长河坝水电站汤坝土料场边坡变形机制研究

曹建平，刘永波，凡 亚

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)



长河坝水电站汤坝土料场边坡变形机制研究

曹建平，刘永波，凡 亚

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

长河坝水电站汤坝土料场开采边坡为土质边坡，在料场开采过程中发生了大规模变形。为确保边坡综合治理及施工期安全防护工作的顺利进行，在综合分析边坡土体物理力学特征及现场监测数据的基础上，对边坡变形过程及变形机制进行了研究。

边坡；变形机制；牵引式变形；推移式变形；长河坝水电站

1 工程概况

汤坝土料场是长河坝水电站砾石土心墙防渗料的主料场，需开采430万m3(压实方)的防渗土料，开采面积约72万m2，开采范围内高差大于400 m，设计开采坡比1∶1，10 m坡高留1级马道。实际开采临时坡比1∶0.5～1∶1，坡高15～30 m留有马道。完工后，形成高度大于400 m、综合坡比陡于1∶1的土质边坡。 因开挖边坡高度较大，坡度较陡，且未及时采取有效的支护措施，加之受下部持续切脚开挖的影响，边坡形成约半年后，发生了大规模的蠕滑变形破坏，危及其下方施工人员、设备甚至对岸居民和小电站厂房的安全。为对其采取适宜的处理方案，有必要对汤坝土料场边坡变形过程和变形机制进行分析和研究。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

汤坝土料场范围内天然地形坡度一般20°～30°，局部10°～15°及35°～40°，坡面植被发育。料场后边坡总体为一斗状地形，前缘2 200～2 450 m高程地形坡度为27°～35°，2 450 m高程以上坡度较陡，为40°～55°，局部形成平台地形。开采过程中，临时边坡坡度达45°～65°。料场地形地貌见图1。

图1 料场地形地貌

2.2 地层岩性

图2 浅表部全强风化基岩

2.3 水文地质条件

料场范围内无稳定的地下水位，地下水主要以第四系覆盖层孔隙潜水及局部上层滞水[2]、下部基岩裂隙水的形式存在，主要受降雨及冰雪融化补给。因上层滞水及滑带阻水，坡面局部有渗水点。

表1 覆盖层物理力学指标建议值

土层天然密度ρ/g·cm-3饱和密度ρsat/g·cm-3干密度ρd/g·cm-3允许承载力[R]/MPa变形模量E0/MPa天然抗剪强度饱和抗剪强度ϕ/(°)c/kPaϕ/(°)c/kPa冰水堆积碎砾石土200～210214～226180～192025～03020～2526～2835～4525～2730～40冰碛堆积碎砾石土208～212225～235192～200030～03525～3029～3140～5028～3035～45

2.4 土体物理力学特佂

冰水堆积土土体结构松散～稍密，厚20～40 m，颗粒相对较细，后缘土体略粗。天然干密度为1.88～1.98 g/cm3，平均1.93 g/cm3；天然含水率为3.2%～9.4%，平均6.4%。天然固结状态：凝聚力c为35～50 kPa，平均43 kPa；内摩擦角φ为25.6°～28.4°，平均26.9°。饱和固结状态：凝聚力c为10～60 kPa，平均38 kPa；内摩擦角φ为24.2°～27.5°，平均25.5°。与天然固结状态相比，饱和固结状态内摩擦角φ降低约0.9°～1.9°。

后缘冰碛堆积土土体厚度一般10～15 m，颗粒偏粗，结构较密实，力学性能较好。天然干密度为1.88～2.03 g/cm3，平均1.99 g/cm3；天然含水率为1.7%～9.6%，平均3.3%。天然固结状态：凝聚力c为62 kPa，内摩擦角φ为26.1°。饱和固结状态：凝聚力c为35 kPa，内摩擦角φ为24.6°。与天然固结状态相比，饱和固结状态内摩擦角φ降低约1.5°。

根据开挖揭示、专家咨询意见、参数反演、工程地质类比以及室内力学试验成果等综合分析，提出了坡体覆盖层力学参数建议值(见表1)。

3 变形发展过程及特征

3.1 变形发展过程

汤坝土料场后缘开口边坡形成于2013年9月前后，开挖坡比1∶0.5，无支护措施。 2014年2月24日，边坡后缘及侧向均出现裂缝(见图3)。坡脚截水沟拉裂且向临空面偏移(见图4)。变形区域前缘分布高程约2 235 m，后缘分布最大高程为2 267 m。

图3 开口线附近开裂

图4 截水沟底部拉裂及偏移

2014年3月上旬，后缘裂缝变形加大，前缘2 210 m高程出现裂缝并逐渐形成剪出口；2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出现新的剪出口；2014年3月中旬，裂缝继续延伸发展，宽度一般10～40 cm(见图4)；深度一般80～150 cm，最深可达290 cm(见图5)。两侧出现明显错台现象，错台高度一般10～40 cm，分布最大高程达2 381 m。裂缝基本连通，形成一弧形裂缝，滑坡周界基本形成。

图5 最宽裂缝

图6 最深裂缝

2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出现新的剪出口，擦痕清晰可见，局部可见阶步，延伸长约25 m，至此已形成多级剪出口。前缘2 210 m高程剪出口向临空方向最大位移达20 cm，擦痕明显。剪出口见图6。至4月，变形体周界裂缝及内部裂缝不断发展、增多，前期形成的羽状裂缝已错断，前缘伴随有土体鼓胀、隆起、裂缝贯通、剪出口及变形体外移、纵向缝迅速增多等变形现象，边坡处于蠕滑变形阶段，发展为蠕滑变形体。 蠕滑变形体典型纵断面见图7。

图7 剪出口

图8 蠕滑变形体典型纵断面

3.2 变形特征

(1)自低高程向高高程发展。裂缝开始出现在边坡开口线附近2 235～2 267 m高程，坡脚2 235 m高程处截水沟底板出现塌陷、外移。随着变形的不断发展，在开口线上部2 381 m高程出现裂缝，且展布范围扩大，裂缝呈圆弧状。

(2)先出现拉张裂缝，后出现剪出口。伴随后缘裂缝宽度及深度的不断加大，变形体临空面位移显著增大，边坡坡面出现鼓胀现象，在开挖形成的多级马道外缘出现裂缝和塌陷现象，马道内侧坡脚出现多级剪出口，剪出口剪出距离最大大于20 cm。

(3)变形速率与降雨、下部切脚施工密切关联。监测数据表明，汛期观测点的变形速率一般50～80 mm/d，最大达120 mm/d；汛后为10.5 ～14.9 mm/d，变形速率明显放缓。下方持续切脚开挖后，变形量也会陡增。

(4)变形量与边坡坡高、坡比有关。雨季地表水沿裂缝渗入土体，降低了土体的力学性能，增大了土体自重，并有润滑作用，从而加剧了土体的变形。综合监测数据和施工现场测量数据发现，开挖坡比越陡，开挖边坡高度越高，变形量及变形规模就越大。现场调查发现，坡高大于15 m、坡比陡于1∶0.75的边坡，往往在坡顶外侧出现平行于坡面的裂缝，局部有坍塌。

4 变形机制

边坡开挖后，坡体内土体原受力平衡被打破，土体在重力作用下向临空方向蠕动，随着边坡土体强度的降低，最终因抗压强度小于剪切应力而发生变形[3]，其后缘处于拉应力状态。当拉应力超过后缘坡体的抗拉强度时，便产生裂缝。裂缝多为平行于坡面的横向缝，表现为拉张裂缝。汤坝土料场开挖边坡变形始于开口线附近，在边坡形成近半年后才发生，即该边坡土体在自重作用下，蠕变不断增加，最终打破了土体受力平衡，顶部产生了拉张裂缝，属于典型的牵引式变形[4]。

随着上部土体蠕变不断加大，后缘张拉裂缝向坡面深部持续发展，变形体两侧出现纵向裂缝，分布有羽状、雁式排列裂缝。坡面土体向临空方向发生剪切破坏，出现剪出口。从汤坝土料场边坡变形过程和特征分析，出现剪出口的部位属于典型的推动式变形[5]。

综上所述，汤坝土料场开口线附近及开口线上部出现的拉张裂缝属牵引式变形，即变形初期以牵引式变形为主。下部出现剪出口即为推动式变形。与此同时，后缘裂缝仍在不断发展，即变形体同时存在牵引式和推动式变形。

5 结 语

本文对长河坝水电站汤坝土料场边坡变形过程及机制进行了分析和探讨，得出以下结论：

(1)开挖边坡变形区域自低高程向高高程延展，先出现拉张裂缝，后出现剪出口，裂缝先期以平行坡面的横向缝为主，后期逐步产生羽状、雁式排列的纵向缝，且前缘出现剪出口，坡面有鼓胀。该边坡初期变形以牵引式变形为主，后期发展为前缘推动式变形，并伴后缘牵引式变形。

(2)后缘出现的张拉裂缝为地表水入渗提供了通道[6]。地表水渗入土体，降低了土体力学性能，增大了土体自重，并起到了润滑作用，势必加剧了边坡的变形速度。应对后缘裂缝采取适宜的封闭措施。

[1]彭土标， 袁建新， 王惠明， 等. 水力发电工程地质手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2011．

[2]常士骠， 张苏民. 工程地质手册[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2007．

[3]黄润秋. 20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26(3)： 433- 454．

[4]吴玮江， 王念秦. 黄土滑坡的基本类型与活动特征[J]. 中国地质灾害与防治学报， 2002， 13(2)： 36- 40．

[5]徐邦栋， 王恭先. 几类滑坡的发生机理[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1986．

[6]张倬元， 刘汉超. 黄河龙羊峡水电站重大工程地质问题研究[M]. 成都： 成都科技大学出版社， 1990．

(责任编辑 杨 健)

Study on Slope Deformation Mechanism of Tangba Soil Yard in Changheba Hydropower Station

CAO Jianping, LIU Yongbo, FANG Ya

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The excavation slope of Tangba soil yard in Changheba Hydropower Station is a soil type, which appears serious deformation during excavation period. In order to ensure the smooth progress of slope comprehensive treatment and construction security, the deformation process and mechanism of slope are studied based on the comprehensive analyses on soil physical and mechanical characteristics and on-site monitoring data．

slope; deformation mechanism; retrogressive deformation; slumping deformation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

曹建平(1977—)，男，云南曲靖人，高级工程师，主要从事工程地质勘察设计工作．

TU413.62(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0042- 04