坪头水电站闸址区左岸边坡基本地质条件及其工程处理措施

田启文，庞明亮，王雅雯

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.成都理工大学 环境工程学院，四川 成都 610058)

1 前 言

坪头水电站首部枢纽主要建筑物由左岸向右岸依次为取水口、左岸挡水坝段、1孔冲沙闸、3孔泄洪闸、右岸挡水坝段，闸下游设护坦、海漫等消能建筑物。正常蓄水位913m，闸坝最大高度38.5m，闸顶长约108m。引水建筑物由进水口、引水隧洞、调压室及压力管道组成。电站取水口设置于美姑河左岸。坪头水电站装机3台，为地下厂房。厂区枢纽主要建筑物由主、副厂房、安装间、主变室及GIS室、出线洞及母线洞、尾水洞等组成。

2 区域地质与地震

坪头水电站工程区在区域构造上处于四川西南部“川滇南北向构造带”与四川盆地“新华夏沉降带”的交接地带，挟持于普雄河断裂带、刹水坝-马颈子断裂与美姑河断裂带之间的相对稳定块体内，属凉山拗褶带东亚区。块体内无大的断裂构造发育，新构造活动不明显，不具备发生强震的地震地质背景。工程区附近历史上无强震活动记载，其地震效应属工程区外围强震活动的波及影响区，工程区属基本稳定区。根据《美姑河坪头水电站工程场地地震安全性评价报告》中的结论：闸址工程场地地震危险性主要来自于大凉山断裂带强震复发的影响；闸址和厂址工程场地的地震基本烈度均为Ⅶ度；闸址、厂址建筑物(50年，P=0.10)用基本烈度Ⅶ度作为设计烈度，可按其基岩场地设计水平峰值、加速度峰值分别为а=0.126g、0.119g进行抗震设计。

3 闸址区基本地质条件

闸址区位于柳洪沟下游550～800m段的峡谷内，河段流向自E转为S75°E，又转为N50°E，最后以近E向流出闸址区。枯水期河面高程约884.47m，水面宽23～31m，正常蓄水位913m时，谷宽83.9～102.7m，河谷断面呈不对称“V”形。左岸888～1 043m高程为基岩陡壁，岸坡坡度65°～80°，1 043m高程以上为覆盖层斜坡，组成物为柳洪沟古滑坡堆积的块碎石土，地形坡度30°～40°。右岸920～945m高程以下为漫滩及崩坡积堆积物，其上基岩裸露，岸坡坡度为75°～85°。

闸址区出露地层为寒武系上统(C3e)二道水组，大致分布于970m高程以下至谷底，其岩性为薄至中厚层状灰至深灰色白云质灰岩、泥砂质白云岩、灰质白云岩夹少量泥质灰岩。岩层产状：N20°～30°W/SW∠5°～12°，缓倾上游偏右岸，为斜向谷。

勘探揭露，闸址河床覆盖层厚7.0～16.0m，右岸河漫滩及岸坡覆盖层厚11.13～30.2m。根据河床覆盖层物质组成与结构特征，由老到新分为5层：

第①层：含漂砂卵砾石层(alQ3)，分布于右岸河床底部，厚度为8.1～15.44m，该层结构较紧密。第②层：紫红色含砂黏土层(含砂粉土)(alQ3)，厚3.03～9.95m，最小埋深3.03m，分布于右岸闸轴线以上25m及以下约55m、高程902～912m范围内，从上游到下游逐渐变厚，护坦前端处尖灭。该层结构较松散。第③层：孤块(碎)石(col+alQ3)，分布于右岸河床中部(899.21～908.02m高程)，厚度变化较大，钻孔揭示厚度为11.77～13.54m。第④层：含漂(块)砂卵砾石层(alQ4)，分布在现代河床(903.211～883.77m高程)，厚度变化大，钻孔揭示厚度为7.0～19.6m，该层结构较紧密。第⑤层：浅黄褐色块碎石土(colQ4)，分布于右岸Ⅰ级阶地以上(公路以下)及谷坡坡脚处(公路以上)(938.2～945.7m高程)，厚1.22～15m，该层结构较松散。

闸址区未见断层分布，主要为节理裂隙，发育少量挤压带。据地表调查及平洞揭示，闸址区主要发育以下3组裂隙：第①组层面裂隙：N20°～30°W/SW∠5°～12°，延伸大于10m，一般闭合，局部张开0.5～2cm，充填有少量岩屑及次生泥，中等锈染，间距一般5～15cm，部分20～30cm；第②组顺坡向裂隙：N65°～75°E/SE∠75°～80°，延伸大于10m，一般张开2～5cm，部分张开10～20cm，充填有岩块、岩屑及次生泥，强烈锈染，间距一般5～20cm，部分0.5～1m；第③组垂直坡向裂隙：N10°～20°W/SW∠70°～80°，延伸大于10m，一般张开0.5～2cm，局部张开5～10cm，充填有岩块、岩屑及次生泥，强烈锈染，间距一般10～20cm，部分0.6～2m。

根据钻孔揭示，闸址区缓倾角裂隙较发育，以5°～15°为主，间距2～5m，裂面短小、微起伏粗糙、轻微锈染、闭合，多沿白云质灰岩层面发育。岩芯多呈短柱状或半柱状，部分呈碎块状。挤压带发育较少，一般长数十米、宽小于5cm，充填岩块、岩屑，多有溶蚀作用。

地表岩溶现象调查表明：闸址区未见大的溶洞发育，岩溶现象主要表现为水平向的溶坑、溶隙，充填方解石及次生泥，多沿层面裂隙及顺坡向裂隙发育，左岸河边局部可见沿层面发育的溶蚀裂隙有地下水溢出。

闸址区物理地质作用较为明显，尤其是岸坡卸荷、表层土体变形失稳等现象对工程有一定影响。白云质灰岩抗风化能力较强，风化作用主要沿结构面及泥质灰岩进行，以裂隙式或夹层状风化为主，在空间上分布不均一，但总体而言，由浅及深岩石风化由强变弱。河床基岩无强风化，据钻孔揭示，弱风化下限垂直埋深为24.05～31.95m，风化带厚15.4～17.35m，顶板高程854.06～860.26m。右岸漫滩及岸坡下伏基岩，弱风化下限垂直埋深为24.0～38.15m，厚7.95～11.1m，顶板高程862.96～875.82m。根据左岸896m高程探洞揭示，左岸岩体弱风化下限水平深度35～45m，右岸40～50m。

闸址区岸坡陡峻，左、右两岸卸荷作用强烈，多见顺坡向及垂直坡向的卸荷裂隙，这两组裂隙多张开0.5～2cm，尤其顺坡向裂隙部分张开可达10～20cm，充填有岩块岩屑及次生泥，间距一般5～20cm，部分0.5～1m。左岸岩体强卸荷下限水平深度为25～30m，右岸30～40m；左岸弱卸荷下限水平深度60～70m，右岸为65～75m。岸坡破坏以崩塌为主。

4 左岸边坡基本地质条件

由于闸址区左岸888～1 043m高程为基岩陡壁(坡度65°～80°)，由中厚～厚层状白云质灰岩夹泥质灰岩、灰绿色页岩夹粉砂岩组成，现状整体稳定，但受结构面切割及浅表部卸荷影响，坡面上存在较多潜在不稳定块体(危岩体)，并常有块体坠落现象。左岸1 043m高程以上为覆盖层斜坡，组成物质为古滑坡堆积的块碎石土，地形坡度30°～40°。古滑坡堆积体现状整体稳定，但在前缘局部浅表有小的变形，常有块碎石滑落现象。在左岸边坡下布置的取水口、左岸挡水坝段、护坦、海漫等水工建筑物，在施工开挖过程中及将来正常运行过程中都存在安全隐患，所以在左岸施工开挖前，必须先对888～1 043m高程段基岩陡壁上的危岩体及1 043m高程以上的覆盖层斜坡作适当的工程处理。

4.1 左岸基岩陡壁上危岩体基本地质条件及评价

由于闸址区左岸从取水口至护坦、海漫一线888～1 043m高程段为高155m的基岩陡壁，岸坡坡度65°～80°。该段基岩边坡现状整体稳定，但受岸坡卸荷作用及受结构面不利组合、切割影响，坡面分布有危岩体，并常有崩塌现象，在块体坠落后部分地段形成凹岩腔。受地形条件限制，坡面无法进行测绘，经实地观看，在左岸闸坝建筑物范围内大致有8处存在危岩体(见照片1及图1)对工程和施工安全造成威胁，现分别叙述如下：

1号危岩体：顺河长约37m，水平深度0.5～1.2m，分布在1 013～1 043m高程，面积约763m2，体积382～916m3。1号危岩体在取水口上部陡壁1 030m高程处小冲沟的上游侧，由于受顺坡向、垂直坡向及层面裂隙的切割，多呈“板状”及不规则的“四面体状”。该危岩体底面局部悬空约0.5～1.2m，易产生掉块现象。

照片1 左岸基岩边坡上危岩体

图1 美姑河坪头水电站闸址区左岸陡壁危岩体投影立面

2号危岩体：顺河长约42m，水平深度0.5～1.5m，分布在923～979m高程，面积约1 687m2，体积843～2 530m3。2号危岩体受顺坡向、垂直坡向及层面裂隙的切割，特别是垂直坡向裂隙(危岩体的上游控制边界)互切其他两组裂隙，且张开约5～10cm，危岩体多呈“板状”及不规则的“楔形体”。危岩体浅表部受风化、卸荷及溶蚀作用后，中下部局部松动坍塌，底面(层面裂隙)多溶蚀张开5～15cm，局部悬空约0.5～1.5m，易发生坍塌。

3号危岩体：顺河长约40m，水平深度0.5～1.2m，分布在941～963m高程，面积约694m2，体积347～833m3。3号危岩体由于是受顺坡向、垂直坡向及层面裂隙互切，多呈“板状”，底部局部悬空0.5～1.2m，易产生掉块现象。

4号危岩体：顺河长约37m，水平深度0.3～0.8m，分布在980～995m高程，面积约406m2，体积121.8～325m3。4号危岩体受顺坡向、垂直岸坡向及层面裂隙切割影响，岩体较破碎，浅表部松动，多呈“碎块状”，局部形成呈“倒悬锥体状”的石钟乳，易产生掉块现象。

5号危岩体：顺河长约48m，水平深度1.5～3m，分布在934～995m高程，面积约1 425m2，体积2 138～4 275m3。受顺坡向、垂直岸坡向及层面裂隙切割，且受风化、卸荷作用影响，岩体较破碎，浅表部有松动岩体，底部因局部垮塌，部分已临空，多形成“石钟乳”，呈“倒悬锥体状”，易产生掉块现象。

6号危岩体：顺河长约12m，水平深度0.4～1.0m，分布在1 031～1 016m高程，面积约114m2，体积45.6～114m3。6号危岩体受顺坡向、垂直坡向及层面裂隙互切，多呈“板状”及不规则的“长柱体状”，底部局部悬空0.4～1.0m，易产生掉块。

7号危岩体：顺河长约24m，水平深度3～4m，分布在988～1 020m高程，面积约421m2，体积1 263～1 684m3。7号危岩体受顺坡向、垂直岸坡向及层面裂隙切割影响，多呈“长板状”或“长柱体状”，由于顺坡向陡倾裂隙多张开，且底部受层面裂隙切割，局部临空，易产生坍塌。

8号危岩体：顺河长约27m，水平深度0.5～1m，分布在1 013～1 035m高程，面积约439m2，体积220～439m3。8号危岩体在进水口上部陡壁1 030m高程处小冲沟的下游侧，由于受顺坡向、垂直岸坡向及层面裂隙切割影响，岩体较破碎，多呈不规则的“长方体状”，且底面(即层面裂隙)多溶蚀张开3～5cm，易产生掉块现象。

根据各危岩体形成的特征和所分布的工程部位，对左岸边坡上危岩体适当地进行了分区及评价。

4.1.1 取水口至闸坝段上部边坡

左岸岸坡888～1 043m高程为基岩陡壁，岸坡高约155m，由中厚～厚层状灰岩组成，岸坡陡峻，虽整体稳定，但受结构面切割及浅表部卸荷影响，坡面的中上部存在危岩体(不稳定块体)。在取水口及左闸肩段边坡开挖前，应对上部存在的危石作适当的处理。为保证取水口及左岸挡水坝段的安全，该段必须进行工程处理的部位有：1号、2号、3号、4号、8号危岩体(照片1左岸边坡危岩体)。这几处岩体受结构面切割及浅表部卸荷影响，岩体较破碎，且局部悬空，稳定性差，须进行加固处理。5号区已形成呈“倒悬锥状”的“石钟乳”，应先将表部松动的岩体清理后，再采取适当的加固处理。

4.1.2 护坦、海漫段上部边坡

护坦、海漫段上部边坡仍为基岩陡壁，岩体中裂隙发育，特别是顺坡向陡倾坡外的卸荷裂隙较发育，多张开，受垂直岸坡及层面卸荷裂隙的切割，稳定性较差，已形成潜在的不稳定块体，即照片中的6号、7号危岩体。为保证护坦、海漫段施工及运行阶段的安全，必须先对其进行工程处理。此外7号危岩体中有阶坎，坡面不平整，岩体厚度较厚(约3～4m)，须先对局部的倒悬危岩体进行处理后，再对其进行必要的加固处理。

4.2 左岸基岩陡壁上部覆盖层斜坡基本地质条件及评价

闸址区左岸1 043m高程以上为覆盖层斜坡，组成物为柳洪沟古滑坡堆积的块碎石土，地形坡度30°～40°。由于下伏基岩陡壁的中上部发育有沟槽，引起上部古滑坡临坡侧浅表产生变形和少量块碎石土下滑，其中在护坦上方有一宽约10～25m、深约1～3m的沟槽，沟槽内有少量下滑的松散堆积物，今后在大暴雨冲刷时，上部仍可能会有部分块石土下滑，影响闸坝护坦的安全运行。为此，应对闸址左岸基岩陡壁上部覆盖层边坡进行适当的工程处理。

5 工程处理措施

5.1 左岸基岩陡壁危岩体防护基本原则

综合危岩体的稳定条件、基本地形地质条件，考虑危岩体对不同建筑物的影响及可实施的工程措施，拟定坪头电站闸首左岸天然高陡边坡危岩体防护的基本原则为：

(1)危岩体的防护主要考虑危岩体自身的稳定性、危岩体失稳的危害性等级及危岩体的规模三个因素。根据危岩体自身稳定性的不同，危岩体危害性等级及危岩体规模大小三个主要因素，考虑不同程度的的防护标准。

(2)防护工程应不开挖，少扰动。对危岩体进行大规模的开挖和清理，有可能会形成更大规模的危岩体。同时，大多数危岩体不具备大规模开挖和清理的施工条件，大规模的开挖和清理施工也会对工程施工区形成干扰，影响工程建设。

在一定条件下，清除危石是较经济的措施，但危岩体数量众多，大小不一，且不能准确判断，危石难以完全清除，还有可能产生新的危石。同时，危岩体多分布在左岸陡峻边坡的高高程较大的区域范围内，故大多数危岩体的开挖和清理难度非常大。另外，当时左岸边坡下部低高程工程区正在全面施工，若对左岸边坡上部危岩体进行大规模的开挖和清理，将直接影响边坡下部低高程工程区的施工安全，造成其施工进度滞后，故不宜采用。开挖和清理应视危岩体具体情况局部使用，并应自上而下施工，注意施工程序，防止施工干扰，加强施工安全管理。

(3)防护措施以主动防护网、被动防护网、锚杆为主。常用的危岩体防护措施主要有清理、开挖、喷混凝土、锚杆、预应力锚索、拦石墙、防护网、混凝土嵌补等。除开挖和清理不宜采用外，喷射混凝土需要对坡面进行一定的清理，施工条件要求较高，且喷混凝土在有表层排水孔的情况下其岩体排水条件仍低于天然条件的卸荷岩体，故不宜采用；坪头水电站左岸自然边坡高陡，自然边坡崎岖不平，采用拦石墙、浆砌石、混凝土支顶、混凝土嵌补及预应力锚索工程量大，施工条件差，只适宜在地形地质条件合适的局部区域采用。

5.2 左岸基岩陡壁危岩体及其上部覆盖层斜坡的工程处理措施

由于坪头水电站左岸自然边坡危岩体多发育在左岸923.00～1 043.00m高程的陡崖，陡崖高差约150余米，无法进行近距离的详细勘察，故难以判断危岩体确定的结构面组合和变形失稳模式，从而无法建立合理的稳定分析力学模型，因此，危岩体稳定安全度难以定量分析计算。

根据坪头水电站枢纽区地质背景、危岩体发育的工程地质条件和危岩体的地质特征、可能变形失稳模式，采用宏观的地质判断来确定危岩体的稳定性。并结合危岩体的大小、危岩体失稳可能对枢纽区建筑物及人身安全的影响程度，考虑可采用的工程措施及措施的适用性和有效性，从及考虑现场实际施工条件，拟定工程处理措施。

5.2.1 主动防护网加锚杆及被动防护网防护

1号、2号、4号、5号、8号危岩体位于左岸进水口、左闸首上方，如其发生危石掉落，主要影响左岸进水口、左闸首等主要永久建筑物，这些主要永久建筑物关系到工程的正常运行，运行期人员活动较多，如其发生损害，修复条件较差。3号、6号、7号危岩体主要位于护坦、闸墩下游上方，如其发生危石掉落，主要影响护坦、闸墩下游等建筑物，此类建筑物与左岸取水口、左闸首等主要永久建筑物相比，在工程中的重要性略低，运行期人员活动也较少，如其发生损害，具备一定的修复条件。根据危岩体自身稳定性和体积等地质因素，以及和工程建筑物的相互关系，按分类防护的原则，综合考虑确定1号、2号、4号、5号、8号危岩体防护类别为一类，采用主动防护网加锚杆及被动防护网防护，3号、6号、7号危岩体防护类别为二类，只采用被动防护网防护。

主动防护网加锚杆防护：结合首部枢纽建筑物的布置，对1号、2号、4号、5号、8号危岩体分布的大部分陡崖区域岩体采用主动防护网加锚杆进行防护。主动防护网采用FSS-JG-250-G型主动防护网，在理想的情况下,该型号一个单元(4.0m×4.0m)可承受64.8t重的危石。锚杆采用高强钢绳锚杆，间排距4.0m×4.0m，孔径50mm，L=4.0m。主动防护网和锚杆为一整体，联合受力。对于凹岩腔顶部和岩体特别破碎的部位可采用高强钢绳锚杆，间、排距1.5m×1.5m，L=4.0m，同时视坡面具体地质情况，可由现场工程师进行适当调整。锚杆应保证穿过危岩体并深入完整岩体内，应尽量垂直卸荷裂隙面布置。

被动防护网防护：分别在闸址区左岸1 043m高程以上覆盖层斜坡上的1 061m和1 085m高程布置两道被动防护网，防止1 043m高程以上斜坡的块碎石土滑落对工程枢纽区取水口、左闸首、护坦等主要建筑物的影响。被动防护网采用FSS-PD-500型柔性被动防护网，其防护等级为500kJ，高5.0m，长155.0m。

5.2.2 坡面局部清除、拦石墙、浆砌石及混凝土支顶、C20混凝土嵌补等措施

局部区域视危岩体现场具体地形地质条件及施工条件，采用局部清除、拦石墙、浆砌石及混凝土支顶、混凝土嵌补等措施，各措施的具体采用和详细布置根据现场具体地形地质条件及施工条件确定。在可能因块体坠落形成凹岩腔的部位、易发生坍塌的部位，除以上措施外，还需采取加密锚杆锁定凹岩腔顶部的加强支护措施。

6 结束语

对左岸基岩陡壁及其上部覆盖层斜坡进行了工程处理后，左岸边坡处于稳定安全状态，在闸坝施工过程中，未出现边坡崩塌、坠石及掉块等情况，施工人员及设备未出任何安全事故，目前电站运行正常。