在傾倒邊坡中建設(shè)地下調(diào)壓室的工程地質(zhì)研究

摘要：

扎拉水電站調(diào)壓室建在山體傾倒邊坡內(nèi)，對該邊坡及圍巖穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究至關(guān)重要。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞類型的差異，采用巖體結(jié)構(gòu)、巖層轉(zhuǎn)角、風(fēng)化等定性因素結(jié)合波速比定量因素進(jìn)行綜合分區(qū)；通過現(xiàn)場超常規(guī)原位試驗(yàn)，結(jié)合反演計(jì)算，綜合提出各區(qū)適宜的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)；采用數(shù)值分析法模擬傾倒邊坡變形破壞模式，并通過多種解析法校驗(yàn)邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明：邊坡傾倒巖體可分為層狀彎曲區(qū)、碎裂拉張區(qū)、散體墜覆區(qū)；廠后傾倒邊坡的主要失穩(wěn)形式為拉裂-滑移-剪斷和塊體卸荷崩落；在傾倒邊坡穩(wěn)定性評價中，安全系數(shù)應(yīng)取現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的較大值，有利于保障傾倒邊坡滑移穩(wěn)定和坡內(nèi)洞室圍巖變形穩(wěn)定。研究成果解決了地質(zhì)條件局限和水工結(jié)構(gòu)要求之間的突出矛盾，在中國水利水電建設(shè)中具有開創(chuàng)意義，可為傾倒邊坡中工程建設(shè)提供參考

關(guān)" 鍵" 詞：

傾倒邊坡； 地下調(diào)壓室； 地質(zhì)特征； 圍巖穩(wěn)定性； 原位試驗(yàn)； 應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析； 扎拉水電站

中圖法分類號： TV732.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.017

收稿日期：

2023-05-25

；接受日期：

2023-10-16

基金項(xiàng)目：

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC1505006）

作者簡介：

黃振偉，男，正高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)研究。E-mail：huangzhenwei@cjwajy.com.cn

通信作者：

茆金柱，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail：maojinzhu@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0130-08

引用本文：

黃振偉，茆金柱，蒲進(jìn)，等.

在傾倒邊坡中建設(shè)地下調(diào)壓室的工程地質(zhì)研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：130-137.

0" 引 言

扎拉水電站采用混合式開發(fā)方式，引水發(fā)電隧洞線路長約5 km，最大利用水頭690.55 m，裝機(jī)容量1 000 MW，是西藏境內(nèi)首個裝機(jī)百萬千瓦級水電站。調(diào)壓室可有效降低壓力管道中的水錘壓力，是壓力引水系統(tǒng)的重要建筑物。扎拉水電站地下調(diào)壓室設(shè)計(jì)開挖洞徑19 m，最大高度118.80 m，頂拱高程2 873.30 m，水平斷面為圓形，豎向斷面為直墻圓拱形。工程區(qū)地處青藏高原東南部，高山峽谷地貌，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，引水發(fā)電隧洞位于廠后山體，超高邊坡，卸荷和傾倒變形現(xiàn)象普遍發(fā)育。

目前，對于傾倒邊坡的研究方法和手段主要有野外觀測、統(tǒng)計(jì)分析［1］以及數(shù)值模擬、物理相似模型分析；對其穩(wěn)定性評價研究主要以傾倒變形程度或變形破壞類型作為依據(jù)，如將傾倒巖體分為極強(qiáng)、強(qiáng)、弱傾倒變形區(qū)，或者分為滑移破壞、傾倒坐落、蠕動變形、牽引變形區(qū)等。王飛等［2］通過野外地質(zhì)調(diào)查揭示了軟硬互層狀邊坡傾倒變形破壞特征；黃潤秋［3］通過調(diào)查總結(jié)20世紀(jì)以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制，得知傾倒邊坡破壞是由傾倒彎折帶貫通引起的破壞；左保成等［4］結(jié)合實(shí)際工程分析了某反傾邊坡破壞機(jī)制。對于傾倒邊坡，嚴(yán)明等［5］通過數(shù)值分析手段研究了某反傾巖質(zhì)邊坡深部破裂的成因機(jī)制；趙華等［6］通過建立邊坡物理模型研究了反傾層狀斜坡傾倒變形的演化過程，提出了斜坡失穩(wěn)預(yù)警判據(jù)；汪小剛等［7］以石膏、人工石等材料制作相似模型，研究了反傾層狀邊坡傾倒變形破壞機(jī)制；鄭達(dá)等［8］以古水水電站傾倒邊坡為研究對象，采用相似材料建立離心物理模型，并結(jié)合數(shù)值分析方法，研究深層傾倒邊坡的破壞模式及致災(zāi)因子。

在工程運(yùn)用中，基于極限平衡理論的計(jì)算方法可以獲得傾倒邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算成果直觀易于理解，在工程中應(yīng)用廣泛。但相關(guān)規(guī)范［9-11］推薦的Goodman-Bray法、傳遞系數(shù)法的適用條件存在一些局限。由于工程中正常巖體發(fā)生傾倒后形成的傾倒邊坡還可能進(jìn)一步發(fā)生二次變形破壞，而其變形破壞類型不同于通常意義上的滑坡，采用單一方法進(jìn)行復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性評價的可靠性較差。另外傾倒邊坡巖體和滑移面抗剪強(qiáng)度參數(shù)也沒有適宜的取值原則或方法。目前國內(nèi)外對傾倒邊坡的研究較粗淺且不系統(tǒng)。

正因?yàn)閮A倒邊坡復(fù)雜和相關(guān)研究工作薄弱，當(dāng)前重要工程建設(shè)對大規(guī)模的傾倒邊坡進(jìn)行避讓，傾倒巖體上只限于在地面上建設(shè)工業(yè)民用建筑、公路、管道等一般項(xiàng)目［12-13］，還沒有在傾倒邊坡中建設(shè)大型地下洞室的先例。（扎拉水電站經(jīng)十余年的前期勘察設(shè)計(jì)，對廠后傾倒邊坡進(jìn)行了工程地質(zhì)專題研究，在查明傾倒邊坡基本地質(zhì)條件、地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新傾倒巖體工程地質(zhì)分區(qū)及傾倒邊坡二次變形破壞模式分析、穩(wěn)定性評價方法；在確保邊坡穩(wěn)定不影響洞室安全的前提下，在傾倒巖體中選擇調(diào)壓室的適宜位置，并進(jìn)一步論證洞室圍巖的穩(wěn)定性，解決了與傾倒邊坡、傾倒巖體剪切滑移穩(wěn)定和變形穩(wěn)定相關(guān)的主要工程地質(zhì)問題。相關(guān)研究成果既可避免邊坡傾倒變形對調(diào)壓室的不利影響、確保建筑物安全，又能充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，在中國水電工程建設(shè)中具有開創(chuàng)意義。）

1" 傾倒邊坡地質(zhì)特征

1.1" 基本地質(zhì)條件

玉曲河流向?yàn)楸北蔽鳎哟矊?5～30 m，河底高程2 111～2 116 m。廠后邊坡位于玉曲河右岸，坡頂高程2 965～3 115 m，坡腳高程2 165 m左右，坡高800～950 m，屬超高邊坡。坡面總體呈陡-緩-陡的地形，高程2 550 m以上坡角40°～70°，局部為陡崖；高程2 550～2 285 m地形稍緩，坡角25°～35°；高程2 285 m以下坡角35°～55°，局部為陡崖。

注：1.第四系崩坡積；2.第四系洪坡積；3.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第二層；4.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第一層；5.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第三段；6.三疊系中統(tǒng)忙懷組第四段；7.碎塊石土；8.結(jié)晶灰?guī)r；9.大理巖；10.鈣質(zhì)板巖；11.地層界線；12.第四系與基巖界線；13.巖性界線；14.斷裂（坡郎斷裂）及編號；15.鉆孔及編號；16.平洞及編號；17.傾倒巖體分區(qū)代號及界線（A為層狀彎曲區(qū)，B為碎裂拉張區(qū)，C為散體墜覆區(qū)）；采用1985年國家高程基準(zhǔn)，下同。

邊坡主要由基巖組成，局部為厚度不大的第四系崩坡積（Qcol+dl）碎塊石土所覆蓋（圖1）。邊坡為典型的下軟上硬地質(zhì)結(jié)構(gòu)，中、下部為三疊系上統(tǒng)瓦浦組第三段（T3wp3）鈣質(zhì)板巖，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度14～17 MPa，屬較軟—軟巖；中、上部為三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第一層（T3wp4-1）結(jié)晶灰?guī)r、第二層（T3wp4-2）大理巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度50～80 MPa，屬中硬—堅(jiān)硬巖；頂部為三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段（T2m4）變質(zhì)流紋斑巖，微新巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度100～150 MPa，屬堅(jiān)硬巖，中厚層夾薄層狀結(jié)構(gòu)［14］。

基巖總體呈單斜構(gòu)造，玉曲河邊出露正常巖體板理（層理）傾北東東，傾角多在70°～80°，逆向坡，山體坡表巖層傾角變化較大，一般為24°～50°，表明巖體普遍發(fā)生了傾倒變形。T2m4變質(zhì)流紋斑巖和T3wp4-2大理巖之間為斷層接觸關(guān)系，發(fā)育區(qū)域性坡郎斷裂（F1-2），斷裂總體走向北西，斷面傾北東，傾角近直立，斷裂帶出露寬度3～10 m，由碎裂巖組成，石英細(xì)脈充填，膠結(jié)較密實(shí)，不屬于活動斷層。

1.2" 工程地質(zhì)分區(qū)及物理力學(xué)性質(zhì)

在邊坡上布置了上部、中部、下部3層平洞，根據(jù)勘探揭露，坡腳傾倒巖體水平深度78.0～119.5 m，中部傾倒巖體水平深度大于117 m，上部傾倒巖體水平深度186 m。傾倒巖體與正常巖體之間的底彎帶巖體上發(fā)育裂紋，未完全折斷和連通，屬傾倒彎曲型的地質(zhì)模式。按照巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞類型的不同，將傾倒巖體自坡外向內(nèi)分為散體墜覆（C區(qū)）、碎裂拉張（B區(qū)）、層狀彎曲（A區(qū)）等3個區(qū)，各分區(qū)特性差異較明顯［15］。

散體墜覆區(qū)（C區(qū)），極強(qiáng)傾倒變形，散體結(jié)構(gòu)，部分呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖塊間普遍具架空現(xiàn)象，或充填碎石、巖屑，多在重力作用下已發(fā)生錯動、墜覆。強(qiáng)風(fēng)化狀，巖層層面與正常巖體層面夾角大于60°。巖體地震波速1 289～1 546 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)不起壓，具極強(qiáng)透水性。

碎裂拉張區(qū)（B區(qū)），強(qiáng)傾倒變形，碎裂結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為層內(nèi)及層間拉張，板理（層理）基本連續(xù)，發(fā)育傾坡外的拉張裂隙，其中多充填碎石、巖屑或黏性土。強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化狀，巖層層面與正常巖體層面夾角30°～60°。巖體地震波速2 098～3 224 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)多數(shù)不起壓，局部透水率31.7 Lu，具極強(qiáng)—強(qiáng)透水性，變形模量0.09 GPa，彈性模量0.31 GPa。

層狀彎曲區(qū)（A區(qū)），弱傾倒變形，基本保持原始巖體

的層狀結(jié)構(gòu)，板理（層理）連續(xù)，傾坡外的拉張縱向裂隙相對不發(fā)育，巖層以彎曲變形為主。弱風(fēng)化狀，巖層層面與正常巖體層面夾角小于30°。巖體地震波速2 868～4 381 m/s，鉆孔壓水試驗(yàn)透水率23.7～40.4 Lu，具中等透水性，變形模量0.21 GPa，彈性模量0.77 GPa。

巖體抗剪斷強(qiáng)度是邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算所需要的最主要參數(shù)［16-17］。在邊坡下部、中部、上部的平洞中，對A、B區(qū)巖體進(jìn)行原位直剪試驗(yàn)（表1），推力方向分別為水平向和順坡外縱向裂隙方向。從試驗(yàn)成果看，水平向直剪強(qiáng)度較大，約為順縱向裂隙方向直剪強(qiáng)度的1.04～1.15倍。考慮到傾倒邊坡的變形或滑移總體順縱向裂隙發(fā)生，因此A、B區(qū)巖體抗剪強(qiáng)度基于后者試驗(yàn)成果進(jìn)行取值更為適宜。C區(qū)巖體結(jié)構(gòu)松散無法制樣而未能開展原位直剪試驗(yàn)，采取對現(xiàn)狀已發(fā)生了變形的C區(qū)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性反演分析。以原位試驗(yàn)成果和反演計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出傾倒邊坡各分區(qū)巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值（表2）。

2" 傾倒邊坡二次變形破壞機(jī)制

在準(zhǔn)確劃定傾倒巖體各分區(qū)和合理提出相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)后，可基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論建立接近廠后邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件的三維模型（圖2），利用ANSYS軟件進(jìn)行拉伸和網(wǎng)格劃分，并將單元體和節(jié)點(diǎn)信息導(dǎo)入FLAC 3D中，輸入命令流進(jìn)行計(jì)算求解［18-19］。在三維模型圖中，1-1′剖面是調(diào)壓室所在邊坡的代表性地質(zhì)剖面。

根據(jù)位移分布計(jì)算結(jié)果（圖3），1-1′剖面最大位移為4 cm，位于邊坡上部高程2 670 m處，即碎裂拉張B區(qū)中T3wp4-1結(jié)晶灰?guī)r突出部位。其運(yùn)動方向以豎直向下為主，水平方向位移較小。根據(jù)最小、最大主應(yīng)力分布（圖4～5，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)），最小主應(yīng)

力為53.3 kPa，位于邊坡上部高程2 800 m處，即碎裂拉張B區(qū)中T3wp4-1結(jié)晶灰?guī)r與T3wp4-2大理巖的交界部位，負(fù)值表明該部位巖體因卸荷而受到與坡表近于垂直的拉張作用；最大主應(yīng)力為0.62 MPa，分布位置與最小主應(yīng)力基本相同。碎裂拉張B區(qū)中T3wp4-1結(jié)晶灰?guī)r與T3wp3鈣質(zhì)板巖交界部位最大主應(yīng)力為0.57 MPa，應(yīng)力值也比較大，且有拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)合該處陡緩相接的地形，發(fā)現(xiàn)該處巖體在卸荷作用下出現(xiàn)陡傾坡外卸荷裂隙并逐漸貫通，巖體滑移而使其下部巖體側(cè)向約束消失并產(chǎn)生卸荷回彈，出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。根據(jù)最大剪應(yīng)變增量分布（圖6），邊坡高程2 800 m和2 540 m處剪應(yīng)變增量較大，表明該部位碎裂拉張B區(qū)T3wp4-1結(jié)晶灰?guī)r淺表層巖體產(chǎn)生了剪切變形。

對邊坡變形破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果表明，廠后傾倒邊坡主要失穩(wěn)型式為拉裂-滑移-剪斷和塊體卸荷崩落。塊體卸荷崩落發(fā)生于邊坡淺表層，對擬建于山體內(nèi)部的調(diào)壓室基本無不利影響，在這里可不予考慮。相對而言，拉裂-滑移-剪斷的邊坡失穩(wěn)型式可能對調(diào)壓室造成一定程度的危害，是分析研究的重點(diǎn)。

廠后邊坡滑移穩(wěn)定性計(jì)算采用基于極限平衡理論Geo-Studio軟件的Slope模塊，鑒于傾倒邊坡的復(fù)雜性，采用Bishop法、Morgenstern-Price法、傳遞系數(shù)法等多種方法進(jìn)行相互校驗(yàn)。根據(jù)NB/T 10512-2021《水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，廠后邊坡屬A類Ⅱ級邊坡，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值為：持久工況1.25～1.15、短暫工況1.15～1.05、地震工況1.05?？紤]到調(diào)壓室建于傾倒邊坡內(nèi)，既要維持邊坡的滑移穩(wěn)定性，又要保證邊坡的變形穩(wěn)定，因此穩(wěn)定性評價時設(shè)計(jì)安全系數(shù)在規(guī)范范圍內(nèi)取最大值，即持久工況1.25、短暫工況1.15、偶然工況仍為1.05。

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，在持久工況、短暫工況下，各模式穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.397～1.784、1.186～1.440，均大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定。在地震工況下，邊坡下部C區(qū)、中部B區(qū)巖體穩(wěn)定性系數(shù)為1.087～1.090，略大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.05，安全儲備稍顯不足。

3" 傾倒邊坡中調(diào)壓室圍巖穩(wěn)定性評價

3.1" 調(diào)壓室位置選擇

根據(jù)邊坡變形破壞特征模擬和穩(wěn)定性分析，廠后傾倒邊坡不會出現(xiàn)傾倒巖體沿底彎面發(fā)生整體滑移。在地震工況下，邊坡下部C區(qū)、中部B區(qū)巖體安全儲備稍顯不足，但穩(wěn)定性系數(shù)仍略大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)。即使上述分區(qū)巖體發(fā)生滑移失穩(wěn)，亦是邊坡淺表層的滑移，且位于邊坡中、下部，只要調(diào)壓室距坡表一定距離，對位于邊坡上部的建筑物基本無不利影響。因此，可將調(diào)壓室布置于傾倒邊坡中。

調(diào)壓室的主要作用是調(diào)節(jié)壓力管道的水壓力，以提高輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此調(diào)壓室必須設(shè)置到壓力管道（引水隧洞一級豎井、中平段、二級豎井、下平段）之前的適宜位置才能充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用。調(diào)壓室底部與引水隧洞上平段相連，高程基本確定，幾乎無調(diào)整空間，因此其具體位置只能在廠后邊坡巖體中從內(nèi)、外兩個近水平方向進(jìn)行選擇。

如將調(diào)壓室布置在坡郎斷裂（F1-2）以內(nèi)山體中，距離隧洞出水口較遠(yuǎn)，對電廠機(jī)組的過渡過程穩(wěn)定不利，調(diào)壓效果較差，且受構(gòu)造及卸荷影響，坡內(nèi)T2m4流紋斑巖結(jié)構(gòu)完整性較差，加固處理工作量較大。因此，擬將調(diào)壓室布置在坡郎斷裂（F1-2）的坡外山體內(nèi)，同時應(yīng)考慮盡量減少傾倒變形、斷裂對圍巖穩(wěn)定的不利影響。研究表明，邊坡各工程地質(zhì)分區(qū)的傾倒變形巖體均不會出現(xiàn)滑移破壞，其中層狀彎曲A區(qū)穩(wěn)定性最好。經(jīng)綜合考慮，最終充分利用T3wp4-2中厚層大理巖，調(diào)壓室上部為層狀彎曲A區(qū)弱傾倒變形巖體，下部為正常巖體，上游邊墻距離坡郎斷裂（F1-2）大于50 m。

3.2" 巖性與構(gòu)造條件

調(diào)壓室所處地層由T3wp4-2大理巖組成，弱風(fēng)化狀，巖層產(chǎn)狀70°～85°∠30°～40°，未見明顯溶蝕現(xiàn)象。巖體裂隙發(fā)育，裂面多平直、粗糙，裂隙主要發(fā)育兩組（圖7）：第①組裂隙走向60°～90°，與巖層走向近正交，為橫向裂隙，傾向330°～360°，傾角56°～89°，裂隙間距20～50 cm，延伸長度1～5 m，裂隙張開寬度多小于2 mm；第②組裂隙走向320°～350°，與巖層走向近平行，為縱向裂隙，傾向240°～260°，傾角60°～85°，裂隙間距10～80 cm，延伸長度3～8 m，裂隙張開寬度0.2～40 cm，沿裂面多無充填或充填少量巖屑、角礫。上述兩組裂隙均為陡傾角，走向近正交（80°左右），第②組裂隙多為卸荷裂隙。

PD24平洞揭露顯示，洞深0～20 m巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體完整性差；洞深20～113 m以薄層狀為主，夾中厚層狀，局部巖體呈碎裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)；133.0～157.6 m、168.7～176.0 m均為薄層狀，巖體完整性差；洞深113～133 m、157.6～168.7 m、176.0～199.7 m（洞底）為中厚層狀，巖體較完整。巖體聲波測試結(jié)果為：洞深0～58 m，聲波值在3 000～4 250 m/s，平均值為3 754 m/s；洞深60～186 m，聲波值在3 280～5 880 m/s，平均值為4 650 m/s；洞深186～199 m，聲波值在5 410～5 880 m/s，平均值為5 540 m/s。

平洞揭示有J1～J7等6條層間剪切帶（圖8），帶內(nèi)物質(zhì)為角礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，密實(shí)，寬1～10 cm，其中J6、J7兩條層間剪切帶會延伸至調(diào)壓室。洞深154 m處層間剪切帶J7寬3～10 cm，產(chǎn)狀為85°∠40°。調(diào)壓室部位布置2個鉆孔TY1、TY2，共揭露層間剪切帶15條；其中，JM1為層間剪切密集帶（圖9），鉆探揭示厚度21 m，其余層間剪切帶寬度0.5～1.7 m，層間剪切帶巖芯主要表現(xiàn)為碎屑夾泥，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，礫石、砂粒、粉黏粒含量分別為38.1%，19.4%，42.5%，重塑樣（篩除了粒徑0.5 mm以上的粗顆粒）飽和排水反復(fù)剪切殘余強(qiáng)度內(nèi)摩擦角22.7°（對應(yīng)摩擦系數(shù)為0.42）、黏聚力17.6 kPa。

注：1.第四系崩坡積層；2.三疊系中統(tǒng)忙懷組第四段變質(zhì)流紋斑巖；3.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第二層大理巖；4.三疊系上統(tǒng)瓦浦組第四段第一層結(jié)晶灰?guī)r；5.碎塊石土；6.地層界線；7.第四系與基巖界線；8.傾倒巖體下限；9.斷裂破碎帶及編號；10.層間剪切帶及編號；11.層間剪切密集帶及編號；12.巖體結(jié)構(gòu)分區(qū)界線及代號（Z、T、X分別為中厚層、薄層、鑲嵌結(jié)構(gòu)）；13.鉆孔及編號；14.平洞及編號；15.設(shè)計(jì)建筑物（調(diào)壓室）。

3.3" 圍巖穩(wěn)定性評價

調(diào)壓室圍巖由大理巖組成，屬硬質(zhì)巖，巖體結(jié)構(gòu)主要為中厚層結(jié)構(gòu)，部分為薄層狀結(jié)構(gòu)。高程2 792.6（下游邊墻）～2 814.8 m（上游邊墻）以上為碎裂拉張B區(qū)弱傾倒變形巖體，以下為正常巖體。頂拱上覆弱風(fēng)化巖體鉛直厚度28～47 m，下游邊墻外側(cè)巖體水平厚度151～206 m，上游邊墻距離坡郎斷裂（F1-2）約53～60 m。

對于調(diào)壓室頂拱，圍巖大理巖層面傾向上游側(cè)（山體內(nèi)），傾角30°～40°。巖體中主要發(fā)育兩組裂隙，分別為橫向裂隙①、縱向裂隙②，平均傾角72.5°，陡者近直立。層面、裂隙面組合切割形成立方塊體，層面為頂切面，橫向裂隙、縱向裂隙為側(cè)切面，頂拱為臨空面，在重力、施工振動等因素作用下易發(fā)生墜落（圖9）。弱風(fēng)化大理巖裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，屬Ⅳ類圍巖，不穩(wěn)定，由層面、裂隙組合形成的立方體易發(fā)生墜落破壞，應(yīng)及時加強(qiáng)支護(hù)以確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。弱風(fēng)化巖體以上為JM1層間剪切密集帶，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)破碎，屬Ⅴ類圍巖，極不穩(wěn)定，需考慮其對頂拱圍巖穩(wěn)定的不利影響。

對于調(diào)壓室邊墻，平洞PD24和鉆孔揭示出大理巖發(fā)育層間剪切帶，單寬1～10 cm，水平線密度1條/22 m；帶內(nèi)物質(zhì)為角礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)產(chǎn)狀推測，平洞中揭示的6條層間剪切帶有2條（J5、J6）會延伸至調(diào)壓室。層間剪切帶產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，傾向85°，傾角40°左右。從上游邊墻看，層間剪切帶傾向山體內(nèi)，對邊墻穩(wěn)定的不利影響較小。從下游邊墻看，層間剪切帶與邊墻傾向一致，且為軟弱結(jié)構(gòu)面，對圍巖穩(wěn)定起控制作用。層間剪切帶、裂隙面組合切割形成楔形塊體，層間剪切帶為滑動面，橫向裂隙①為側(cè)切面，縱向裂隙②為拉裂面，在重力、施工振動等因素作用下易發(fā)生滑塌（圖10）。層間剪切帶抗剪斷強(qiáng)度（飽和狀態(tài)）建議取值：摩擦系數(shù)f′=0.45、黏聚力C′=0.05 MPa，采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，楔形體穩(wěn)定性系數(shù)為0.631，不穩(wěn)定。邊墻圍巖總體為Ⅲ類（其中層間剪切帶屬Ⅴ類圍巖），局部不穩(wěn)定，特別是下游邊墻存在由軟弱層間剪切帶、裂隙面組合形成的楔形體易發(fā)生滑塌破壞，應(yīng)及時加強(qiáng)支護(hù)以確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。

4" 結(jié)論與建議

（1） 扎拉水電站引水發(fā)電隧洞調(diào)壓室所處山體邊坡超高，地形陡峻，鈣質(zhì)板巖、結(jié)晶灰?guī)r、大理巖、變質(zhì)流紋斑巖基巖種類多，巖性軟弱相間，普遍發(fā)生了傾倒變形，還有區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，水工建筑物場址選擇難度很大。為了解決水工結(jié)構(gòu)要求和地質(zhì)條件局限之間的矛盾，勘察專業(yè)采用綜合勘察方法和專題研究，經(jīng)全面、充分、謹(jǐn)慎的工程地質(zhì)論證后，將調(diào)壓室置于層狀彎曲區(qū)內(nèi)弱傾倒變形區(qū)巖體和正常巖體內(nèi)，開創(chuàng)了中國在傾倒邊坡巖體中建設(shè)大型水利水電工程調(diào)壓室的先例。

（2） 為確保調(diào)壓室在傾倒邊坡中的建設(shè)和運(yùn)行安全，在查明邊坡基本地質(zhì)條件、傾倒巖體工程地質(zhì)分區(qū)及物理力學(xué)性質(zhì)的前提下，采用有限差分法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析以模擬傾倒邊坡的變形破壞類型，并采用基于極限平衡理論的解析法進(jìn)行邊坡整體、局部穩(wěn)定性計(jì)算，為在傾倒邊坡中選擇調(diào)壓室位置奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對確定了具體位置的調(diào)壓室，查明其巖性與構(gòu)造條件，進(jìn)一步研究圍巖穩(wěn)定性。

（3） 根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞類型，將廠后邊坡傾倒巖體分為層狀彎曲區(qū)（A區(qū)）、碎裂拉張區(qū)（B區(qū)）、散體墜覆區(qū)（C區(qū)）等3個區(qū)，各區(qū)在波速、透水性、物理力學(xué)性質(zhì)等方面均有明顯差異。對各工程地質(zhì)分區(qū)巖體和底彎帶巖體的抗剪強(qiáng)度，提出了與傾倒巖體地質(zhì)特征相適應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為傾倒邊坡這類特殊邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算提供了準(zhǔn)確的關(guān)鍵參數(shù)。

（4） 在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性解析計(jì)算時，采用基于極限平衡理論的多種方法相互校驗(yàn)，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)安全系數(shù)在現(xiàn)行規(guī)范范圍內(nèi)取最大值，既可維持邊坡的滑移穩(wěn)定性，又可有效控制邊坡的變形穩(wěn)定。

（5） 傾倒邊坡穩(wěn)定問題不僅是邊坡自身剪切滑移失穩(wěn)問題，對調(diào)壓室而言還有變形穩(wěn)定問題。傾倒邊坡屬復(fù)雜邊坡，目前研究較粗淺且不系統(tǒng)，在這類邊坡中建設(shè)重大水工建筑物更是初次嘗試。因此建議對邊坡布置監(jiān)測方案，重點(diǎn)監(jiān)測邊坡內(nèi)部變形（可充分利用已有勘探平洞）和調(diào)壓室圍巖變形，掌握監(jiān)測信息反饋，確保傾倒邊坡中調(diào)壓室安全。

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（編輯：郭甜甜）

Engineering geological study on underground surge chamber construction in toppling slopes

HUANG Zhenwei1，MAO Jinzhu2，PU Jin3，MA Ligang2，PAN Kun2

（1.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.Tibet Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China）

Abstract：

The surge chamber of Zhala Hydropower Station is constructed in a toppling slope，so a systematic study on the stability of this slope and surrounding rock mass is crucial.Based on differences in rock mass structure and types of deformation and failure，the in-situ area was divided comprehensively using qualitative factors，such as rock mass structure，bedding angles，and weathering，combined with the quantitative factor of wave velocity ratios.Through unconventional in-situ tests and inversion calculations，suitable shear strength parameters of the rock mass for each zone were proposed.Numerical analysis was used to simulate the deformation and failure modes of the toppling slope，and multiple analytical methods were employed to verify its stability.Results indicated that the toppling rock mass of the slope can be divided into three zones： bedded flexural zone，fractured tensile zone，and loose collapsing zone.The primary failure modes of the plant-rear toppling slope are tensile cracking-sliding-shearing failure and block unloading collapse.In evaluating the stability of the topping slope，the safety factor should be taken to the higher limits of the range specified by current technical standards，which is favorable to ensuring the stability of the toppling slope and the deformation control of rock mass of the cavities.The findings have effectively addressed prominent contradictions between geological conditions and hydraulic structure requirements，and it is pioneering in China's hydropower construction and providing reference for engineering construction in toppling slopes.

Key words：

toppling slope； underground surge chamber； geological characteristics； surrounding" rock mass stability； in-situ tests； numerical analysis of stress-strain； Zhala Hydropower Station