基于河道演變的邊坡變形破壞機(jī)制分析

蒲進(jìn) 張丙先 任志勇 高志林

收稿日期：2023-09-09

基金項目：

中國大唐集團(tuán)有限公司科研項目“西藏扎拉水電站工程區(qū)弱膠結(jié)卵漂石混合土工程特性及邊坡穩(wěn)定性研究”（CWEME-2404XZ-F002）

作者簡介：

蒲? 進(jìn)，男，高級工程師，主要從事工程管理工作。E-mail：157591171@qq.com

引用格式：

蒲進(jìn)，張丙先，任志勇，等.

基于河道演變的邊坡變形破壞機(jī)制分析

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：33-37.

摘要：

西藏扎拉水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡施工開挖過程中揭露了反常變形破壞現(xiàn)象。為了給邊坡治理提供依據(jù)，根據(jù)該段邊坡的地形地貌、巖土結(jié)構(gòu)特征，考慮河道演變過程對邊坡形成及發(fā)展的影響，分析了邊坡變形破壞的機(jī)制。結(jié)果表明：與單側(cè)臨空面的邊坡不同，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡的變形受河道演變過程的影響，古河道期間，巖層向古河道（現(xiàn)代岸坡內(nèi)側(cè)）發(fā)生傾倒變形，形成彎曲帶；現(xiàn)代河道形成過程中，切割坡體促使彎曲帶巖體折斷、破碎，成為彎折帶；施工開挖切穿彎折破碎帶，導(dǎo)致邊坡淺層巖體發(fā)生外鼓變形、順層滑移。該工程經(jīng)驗及分析思路可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：

巖質(zhì)邊坡； 板巖； 傾倒變形； 順層滑移； 河道演變;? 扎拉水電站

中圖法分類號：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.006

文章編號：1006-0081（2024）06-0033-05

0? 引? 言

西藏扎拉水電站為Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式開發(fā)，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高70 m，引水發(fā)電建筑物主要由引水隧洞和地面電站廠房組成，引水線路長約5.5 km。導(dǎo)流隧洞布置在壩址左岸，進(jìn)口邊坡下部由薄層狀板巖組成，巖層陡傾坡外，根據(jù)施工開挖過程揭露，巖層出現(xiàn)向坡內(nèi)彎折變形、巖體破碎現(xiàn)象，坡面部分巖體還發(fā)生了外鼓變形、順層滑移。

陡傾薄層狀板巖組成邊坡的常見變形模式是傾倒。部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：譚儒蛟等［1］揭示邊坡變形巖體是重力彎曲蠕變?yōu)橹鲗?dǎo)的成因機(jī)制；王飛等［2］研究發(fā)現(xiàn)傾倒體是斜坡巖體在疊加有殘余構(gòu)造應(yīng)力的自重應(yīng)力場中長期演化的產(chǎn)物，軟硬相間的巖性組合、陡傾內(nèi)的岸坡結(jié)構(gòu)，加之垂直層面密集節(jié)理的切割是斜坡發(fā)生傾倒變形的控制性因素；李高勇等［3］指出整個傾倒體的演變具有長期性、累進(jìn)性和階段性的特征；李彥奇等［4］研究得出坡體傾倒變形破壞全過程為層間先出現(xiàn)相互錯動，然后邊坡自坡腳部位開始出現(xiàn)彎曲變形，隨后坡體后緣出現(xiàn)拉張裂縫，與此同時邊坡整體向臨空面彎曲傾倒，最終形成2個或3個破壞面。

關(guān)于類似地質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡的破壞模式，楊肖鋒等［5］研究了板裂結(jié)構(gòu)順層巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲破壞機(jī)制的力學(xué)模型；潘坤［6］將某電廠后傾倒變形邊坡的破壞模式歸納為蠕滑-拉裂式滑坡和蠕滑-拉裂式滑塌；駱波等［7］研究了傾倒體沿緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體滑動的破壞模式；孫云志等［8］研究了順層陡傾特高人工邊坡的淺層滑移剪出破壞、深層滑移剪出破壞、壓剪潰屈破壞、壓裂滑移剪出破壞和隨機(jī)塊體破壞等幾種邊坡破壞模式。

相關(guān)研究工作，促進(jìn)了對邊坡傾倒變形的形成機(jī)制、演變過程和破壞模式的認(rèn)識。邊坡傾倒變形大多發(fā)生在現(xiàn)代河道等臨空面（坡外側(cè)）［9］，通常沿緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞［7］。扎拉水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡施工開挖揭露巖層向坡內(nèi)彎折變形，與常見的向坡外的傾倒變形方向相反；巖層傾角大于或等于坡角，發(fā)生的順層滑移也不符合常規(guī)認(rèn)識。為了給邊坡治理提供依據(jù)，根據(jù)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡的地形地貌、巖土結(jié)構(gòu)特征，考慮河道演變過程對邊坡形成及發(fā)展的影響，本文對邊坡變形破壞的形成機(jī)制進(jìn)行分析，并提出治理對策與建議。

1? 自然邊坡工程地質(zhì)特征

西藏扎拉水電站樞紐工程地處橫斷山脈高山峽谷區(qū)，河谷深切，邊坡卸荷深度較大，河谷邊坡大部分由薄層狀板巖組成，巖層走向與河谷走向基本一致，兩岸邊坡為層狀同向結(jié)構(gòu)或?qū)訝罘聪蚪Y(jié)構(gòu)，普遍發(fā)生傾倒變形。邊坡巖層大部分向現(xiàn)代河道臨空側(cè)（坡外側(cè)）傾倒，主要分為階地前緣陡坎表層的傾倒折斷型和Ⅱ級階地以上中等坡度斜坡的傾倒彎曲型兩種，其中彎曲型傾倒巖體底界水平深度達(dá)62～85 m。

如圖1所示，導(dǎo)流隧洞位于壩址左岸，進(jìn)口段自然邊坡坡角45°～75°，坡高100 m左右。上部為土質(zhì)邊坡，坡高約55 m，地貌屬Ⅲ級階地前緣，巖性為第四系更新統(tǒng)沖積（Qpal）卵漂石，結(jié)構(gòu)中密-密實；下部為巖質(zhì)邊坡，坡高約45 m，巖質(zhì)邊坡上部及河邊出露基巖，其間覆蓋崩積層；基巖為二疊系下統(tǒng)納錯群（P1nc）砂質(zhì)板巖，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，板理面傾向250°～260°，傾向坡外，傾角58°～86°，上緩下陡?？碧浇沂劲蠹夒A地下伏古河道，現(xiàn)代河道與古河道間山體較單?。▓D2）。

1.第四系更新統(tǒng)沖積；2.二疊系下統(tǒng)納錯群；3.第四系與基巖界線；8.板理面產(chǎn)狀；5.導(dǎo)流建筑物

弱風(fēng)化狀砂質(zhì)板巖飽和抗壓強(qiáng)度Rc=25～28 MPa，屬軟質(zhì)巖。巖體抗剪斷強(qiáng)度：黏聚力為0.70～0.80 MPa，摩擦系數(shù)為0.75～0.80。板理面抗剪斷強(qiáng)度：黏聚力為0.05～0.10，摩擦系數(shù)為0.50～0.55。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口段自然邊坡高、陡，上部土質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)中密-密實，下部巖質(zhì)邊坡巖層陡傾坡外，巖層傾角大于或等于坡角，除坡腳覆蓋的崩積層表明邊坡曾發(fā)生剝蝕、崩塌現(xiàn)象外，未發(fā)現(xiàn)自然邊坡整體失穩(wěn)跡象。

2? 開挖邊坡變形破壞現(xiàn)象

西藏扎拉水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡高程2 779 m馬道施工開挖過程中，揭露高程2 779 m附近巖層彎折、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，坡面部分巖體出現(xiàn)順層滑移、外鼓變形現(xiàn)象，如圖3（a）所示。

巖層彎折帶上部板理面傾向251°～260°，傾角58°～62°；下部板理面傾向250°～255°，傾角83°～86°；二者傾向基本一致，傾角相差25°左右（圖2）。

坡面部分巖體沿巖層彎折、破碎帶順層滑移剪出后，滑移體出現(xiàn)明顯的巖層折斷、撓曲、外鼓現(xiàn)象，如圖3（b）所示。

3? 邊坡變形破壞過程分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，區(qū)內(nèi)相同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊坡，甚至坡高、坡角大于該邊坡的部位，巖體總體較完整，未出現(xiàn)類似的彎折、破碎等變形破壞跡象（圖4），符合只要不出現(xiàn)切層，巖層陡傾坡外的邊坡通常不會發(fā)生順層失穩(wěn)的規(guī)律。因此，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡發(fā)生變形破壞的主要原因不在于邊坡地形、地層巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，而在于河道演變過程的影響，即坡內(nèi)Ⅲ級階地下伏的古河道時期、現(xiàn)代河道下切過程以及目前的施工擾動。

根據(jù)西藏扎拉水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡的地形地貌、巖土結(jié)構(gòu)特征，判斷該段邊坡的變形破壞過程經(jīng)歷了以下3個階段。

（1） 古河道時期的傾倒變形。如圖5（a）所示，古河道時期，邊坡在古河道側(cè)臨空，呈陡傾反向結(jié)構(gòu)邊坡，薄層板狀巖層在自重荷載作用下產(chǎn)生彎矩作用，向臨空方向發(fā)生類似懸臂板梁的彎曲變形，形成彎曲帶，并產(chǎn)生層間滑移［10］，同時削弱了層間黏聚力。這種傾倒彎曲變形在工程區(qū)現(xiàn)代河道兩岸普遍發(fā)育。巖體的自重是產(chǎn)生彎曲變形的主要荷載，古河道的下切提供了巖層彎曲變形的臨空面和應(yīng)力場。陡傾的薄層狀板巖具有塑性變形的性質(zhì)，在邊坡應(yīng)力場的作用下發(fā)生類似懸臂梁的彎曲變形。巖體為適應(yīng)這種變形，在層間產(chǎn)生滑移，垂直層面發(fā)生拉張裂縫，越向坡外，變形越大，這是巖層的初期破裂。

（2） 現(xiàn)代河道期間的表生改造。隨著河道演變，河道從左岸向右岸偏移并下切逐漸形成現(xiàn)代河道。隨著現(xiàn)代河道下切，原古河道時期邊坡的傾倒彎曲面被切穿，同時由于卸荷作用、風(fēng)化作用和上部巖土體的自重作用，古河道時期形成的垂直層面的拉張裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，促使原有彎曲帶附近巖體發(fā)生碎裂，形成彎折帶，導(dǎo)致巖體較破碎，見圖5（b）。

（3） 施工開挖期間的誘發(fā)失穩(wěn)。施工開挖切穿了邊坡彎折、破碎帶，使上部巖體失去支撐作用，發(fā)生順層滑移，滑移體受下部巖土體頂托，發(fā)生折斷、撓曲、外鼓等現(xiàn)象，見圖5（c）。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡巖層傾向坡外，但傾角大于或等于坡角，通常只要不出現(xiàn)切層，不會發(fā)生順層滑移。傾倒變形產(chǎn)生的彎折、破碎帶成為邊坡的薄弱部位，但自然邊坡能夠保持整體穩(wěn)定，表明彎折帶巖體還具有一定強(qiáng)度。施工開挖切穿彎折、破碎帶并加劇巖體破碎，形成剪出口，導(dǎo)致巖體發(fā)生順層滑移。從現(xiàn)場變形跡象判斷，這種破壞限于坡表或淺層。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡的變形破壞特征與順傾向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡潰屈破壞有相似之處，也有明顯的差異。傾倒變形的主導(dǎo)成因是重力作用下的彎曲蠕變［1-2］，傾倒變形破壞過程中，層間先出現(xiàn)相互錯動，然后邊坡下部出現(xiàn)彎曲變形［4，11］。傾倒巖體的層面傾角明顯緩于正常巖體［12-13］，傾倒體上部傾倒較為嚴(yán)重，中部傾倒程度隨高程降低逐漸減弱，下部巖層傾角轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｖ担?］。

在層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中，屈曲是針對巖體結(jié)構(gòu)分岔變形而言的，是邊坡巖體結(jié)構(gòu)基本平衡狀態(tài)附近的鄰近平衡狀態(tài)；潰屈是針對材料強(qiáng)度破壞而言，是巖體材料不穩(wěn)定引起的結(jié)構(gòu)整體失效［14-16］。潰屈破壞機(jī)理及過程［17-20］：在重力等荷載的作用下，薄板狀的巖層沿層間擠壓帶啟開，沿巖層方向發(fā)生輕微差異性層間錯動。當(dāng)坡腳附近無臨空條件時，差異性層間錯動受阻，因而在坡腳上部巖層發(fā)生輕微彎曲隆起變形，局部出現(xiàn)微弱的架空現(xiàn)象。隨著荷載的進(jìn)一步作用及巖層的蠕變，在層狀結(jié)構(gòu)面比較密集、層狀體較薄時，坡腳處應(yīng)力集中，滑移彎曲變形進(jìn)一步加劇，彎曲的巖層形成類似褶曲的彎曲形態(tài)。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡上部巖層板理面傾角比下部巖層板理面傾角小約25°，具有明顯的傾倒變形特征；施工開挖過程中，巖層發(fā)生了折斷、撓曲、外鼓等現(xiàn)象，具有類似潰屈的破壞特征。

4? 邊坡治理對策建議

導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡呈上土下巖復(fù)合邊坡，地形高、陡，巖層呈薄層狀陡傾坡外，巖層傾角大于或等于自然邊坡坡面，自然邊坡整體基本穩(wěn)定。但是，由于河道演變過程中邊坡的傾倒變形，巖體內(nèi)發(fā)育彎折、破碎帶，層間黏聚力較弱，當(dāng)施工開挖切層或擾動彎折、破碎帶時，會造成坡體失穩(wěn)。針對邊坡的上述特點，主要提出以下治理對策。

（1） 上部土質(zhì)邊坡削坡減載，減小坡體荷載，同時提高上部邊坡的穩(wěn)定性。

（2） 鑒于滑移、變形巖體出現(xiàn)解體、架空跡象，建議清除已發(fā)生滑移、變形的巖體再進(jìn)行邊坡支護(hù)。

（3） 下部巖質(zhì)邊坡采取錨索、錨筋樁、系統(tǒng)噴錨支護(hù)和坡面整體掛網(wǎng)噴混凝土等措施，提高巖體的整體性和層間的黏聚力。

（4） 對已經(jīng)開挖的高程2 779 m馬道進(jìn)行回填，嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范要求“先鎖口，再開挖”，自上而下分層開挖，逐層、及時支護(hù)，開挖過程中避免出現(xiàn)下部切層。

（5） 邊坡加固完成后再進(jìn)行洞口開挖；進(jìn)洞開挖前，先進(jìn)行洞口周圈鎖口，確保洞口穩(wěn)定。

（6） 開展邊坡變形監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果動態(tài)調(diào)整支護(hù)設(shè)計，出現(xiàn)不穩(wěn)定的跡象或發(fā)生滑坡、塌方時，及時采取應(yīng)對措施。

5? 結(jié)? 論

扎拉水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡表象上屬于同向陡傾層狀邊坡，但在河道演變過程中，古河道時期，反向陡傾薄層狀巖層向古河道側(cè)發(fā)生傾倒變形，坡體中形成彎曲帶；現(xiàn)代河道切割坡體，自重及卸荷等作用促使彎曲帶附近巖體發(fā)生折斷、碎裂。因此，邊坡的穩(wěn)定性分析應(yīng)關(guān)注邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境和形成過程，以避免僅根據(jù)常規(guī)認(rèn)識造成誤判。

對于陡傾薄層狀軟質(zhì)巖邊坡，無論是同向結(jié)構(gòu)還是反向結(jié)構(gòu)，由于其易發(fā)生傾倒變形，不宜進(jìn)行大開挖，應(yīng)以支護(hù)為主；而對于同向陡傾層狀邊坡，應(yīng)嚴(yán)格遵守“自上而下分層開挖，逐層、及時支護(hù)”的施工順序，避免因下部切層而造成邊坡失穩(wěn)破壞。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 譚儒蛟，楊旭朝，胡瑞林，等.大型反傾庫岸巖體變形過程及破壞機(jī)制數(shù)值模擬［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17（4）：476-482.

［2］? 王飛，唐輝明.雅礱江上游互層斜坡傾倒變形破壞機(jī)制與演化［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2017，25（6）：1501-1508.

［3］? 李高勇，劉高，謝裕江.黃河上游某傾倒體的時效變形研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2013，21（6）：835-841.

［4］? 李彥奇，黃達(dá)，孟秋杰.基于離心機(jī)和數(shù)值模擬的軟硬互層反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形特征分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2021，48（4）：41-150.

［5］? 楊肖鋒，魯祖德，陳從新，等.板裂結(jié)構(gòu)順層巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲破壞機(jī)制的力學(xué)模型研究［J］.巖土力學(xué)，2022，43（增1）：258-266.

［6］? 潘坤.某電廠后邊坡巖體傾倒變形特征及失穩(wěn)破壞模式分析［J］.水利水電快報，2019，40（1）：23-26.

［7］? 駱波，湛書行，嚴(yán)克淵，等.云南苗尾水電站傾倒變形體邊坡穩(wěn)定性分析［J］.水利水電快報，2021，42（7）：27-33.

［8］? 孫云志，蘇傳洋.500 m級順層陡傾特高人工邊坡破壞模式分析與開挖支護(hù)設(shè)計［J］.水利水電快報，2022，43（2）：17-20.

［9］? 喬朋騰，張常亮，周瀟朗.薄層狀巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理及穩(wěn)定性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2018，26（增1）：43-52.

［10］? 劉海軍，巨能攀，趙建軍，等.層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞特征研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，40（6）：793-798.

［11］? 鄧天鑫，巨能攀，李龍起，等.陡傾順層巖質(zhì)斜坡動力傾倒變形機(jī)理研究［J］.水利水電技術(shù)，2017，48（12）：146-152.

［12］? 屈新，王世新，徐興倩，等.考慮隨機(jī)橫向節(jié)理的反傾層狀邊坡傾倒破壞分析［J］.人民長江，2023，54（9）：136-143.

［13］? 趙華，李文龍，衛(wèi)俊杰，等.反傾邊坡傾倒變形演化過程的模型試驗研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2018，26（3）：749-757.

［14］? 王佳運，石小亞.陡傾層狀斜向巖層視向潰屈機(jī)制力學(xué)分析——以陜西山陽滑坡為例［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2018，24 （4）：482-489.

［15］? 梁專明，龔道民.軟質(zhì)巖順層邊坡非典型潰屈型滑坡機(jī)制初探［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2010，19（6）：31-39.

［16］? 陳笑楠，張慧梅，周洪文.層狀邊坡巖體的屈曲和潰屈性態(tài)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2020，47（2）：141-147.

［17］? 朱晗迓，馬美玲，尚岳全.順傾向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡潰屈破壞分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2004（9）：43-48.

［18］? 劉春香，朱元武.順傾向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡潰屈破壞分析［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2014，25（1）：82-86.

［19］? 朱冬林，聶德新，符文熹.潰屈型滑坡穩(wěn)定性分析中三個問題的探討［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1999，10（4）：32-36.

［20］? 王玉平，曹平.基于彈性理論的順層邊坡潰屈失穩(wěn)分析［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報，2007，22（3）：29-32.

（編輯：高小雲(yún)）

Analysis of slope deformation and failure mechanism based on river channel evolution

PU Jin1，ZHANG Bingxian2，REN Zhiyong1，GAO Zhilin2

（1.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China；

2.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Abnormal deformation and failure phenomenon were revealed during the construction and excavation of the entrance slope of diversion tunnel of Xizang Zhala Hydropower Station. In order to provide a basis for slope treatment，considering the influence of river course evolution on slope formation and development，the mechanism of slope deformation and failure was analyzed according to the topography，geomorphology and geotechnical structure characteristics of the slope. The results showed that the deformation of the slope at the inlet of diversion tunnel was influenced by the evolution of the channel，which was different from the slope with one side up in the air. During the ancient channel period，the rock strata toppled and deformed to the ancient channel （inside the modern bank slope），forming a curved zone. During the formation of modern river course，the rock mass in the curved zone was broken by cutting slope and became a bending zone. The construction excavation cut through the bending broken zone，resulting in external bulge deformation and bedding sliding of the shallow rock mass of the slope. The engineering experience and analysis ideas can be used as reference for the construction of similar projects.

Key words：

rocky slope； slate； toppling deformation； bedding sliding； channel evolution； Zhala Hydropower Station