某水电站引水隧洞出口高边坡变形机理研究

陈兴周，柴军瑞，白俊光

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048;2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065)

图1 高边坡工程照片Fig.1 The engineering photo of the high slope

大型水利水电工程建设中，开挖往往会形成大量岩体结构复杂、稳定性差的边坡，在降雨及工程开挖影响下，出现不同规模的变形或失稳现象，严重影响工程建设和运行期间的安全.例如，锦屏一级水电站各个水工建筑物岩体在开挖过程中将形成一系列高边坡，自然边坡达到1 000 m，开挖边坡的高度达到了300～500 m，边坡变形机理与稳定性问题十分突出［1－2］.因此，研究水电工程高边坡的变形破坏机理，对边坡治理设计与工程运营安全具有重要的工程价值.本文拟研究的引水隧洞出口开挖边坡高达170～220 m(如图1所示)，引水隧洞出口及电站厂房均布置在高边坡坡脚位置附近，是水电站的关键性部位之一.引水隧洞出口开挖边坡不但坡高而且范围大，一旦失稳，将对整个工程的建设和运行带来难以设想的后果.高边坡开挖始于1987年3月，1991年1月完成，1993年4月开始蓄水，1996年6月达到正常蓄水位200 m高程;为确保电站建筑物安全运行，在施工期开始即对开挖边坡进行了现场监测.施工期和蓄水期的监测结果分析表明，高边坡的总体变形趋势是比较符合常规的，一些学者也从监测资料分析和稳定性计算等方面［3－7］对该边坡进行了相关分析和评价，结果表明该边坡总体是稳定的;但是，1998年下半年以来，边坡中上部岩体逐渐出现反常的朝向上游侧的变形趋势，这与一般边坡开挖后岩体向临空侧(即下游方向)变形的规律是不同的;然而，目前针对此问题的研究相对较少.因此，本文拟从边坡岩体特殊的地质构造和外部影响因素入手，对边坡出现此类变形的机理进行深入研究.

1 高边坡监测数据分析

高边坡监测测点布置见图2，一共布置了4个监测断面，21个监测点.引水隧洞出口高边坡分为正面边坡和侧面边坡，其中Ⅰ－Ⅰ和Ⅲ－Ⅲ断面在东侧边坡，测点分别布置在165.00，180.00，195.00和210.00 m高程;Ⅳ－Ⅳ和Ⅴ－Ⅴ断面在引水洞出口边坡的1#～4#引水隧洞之间，测点分别布置在128.00，150.00，165.00，180.00，195.00和206.00 m高程.每个断面在不同高程的马道上，仅布置了1个测点，利用连续垂线监测边坡的水平变形.

图2 变形监测平面布置图(单位:m)Fig.2 Schematic diagram for arrangement of slope monitoring points(unit:m)

本文列出了1998年以来的监测数据(见表1)，部分典型测点的监测变形趋势见图3.结合表1和图3可见，自1998年底开始，引水隧洞出口高边坡中上部变形总体呈现倾向上游侧的趋势，而且这个趋势一直持续到2001年左右才逐渐趋于稳定，这个变形趋势明显有别于一般边坡的变形.因此，有必要对此进行深入研究.

表1 监测结果Tab.1 Monitoring results

图3 河流向变形过程曲线Fig.3 Deformation curve along the river

2 高边坡地质岩性构成分析

高边坡的典型地质剖面如图4所示，边坡为逆向坡，上部为坚硬的石龙洞灰岩，下部为软弱的石碑页岩，岩层走向70°～80°，倾南东，倾角25°～30°.引水洞进水口底板高程142.50 m，隧洞段山体完整，高程175～245 m，上覆岩体厚达25～100 m.隧洞出口底板高程128 m，走向北东70°转北东30°，坡面倾向北西，平均坡度50余度，陡壁高60～80 m，灰岩陡壁以下为页岩，呈30°～38°左右的缓坡.地形为上陡下缓边坡形态，坡脚地面高程87 m，坡顶处地面高程210～230 m.

图4 典型地质剖面(4#引水隧洞)Fig.4 Typical geological profile(4#diversion tunnel)

引水隧洞出口边坡开挖形成不同形式的人工边坡，128.00 m以上为灰岩，按多级台阶开挖，每级坡高15 m，马道5 m;下部为页岩，页岩段整体开挖坡角为29°～45°.厂房区在近代一、二级阶地上，一级阶地高程90 m，台面宽20～30 m，基岩面高程75 m;二级阶地高程95 m，台面宽30～40 m，基岩面高程75～80 m，地势开阔平坦.

边坡地质构造主要表现为断层、裂隙、层间剪切带等，原有山体经历自然作用与卸荷影响已逐步分解，局部地区岩体破碎明显.上游一侧层间剪切特别发育，与边坡密切相关的剪切破碎泥化带或层间剪切面主要有401#，403#，405#和406#;边坡下游一侧层间剪切和断层交错布置，岩体整体性较差，在灰岩与页岩的交界面处，剪切破坏极为明显，多出现连续稳定的剪切破碎泥化带;与边坡密切相关的剪切破碎泥化带和断层有201#，301#，302#，F69，F16，F220，F126 和 F624 等，其中 201#剪切破碎泥化带尤为发育.如图4所示，按岩组性质、边坡整体可以近似分为4段:

(1)边坡401#剪切带以上的区域，该区域内层间剪切特别发育，为灰岩和页岩互层，厚约110 m，主要位于边坡上游一侧，对下游侧边坡开挖影响较小;

(2)边坡401#与301#，302#剪切带之间为薄层泥质条带灰岩夹细粒鲕状灰岩，厚约100 m，该区域内为相对完整的灰岩段;

(3)边坡301#，302#与201#剪切带之间为厚层或薄层泥质条带灰岩夹细粒鲕状灰岩，厚约70 m，受断层切割，完整性较差，其中，301#层间剪切面发生在石龙洞灰岩下段顶部的疙瘩状泥灰岩中，错动面平直，有黄色糜棱岩，遇水易泥化;

(4)边坡201#剪切带以下的区域，厚度约200 m，主要为砂质页岩，表层为第四系阶地堆积层，其中，201#剪切带在石牌页岩与石龙洞灰岩的接触处，灰岩与页岩互层，泥化带厚4～6 m，由大致层厚0.1～0.2 m劈理化页岩和厚0.4～0.6 m鲕状灰岩，由一系列密集的层间剪切面组成，错动面夹白色软泥，厚1～5 mm，有滑感，可沿空面塑性流出，在宏观上形成一个较连续的剪切破碎泥化带.

3 高边坡的变形机理分析

高边坡在施工时基本遵循了自上而下的开挖顺序，受开挖卸荷的影响，施工期基本呈向下游侧变形的趋势，并最终随工程结束而逐渐趋于稳定;蓄水以来，在库水压力的作用下，边坡向下游侧变形趋势有所增加，除局部危岩体有较大变形之外，边坡整体仍然处于稳定状态.较多学者采用各种方法对高边坡在施工期和蓄水期(主要是1998年以前)的变形机理和稳定性进行了较多的分析评价［3－7］，而1998年年底边坡出现的这种与前期相反的变形趋势是比较反常的.通过对监测数据、地质资料和外界影响因素的综合对比，分析认为边坡出现这样的变形趋势有其发生发展的内在机理，主要可归结为以下几点:

(1)1998年8月，库区遭遇了千年一遇的洪水，大坝蓄水位高达203.94 m，高出正常蓄水位3.94 m.从监测资料来看，此次洪水打破了边坡蓄水以来逐渐形成的平衡状态，是边坡变形趋势改变的一个重要的诱因，但是变形趋势的改变与边坡特殊的岩体结构、库水位上涨带来的附加影响因素也是密切相关的.

(2)从岩体结构角度来看，引水隧洞出口高边坡上部为坚硬而裂隙发育的石龙洞组灰岩，下部为软弱的石牌组页岩，在两种岩性交界处为厚4～6 m的201#剪切泥化破碎带，形成了典型的上硬下软的不利岩体结构组合.边坡总体为逆向坡，没有平行边坡走向且倾向坡面的大断层存在，故产生顺坡向大规模滑动的可能性不大，这类边坡的变形，往往是以下部软岩的变形为先导，引起上部岩体的变形，进而控制边坡的整体变形趋势.地质资料显示边坡上游侧和下游侧层间剪切带、泥化带和断层带充分发育，破碎泥化现象明显.1998年的洪水，一方面导致了边坡上游侧水压力、拱坝推力的明显增大;另一方面，库水位的上涨和持续的强降雨改变了坡体内部的渗流场和应力场、坡体内交错分布的剪切泥化带和断层带进一步发育、强度进一步弱化，在上部岩体压力增大的情况下，201#剪切带下部的页岩表现出逐渐被挤出的趋势，进而导致了剪切带上部岩体有被抬升和向上游旋转的趋势，从而使得边坡上部产生朝向上游的变形.

(3)引水隧洞出口高边坡变形趋势的改变不是短时间完成的，从图3可见边坡变形具有明显的滞后效应，一直持续到2001年左右才逐渐趋于新的稳定和平衡.从这个变化过程也可看出，1998年出现的超高洪水位引起了整个坡体内部结构和应力状态的调整，整个调整过程是一个达到新的平衡状态的过程，具有明显的时间效应.在这个调整的过程中，边坡的变形也出现了较大的波动，一方面与库水位的升降变化有关，另一方面与边坡的内部结构有关，坡体内部层间剪切破碎带和断层带交错发育，岩体的整体性差，在上部荷载变化作用下，应力集中现象明显，坡体内部结构、应力调整过程极为复杂，往往伴随着剪切带、断层带的进一步发育、扩展和岩体的局部破坏，进而导致边坡的变形趋势出现了较大的波动.

(4)岩体开挖卸荷作用，包括瞬时卸荷和卸荷流变两个方面;卸荷效应引起的岩体质量劣化，是一个长期而缓慢的过程，具有明显的时间效应.此外，库水位升降变化、降雨和泄洪雾化、温度变化［8］、岩体风化和水－岩相互作用［9］等其他因素也会促进卸荷流变［10］的发展.下部软弱页岩的力学强度低，是整个坡体内的薄弱部位，卸荷流变引起的扩容变形特别明显，这也是导致边坡中上部产生朝向上游的变形的原因之一.

(5)在开挖过程中，为了防止201#剪切带及下部区域页岩不进一步劣化，工程中采用混凝土置换部分区域软弱夹层(如图5所示)，对坡面岩体浅层失稳起到了抑制作用;但是，由于软弱岩体分布区域较大、较深，混凝土置换对边坡的整体稳定的贡献是有限的.表1中的监测结果表明，1998年以来，各监测剖面低高程监测点出现了明显的倾向下游侧的变形，也印证了上述分析所提出的“挤出”现象.

图5 混凝土置换区域示意图(单位:m)Fig.5 Concrete replacement region(unit:m)

4 结语

(1)在详细分析地质资料、监测数据和外部影响因素的基础上，对引水隧洞出口高边坡反常的变形趋势进行了深入研究:1998年库区遭遇千年一遇的洪水是边坡变形趋势改变的重要诱因，边坡上硬下软的岩体构造特性和充分发育的层间剪切带、断层带是其变形的内在原因，边坡岩体的卸荷流变、库水位变化、降雨和泄洪雾化、岩体风化、水－岩长期作用等是变形发展的外界因素.

(2)工程监测数据显示，2001年之后、边坡各测点的变形基本趋于稳定，说明经过3年左右的调整，边坡内部的结构、应力等达到新的平衡状态;但是，在后期的运行过程中，如果再次遭受外界较强的触发因素(如高水位的洪水、地震等)的影响，边坡的变形趋势是否会继续发生变化，则不可预测;因此，必须坚持长期监测，发现异常情况应及时分析处理.

(3)由于边坡岩体特殊的地质构造，层间剪切带反倾构造，断层裂隙分布较多，在降雨、泄洪雾化作用下，水易顺着裂缝渗入到软弱岩层中，特别是渗入到充分发育的层间剪切带中，会使其力学性状进一步恶化，从而导致沿层间剪切带变形的进一步发展;因此，必须注意坡面排水措施，并对出露裂缝、断层及时进行回填封闭等坡面防护措施.

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