙江干熱河谷，地下水總體貧乏。從地表往下30～60 m范圍內(nèi)以弱透水為主；60 m以下的巖體則多呈微至弱透水。

廠房區(qū)地應(yīng)力水平為中等應(yīng)力水平，局部應(yīng)力集中部位為中等至高應(yīng)力水平。

壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題之一為環(huán)境高邊坡局部穩(wěn)定問題：存在255處危巖體（區(qū)）、6處崩塌堆積體、4處強烈卸荷松弛區(qū)（S1～S3），如圖4所示。

2 危巖體

壩址區(qū)危巖體（區(qū)）255處，其中左岸109處，右岸146處。兩岸發(fā)育10 000 m3級危巖體占2.4%，1 000 m3級危巖體占7.8%，100 m3級危巖體占53.7%，100 m3以下危巖體占36.1%。已查明的危巖體基本處于穩(wěn)定性較差至穩(wěn)定性差狀態(tài)。以體積最大的1號危巖區(qū)為例，說明重要危巖體（區(qū)）的穩(wěn)定性分析與評價的情況。

1號危巖區(qū)高程2 165～2 600 m，體積約145萬m3，巖性為斜長角閃片巖。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與測繪、無人機航拍、三維實景模型分析等，查明邊坡巖體受長大裂隙控制，存在不同的分區(qū)破壞失穩(wěn)模式，見圖5。

I區(qū)分布于危巖區(qū)上部，高程2 360～2 600 m，三面臨空，臨江段坡度45°左右，上、下游側(cè)面形成陡崖。坡表遍布大小不等的松動危巖體，淺表部穩(wěn)定性差。

Ⅱ區(qū)位于Tf116上游側(cè)，高程2 165～2 360 m，兩面臨空。Ⅱ區(qū)Tf50下游至Tf116范圍為Ⅱ-1區(qū)，其以Tf116為底滑面，以Tf50為側(cè)滑邊界，易產(chǎn)生滑移破壞；Tf50上游側(cè)為Ⅱ-2區(qū)，其在Ⅱ-1區(qū)滑移破壞后，Tf50處形成該區(qū)下游側(cè)新的臨空面，且在該坡面方向上呈倒坡形態(tài)，該區(qū)將出現(xiàn)側(cè)向漸進式傾倒破壞。

Ⅲ區(qū)分布高程2 165～2 360 m，兩面臨空，坡度較緩，變形破壞模式以淺層單一塊體傾倒或滑移破壞為主。

總體而言，I區(qū)、Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)的變形破壞相互影響、相互制約，Ⅲ區(qū)相對獨立。Ⅱ-1區(qū)位于危巖區(qū)中下部，若其失穩(wěn)，上方的I區(qū)及側(cè)面Ⅱ-2區(qū)失去支撐，穩(wěn)定性受到較大影響。圖6的數(shù)值計算結(jié)果表明：1號危巖區(qū)前緣部位變形較大，最大變形為Tf116在Ⅱ-1區(qū)（圖5）前緣出露部位底部。

1號危巖區(qū)體積大，高差大，且Ⅱ-1區(qū)形成了貫通的底滑面，易發(fā)生沿Tf116的滑動破壞，建議對1號危巖區(qū)采取卸荷開挖、錨固、排水、坡面防護、監(jiān)測等綜合工程措施進行治理，確保危巖區(qū)穩(wěn)定。

3 崩塌堆積體

壩址區(qū)共分布6處崩塌堆積體，以體積最大的1號堆積體（圖7）為例，分析其穩(wěn)定性。

1號堆積體前緣高程2 460～2 500 m，后緣高程2 700 m左右，體積約424萬m3。堆積體地形呈溝脊相間地貌，共發(fā)育5條沖溝。堆積體成分為崩坡積塊碎石夾土，干燥，一般為中密-密實狀。堆積體厚度鉆孔揭露一般為10～40 m。該堆積體基巖面前緣坡度17°，中部坡度25°～30°，后緣坡度33°。

對1號堆積體塊碎石土進行了現(xiàn)場大剪試驗，天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)試驗各1組，試驗結(jié)果如表1及圖8所示。

1號堆積體前緣為一級岸坡陡崖；堆積體物質(zhì)為塊碎石夾土，結(jié)構(gòu)密實、干燥，且細粒土有一定程度膠結(jié)，抗剪強度較高；在基巖面形態(tài)上坡度較緩。綜上，1號堆積體整體穩(wěn)定性較好。但因1號堆積體前緣厚度大、坡度陡（圖9），局部易失穩(wěn)破壞，雨季尤為突出。此外，右岸纜機平臺等工程的開挖會削減1號堆積體前緣坡腳，影響堆積體的穩(wěn)定性。建議清除坡表孤石，避免孤石沿坡面發(fā)生滾落；通過清除、支擋、放坡等方式對堆積體進行處理，保證堆積體在纜機平臺開挖切腳后的穩(wěn)定性。

4 強烈卸荷松弛區(qū)

壩址區(qū)共分布4處強烈卸荷松弛區(qū)。以S3強烈卸荷松弛區(qū)（圖10）為例，分析重要強烈卸荷松弛區(qū)的穩(wěn)定性。

S3強烈卸荷松弛區(qū)位于進水口邊坡開口線以上，處于F2下游與1號堆積體之間的突出山脊；分布高程2 410～2 680 m，平面面積約3.7萬m2，平均坡度40°左右。

該區(qū)地形突出、多面臨空、多面卸荷，卸荷松弛強烈，淺表巖體具松動特征，巖體破碎，危巖體與危石集中發(fā)育，受卸荷松動作用影響，坡表遍布松動危巖體，松動張開，大小不一，小者數(shù)立方米，大者可達數(shù)百立方米。

S3強烈卸荷松弛區(qū)中發(fā)育S3-1、S3-2、S3-3等3處松動區(qū)，位于右岸纜機平臺邊坡上方山梁部位（圖11）。3處松動區(qū)地形突出，呈“脊?fàn)睢?，多面臨空、多面卸荷。

3處松動區(qū)卸荷松弛強烈，淺表巖體具松動特征，松動深度一般為5～7 m，沿卸荷裂隙面具傾倒剝離特征，巖體破碎，危巖體與危石集中發(fā)育，易崩塌、剝落等，穩(wěn)定性差。

由于S3強烈卸荷松弛區(qū)朝金沙江方向崩落將影響引水洞進口及纜機平臺邊坡安全，建議清除松動區(qū)巖體，錨固下伏強烈卸荷巖體。

5 結(jié)論

金沙江上游旭龍水電站工程地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境邊坡工程地質(zhì)問題突出。本文通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與測繪、無人機航拍、三維實景模型分析等，查明了旭龍水電站環(huán)境邊坡危巖體、崩塌堆積體、強烈卸荷松弛區(qū)等3類主要工程地質(zhì)問題，分析了其失穩(wěn)模式，對其穩(wěn)定性進行了評價，提出了相應(yīng)的工程處理措施建議，可為工程治理提供依據(jù)。

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編輯：高小雲(yún)

Analysis and evaluation of environmental slope stability of Xulong Hydropower Station

ZHANG Huanqiang，YANG Zhichuan，CHEN Jinlong，BIAN Pengyin，BAI Lin

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to identify the engineering geological problems of the environmental slope of Xulong Hydropower Station，propose suggestions for engineering treatment measures，and ensure construction safety，three main engineering geological problems，namely the dangerous rock masses，collapse accumulation bodies，and strong unloading relaxation areas were summarized through on-site geological survey and investigation，unmanned aerial vehicle （UAV） aerial photography，and 3D real scene model analysis.The causes and instability modes were analyzed，and their stability were evaluated and corresponding engineering suggestions were proposed by means of engineering geological analysis and numerical simulation.The results indicated that the dangerous rock masses mostly had lower or poor stability，the overall stability collapse accumulation bodies was good，and the rock of strong unloading relaxation areas hade poor stability.It is suggested that the No.1 dangerous rock region which has the maximum volume should be taken unloading excavation，anchoring and other measures.The No.1 accumulation body which has the maximum volume should be avoided excavation at the foot of the slope，the underlying strong unloading rock mass should be anchored after removing the loose rock mass in the S3 strong unloading and relaxation area.The research results can provide a reference for the treatment of similar projects.

Key words：

environmental slope； analysis of slope stability； engineering geology； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：張煥強，男，高級工程師，博士，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計、研究工作。E-mail：zhanghuanqiang@cjwsjy.com.cn