某电站边坡卸荷岩体工程地质研究与稳定性分析

2012-07-16 06:46石海荣杨作恒王军

水利规划与设计 2012年3期

石海荣杨作恒王军

（浙江省水利水电勘测设计院杭州 310002）

1 绪言

某电站工程以发电为主，兼有防洪作用，电站装机容量60MW。枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、右岸引水系统和岸边厂房等建筑物组成。库水由上平硐、调压井，经竖井、下平硐接入发电厂房。厂房距坝址约11km。发电厂区内布置有主厂房、副厂房、升压站等，依次从河道的上游往下游呈“一”字型排列。

工程于2002年3月开工建设，2005年6月下闸蓄水。2007年7月，在持续降雨情况下，厂房后边坡产生局部坍塌，下陷形成塌坑。2008年5月6月，高程250m 马道又产生沉陷和鼓包现象，下部挡墙也出现了约10cm 的变形错动，并在开挖边坡上部发现地表拉裂缝，边坡的变形趋势对厂房的安全运行构成威胁。

2 厂房后边坡工程地质条件

坝址至厂址河流曲折，呈“S”形。厂房上下、游山坡冲沟发育，与河流略呈正交，冲沟切割深度约20～30m。厂房区地面高程230m 左右，后山坡相对高差约570 米。河流两岸山坡陡竣，厂房后山坡地形总体为下陡上缓，往上、下游两侧的坡度相对平缓。

山坡上生长的部分（直径约15cm 以上的）松树、杉树的树根段可见马刀形弯曲，具有“马刀树”特征，分布高程一般在400m 以下，高程400m 以上树木较少，一般无较大的树木。

厂房后山坡，高程270m 以下，380～400m及450m 以上局部出露侏罗系上统黄尖组第一段（J3h1）基岩，呈全—强风化状，岩石为块状构造，新鲜岩石坚硬。山坡广泛分布第四系全新统崩坡积层（col-dlQ4），根据勘探钻孔和平硐揭露，山坡上崩坡积块石、巨（孤）石与粉质黏土混杂，厚度一般10～20m。其中粉质黏土厚度一般1～3m，局部可达6m 左右。块石直径一般0.5～5m，部分块石直径大于10m，且为粉质黏土包裹。巨（孤）石形态不一，一般呈弱风化—微风化，局部呈强风化状。

厂房区附近断层以NW（顺河向）向为主，次为NE（顺坡向）向。根据发育的断层、裂隙与节理统计，厂房后边坡发育的结构面主要有：290～310°，SW∠40～60°；40～60°，NW∠70～85°，断层主要由挤压破碎带组成。

山坡处地下水埋深受地形、岩石的风化程度、完整性及充填物质等的影响而深浅不一，深度可达5～50m。在厂房后边坡附近较浅，往山坡方向埋深加大，深处可达30～50m。崩坡积层现场注水试验渗透系数K=0.01～0.006cm/s，局部K=2cm/s，为强—中等透水性。

3 边坡卸荷岩体工程地质研究

3.1 边坡岩体的卸荷特征

3.1.1 岩体风化特征

根据山坡处的钻孔、竖井及平硐资料，厂区山坡岩石风化厚度变化较大，中、上游较下游风化强，表现在下游强风化带厚度一般要比上游厚，顺坡向靠厂房后边坡附近变厚，往山坡上方变薄。

山坡处风化岩石可分为“碎粒岩”和“碎裂岩”两种，一般为强风化岩石，局部为弱风化岩石。在空间分布上“碎粒岩”和“碎裂岩”相间分布，无固定分布规律。

“碎粒岩”为岩石受局部挤压错动成砾状，呈碎屑状—碎块状结构，粒径一般0.5～5 cm，一般以岩屑为主，含有少量岩粉，次生泥含量一般较少。“碎粒岩”带层次不均一，厚度变化大，钻孔资料揭示单层厚度变化在0.1～14m，垂直方向上规律性差。

“碎裂岩”为碎裂—块裂结构，钻孔中表现为岩芯呈碎块状，中陡倾角节理发育，陡倾角节理一般为碎屑或软化方解石充填，局部有岩粉或有黄色黏土充填，充填泥质者较少，节理面宽度一般0.3～0.1cm，面多粗糙，以张裂为主。平硐中揭露缓倾角节理多充填次生黄色黏土，厚度1～3 cm，局部交汇处可达10 cm左右，一般倾向山外，以偏向下游者居多。平缓充填泥质的裂隙数量上较多，但连续性差，往往被NW 向裂隙截断，在剖面上呈阶梯状延伸。泥质充填物质多少可能与是否靠近坡脚位置有关，往山坡上方碎裂岩石之间的泥质充填较坡脚附近少。另外，平硐中可见碎裂岩带中还存在多处架空空洞，洞内岩石松散，产状凌乱，充填黏土和泥浆，渗水。

3.1.2 岩体卸荷特征及分布范围

按GB50287—2006《水力发电工程地质勘察规范》，根据厂区后山坡岩体风化厚度、风化岩体特征、结构面发育程度及卸荷裂隙分布情况等将厂区山坡划分为2 个卸荷带。高程400m 以下山坡为强卸荷带，据钻孔揭露，碎粒岩、碎裂岩在高程400m 以下脚底厚度一般在50m 以内。高程400m 以上可达68m，节理很发育，一般充填岩屑为主，少量次生泥。平硐中揭示，拉张裂隙发育，多充填次生黏土，局部空洞发育，宽度可达20～30cm，其倾倒、松动特征明显。

式中：yi,j表示新位置的植株，xi,j∈[aj，bj]表示Xi的第j条路径值，aj，bj分别为搜索空间的上边界值与下边界值，α是[0,1]的随机数。将种群按照适应度值优劣分为两类：

高程400m 以上山坡为弱卸荷带，地表部分出露风化岩，地表局部产生拉开裂缝，但充填泥质和错位变形现象较弱。钻孔中揭露，破碎岩石主要为碎粒状，具有新鲜岩石、碎裂岩石、粒状岩石间隔出现的特点。

3.2 卸荷体变形成因分析

该电站自运行以来，厂房后边坡在雨季多次发生边坡小塌滑（溜坡），马道产生沉陷和鼓包现象，下部挡墙出现变形错动，并在开挖边坡上部发现地表拉裂缝等变形迹象。其主要原因是厂房后山坡存在的卸荷、倾倒、松动的卸荷松动带，受NW 向（顺河向）构造的破坏作用，使山体受到强烈切割。较密集的NW 向结构面，导致本区坚硬的熔结凝灰岩产生切割破坏，呈碎粒状和碎裂状，加之河谷深切，卸荷作用强烈，在岩体自重作用下，使上部岩体产生拉开。而下部岩体因埋深大，物理及风化作用影响小，强度相对较强，而开度较小。在长期地质作用下，次一级中倾角羽裂带与陡倾裂隙的组合使原有坚硬岩石产生错动和位移，使厂房后山坡岩体产生碎粒岩带成为可能，而在羽裂较弱地段，仅产生碎裂。厂房后边坡山脊十分单薄，两侧山沟深切，边坡自然坡度较陡，临空条件较好，岩体中反倾坡内的NW 向及NE 向中陡倾角小断层、裂隙十分发育，形成陡立的“似层状”结构，完整性差，加之地表水入渗条件好，边坡具备卸荷松动、倾倒破坏的条件。根据野外地质调查，厂房后边坡未发现连续的缓倾坡外的结构面，调压井、引水隧洞下平洞段开挖及已有的勘探平洞、竖井及钻孔也未揭示明显的、统一的底滑面，但钻孔、平洞中均反映岩体风化、卸荷十分强烈，局部倾倒变形、拉裂迹象明显，普遍充填次生夹泥。

在漫长的地质活动中，破碎岩体受地下水活动影响，产生风化和充填次生泥，不断改变岩体的物理力学性质，至今未有明显的滑动变形，虽在山坡出现有小裂缝，山坡岩体破碎等特征，但其后缘变形、滑床、前缘带等滑坡的基本特征尚不具备，仅具备卸荷、倾倒、松动等变形特点。因此，从边坡地形条件、岩体结构特征、变形程度及坡面变形拉裂等现象综合分析，边坡岩体为卸荷倾倒松动变形岩体。

4 边坡稳定分析与评价

根据地质勘察资料，厂房后边坡稳定受后边坡崩坡积层与厂后山坡松动卸荷体控制。边坡稳定分析按照DL/T5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》推荐采用有效应力法，采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿—普莱斯（Morgenstern—Price）极限平衡分析方法进行计算。计算参数见表1.

表1 崩坡积层计算参数

4.1 崩坡积层边坡稳定性分析

稳定分析计算结果见表2。从原始边坡稳定分析结果可以看出，稳定安全系数1.10<1.15，崩坡积层边坡不能满足稳定要求，必须对厂房后边坡进行支护处理。详见图1。

表2 不同工况崩坡积层边坡稳定计算结果

图1 原始崩坡积层稳定控制滑裂面

因新鲜基岩埋深较深，考虑采用锚筋桩（长20/25）间排距为2.5m×2.5m 进行处理。由计算成果可以看出，相比原始崩坡积层分析成果，滑裂面前缘底高程明显抬高，从边坡最上端锚筋桩约280m 高程滑出，这说明支护方案对于阻止滑裂面从280m 高程以下滑出是有效稳定安全系数由1.10 提高到1.153，提高了5%，满足规范要求。

4.2 岩体卸荷带稳定分析

对分界点400m 高程以下，强卸荷区的卸荷松动变形带进行稳定分析。卸荷松动变形带按最差的压碎岩带考虑，抗剪断强度f′=0.55～0.50，c′=0.1～0.2MPa。根据强弱卸荷区的划分及勘探揭示的变形迹象分析，边坡中没有产生连续的滑动面，不存在整体滑移破环的可能。根据边坡岩体变形程度，按传统稳定安全系数等于1.05～1 的极限平衡条件反算综合强度参数。在最不利断面上初拟排水工程措施以前原始边坡地下水位线，边坡安全系数为1.05，推算出f′=0.53，c′=0.122MPa，原始边坡滑裂面计算成果见图2。

图2 短暂工况稳定控制滑裂面

根据现状地形及施工条件，在高程250m 马道上布置一排抗滑桩(截面尺寸：2.5m×3.5m，间距7.5m)，稳定计算抗滑稳定安全系数为1.219，安全系数可提高1.2%。加上抗滑桩措施后，滑裂面位置上移，最不利滑裂面出现在250m 高程以上卸荷松动变形区，由此可以判断抗滑桩对于阻止滑裂面从250m 马道以下滑出是有效的。

250m 马道“缺口”设压脚以恢复山体原地形，经计算，边坡稳定系数提高到1.222，仅在抗滑桩基础上提高0.25%。

不同工况岩体卸荷带稳定计算结果详见表3。