黄河上游茨哈峡水电站右坝肩顺层岩质斜坡破坏模式分析

宋彦辉，黄民奇，陈新建

（1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；

2.中国水电顾问集团 西北水电设计院工程地质研究所，甘肃 兰州 730050）

0 引言

在黄河上游茨哈峡水电站岸坡稳定性研究中，根据平硐勘探工作，明确、详细地揭露了顺层高陡岩质斜坡由弯曲-拉裂（倾倒）变形转化为蠕滑-拉裂的变形破坏模式及过程，该斜坡变形特征明显，清楚地揭示了两类变形模式的特征及转化发展的阶段，充分说明了同一斜坡变形模式的复合和转化特征。

1 研究区地质条件

斜坡位于黄河上游茨哈峡水电站下坝址右坝肩，上游边界位于坝轴线以上约220m，下游边界基本与坝轴线一致。斜坡所在河段，河道基本顺直，河流流向北东73°，由于斜坡前缘的垮塌破坏，黄河从上游边界处向斜坡一岸凹进，岸坡由于前缘垮塌，使坡面完整性变差，尤其是靠上游部分的坡体前缘。总体上坡型仍较平整。平水期水位高程约2748m，河面宽度约40～60m。岸坡坡度40°～50°，基岩裸露，岸坡相对高差约400m。

构成斜坡的岩性主要为三迭系中统板岩、板岩夹砂岩（T2-Ss+Sl），岩体总体上以薄层状为主，局部夹中厚层状板岩，斜坡坡体结构为陡倾顺向坡。地表局部地段被薄层坡积块碎石土覆盖。

斜坡岩体内无较大规模的断层发育。包括原生板理在内主要发育5组结构面。其中，板理面产状平均为316°∠70°，其余4组构造结构面分别为：①59°∠25°②66°∠6°③163°∠20°④233°∠71°。其中又以第一组最为发育（图1）。

图1 节理赤平投影大圆Fig.1 Stereographic projection of the joints

2 斜坡变形工程地质特征及其变形机理

2.1 斜坡变形工程地质特征

斜坡变形部分平面形态呈“铲”型，上窄下宽，形状规整且基本对称。前缘宽244m、中部宽165m、后缘宽 138m。平均厚度约 16.5m，分布面积 4.1×104m2，估算方量 67 ×104m3（图 2）。

变形部分前缘高程2790～2792m，高出平水期河水面40多米。后缘为缓倾斜坡，坡度约25°～30°，高程2940～2967m。变形体上游边界基本以冲沟为界，下游边界不甚清楚，基本以斜坡表面小型切沟、冲沟为界。从斜坡前缘至高程2890m，斜坡坡度较大，平均坡度约45°。自2890m至变形体后缘，斜坡坡度变缓，平均坡度约28°。

图2 变形斜坡平面图Fig.2 Plan of the deform ed slope

斜坡浅表部岩体发生了明显的弯曲变形，导致岩体破碎、松散。靠上游边界的前缘部位，已发生过挤压垮塌。变形部分与下部完整基岩在前缘界限清楚，受上部变形岩体的挤压，下部基岩局部被压垮（图3）。

图3 斜坡前缘的垮塌破坏Fig.3 Slope slum ping in leading edge

变形部分后缘缓坡上主要发育有4条张裂缝，并有次级裂缝伴生（图4），最长122m，宽1～2m，倾向岸外，顺坡向呈弧形延伸、拉裂并有明显错坎（达0.5～1m）。后缘地形呈明显台阶式下错，共有2～3级小型错台。

图4 斜坡后缘拉裂缝Fig.4 The rear-edge tensile cracks of the slope

根据斜坡变形区的勘探平硐揭露结果，变形部分在下游边界处的水平变形深度为43m，由于此处岸坡凹进，因此变形体主体部分的水平变形深度应大于此深度。从岸坡水平向里至43m，岩体弯曲变形强烈，一般弯曲变形后的岩层呈近水平状，略倾向坡内，岩层倾角10°～30°，局部地段松动、破碎严重；43m以后岩体完整，不存在变形现象。表1是勘探平硐中不同水平深度内的岩体变形特征，图5～图7是硐内不同深度岩体变形素描图。

从表1及素描图中的岩层变形特征可以看出，目前斜坡的倾倒变形（弯曲 -拉裂）已基本完成，从坡体后缘的拉裂缝及前缘的蠕动挤压可以看出，斜坡变形现已明显转入蠕滑-拉裂变形阶段。

表1 勘探平硐中岩体变形特征Table 1 Deformation characteristic of the rock m ass in exploration adit

图5 平硐14～18m段岩体变形特征Fig.5 Deformation characteristic of rock mass from horizontal depth of 14m to 18m

图6 平硐35～36m段岩体变形特征Fig.6 Deformation characteristics of the rock mass from horizontal depth of 35m to 36m

图7 平硐36～42m段岩体变形特征Fig.7 Deformation characteristics of the rock m ass from horizontal depth of 36m to 42m

2.2 斜坡变形破坏演变过程

斜坡的变形破坏特征明显地揭示了其变形破坏方式和演变过程，即该斜坡属于复合型的变形破坏机制，最初的变形主要表现为近顺层陡倾岩层的弯曲、拉裂，其后转化为蠕滑-拉裂型破坏模式，并将最终以滑坡方式结束其变形过程。其变形过程可分为如下几个阶段：

（1）弯曲-拉裂变形阶段：斜坡前缘陡倾板岩在自重弯矩及空隙水压等作用下［1］，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，使原本陡倾坡外的板理面转为倾向坡内，随着弯曲变形的发展和向后推移，板理之间产生互相错动并出现拉裂，前缘坡体出现垮塌，后缘出现拉裂缝；

图8 斜坡变形演化过程Fig.8 Developing process of the slope deformation

（2）板岩弯曲根部形成断续拉裂面：由于板岩呈薄层状，弯曲变形的程度很高，岩层面由原来的陡倾坡外转为倾向坡内，其倾角较小，一般为25～30°左右，局部岩层甚至近水平，变形角度较大。由此在最大弯折带部位形成折断面；

（3）蠕滑-拉裂变形：在上述折断面形成的基础上，变形岩体在重力作用下沿折断面或折断面以上岩体（图5）发生向临空方向的蠕滑，这一过程造成后缘拉裂缝的出现及前缘岩体的蠕滑挤出。其长期发展趋势将导致滑坡的产生。

上述变形破坏过程可用图8表示，由此可见，目前斜坡变形的发展已初步形成潜在折断面，并正处于蠕滑-拉裂变形阶段。从地质历史过程分析，其处于从稳定变形到不稳定破坏的过渡阶段。

3 变形斜坡稳定性分析

由斜坡变形破坏特征及其机理可知，其最终破坏方式为蠕滑-拉裂形成的滑坡，潜在滑移面就是岩体弯曲折断的界面，大体上成弧形，由此根据斜坡后缘拉裂缝的位置、勘探平硐揭露的分界面以及前缘蠕滑剪出口即可准确地确定变形斜坡的潜在滑面形态（图9）。

图9 斜坡潜在滑移面Fig.9 Potential sliding p lane of the slope

由于潜在滑移面为板岩弯曲折断面，因此，潜在滑面的物质组成起初主要应由折断的板岩碎块、岩屑等组成，且局部地段可能尚未完全折断贯通。根据斜坡的变形特征，目前滑移面已基本形成。因此在对潜在滑面的物理力学参数选取时，主要参照碎石土的经验取值，考虑坡体中局部地段可能尚未完全贯通，但局部地段层间挤压破碎带又会产生局部夹泥，因此计算时对类比值进行了综合考虑。根据以上原则，潜在滑面参数的取值按表2执行［2］。

稳定分析主要考虑天然条件、降雨条件、地震条件下变形体的稳定状况。考虑地震作用时，按Ⅶ度考虑，水平地震系数取0.1。由于研究区地处高原半干旱高寒型气候区，降雨持续时间及一次降雨量一般均较小，故降雨条件下潜在滑带参数按天然条件下的90％取值。而饱水条件下的参数依经验按天然条件下的 80％ 折减［3，4］。

计算结果表明，尽管斜坡正处于蠕变变形之中，但天然条件、降雨条件及地震作用下总体仍处于稳定状态，只有在暴雨叠加地震时斜坡才会处于极限平衡状态。

表2 潜在滑面的抗剪强度Table 2 Shear strength of the potential sliding plane

依据上述计算剖面及参数取值，采用SARMA法［5，6］计算得斜坡的稳定性系数见表 3。

表3 稳定性计算结果Table 3 The result of stability analysis

4 结论

茨哈峡水电站岸坡变形特征清楚地展现了一类由倾倒转化为蠕滑-拉裂变形发展的机理、过程及发展趋势。这一实例表明，斜坡变形破坏的演变过程往往不是单一的，而且在同一阶段斜坡不同部位可存在不同的变形模式。对这类斜坡的稳定性进行分析时，首先应着重于变形机理，然后分析潜在破坏面的性质，进而根据试验或经验公式确定抗剪强度参数，从而准确地把握变形斜坡的稳定状况。

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