西南某水电站大型倾倒变形体稳定性评价与处理

刘 昌，王林维，李树武，胡 华

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 工程概况

西南某水电站位于云南省境内的澜沧江上游河段上，电站枢纽工程为二等大(2)型工程，水库正常蓄水位1 906.00 m，总装机容量990 MW。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 909.50 m，最大坝高137.50 m。坝址区属高山峡谷地貌，岸坡基岩裸露，出露二叠系上统下段青灰～灰黑色薄层状砂质板岩、泥质板岩夹中厚层变质石英砂岩，呈单斜构造，岩层总体走向为N5°W～N10°E，倾向NE～SE，倾角75°～88°，与澜沧江河谷走向近似正交。

右岸坝顶以上分布有大型倾倒变形体，倾倒体前缘高程约1 950 m，后缘已跨越右岸山梁(高程2 270 m)，顺河向长约500 m，面积约11.6万m3，总体积约230万m3(其中强倾倒部分体积约140万m3)。由于其下部布置大坝、中控楼、出线平台及电站进水口等重要工程设施，其稳定性直接影响工程施工与运行的安全。因此，对其施工处理前后的稳定性进行评价，并采取必要的工程处理措施显得尤为重要。

2 变形破坏特征

根据现场探硐和地面调查以及钻孔揭露的岩体破碎情况，并结合边坡岩体倾倒变形的特点、外界风化作用影响方式和范围等分析，边坡不同部位岩体的倾倒变形结构及破坏特征有所不同。倾倒变形体内岩层产状为 N15°W ～N5°E、NE～SE∠40°～60°，倾倒方向垂直岩层向下游。岩层水平深度40 m范围内倾角普遍在40°～50°之间，属严重倾倒变形;水平深度40～100 m范围内倾角大部分为50°～60°，属弱倾倒变形。

变形破坏具备如下特征:浅表部岩体严重倾倒、拉裂;中部岩体拉裂、架空、解体;深部岩体弯曲拉裂、折断变形;影响带岩体拉裂变形。倾倒体边坡岩体总的破坏特点是拉裂破坏。从勘探、调查的结果来看，整个右岸倾倒体并没有形成一个完全贯通、连续的折断面，这对倾倒体边坡的稳定性是有利的。

3 成因机制及力学特征

3.1 地形地貌特征

电站坝址右岸发育1条规模较大的支流，该支流下游段与澜沧江夹角约30°，切割深度200 m。受2条河流的切割，右坝肩边坡形成了1个相对孤立的单薄山体，倾倒变形体发育于该孤立山体上，这种地形地貌特征有利于岩体卸荷、倾倒的发生。

3.2 岩体结构特征

大量的工程实例表明，倾倒破坏通常发生于层状结构的岩质边坡中［1-2］。因此，发生倾倒变形还有另外一个重要条件，即岩层的层厚条件，如果岩层较厚，则岩层本身的抗变形和弯折能力较强，岩体也不容易发生倾倒变形;如果岩层较薄，则其自身抗变形和弯折的能力较弱，在长期的地质年代过程中，岩体向临空面卸荷以及自重作用下，则容易发生倾倒变形破坏。

右岸探硐岩层层厚大量统计表明，层厚小于20 cm的泥质板岩占比达84.5%，而层厚大于20 cm相对坚硬的变质砂岩仅占15.5%。总体上，倾倒体范围内岩体由陡倾角薄层状～互层状泥质板岩构成。由于泥质板岩抗压、抗剪等力学强度相对较低且为薄层状结构，在卸荷回弹及自重作用下，容易向临空方向产生倾倒～弯折变形，并在地表及内部形成拉裂缝。

3.3 右坝肩结构面的发育特征

(1)右坝肩裂隙优势方位分析。右坝肩结构面统计见表1。从表1可知，右坝肩共发育4组优势结构面。其中，①组最为发育，为顺层发育的结构面，走向近SN向，与边坡近正交，且倾向下游，导致岩体向下游方向产生倾倒变形;其次为②组，走向为近EW向，与右岸边坡走向大致平行，在这组裂隙的切割作用下，岩体向山梁两侧更容易产生卸荷松弛。

(2)右坝肩拉裂缝产状分析。右坝肩发育的拉裂缝主要分布在1 930 m高程以上部位。右坝肩探硐内出露的拉裂缝统计见表2，从表2可知，按产状大致可以分为3组。其中，①、②组拉裂缝与表1中③、④组裂隙产状基本一致;③组拉裂缝则沿岩层层面向下游方向拉开。上述迹象表明，岩体的倾倒变形首先是从卸荷拉裂开始，并沿岩体中最薄弱的部位(裂隙发育区)产生拉裂破坏，并使边坡表部岩层发生错位;随着拉裂缝向岩体的纵深部不断扩展，在深部与缓倾结构面相互切割形成局部块体滑移，为后部岩层提供进一步倾倒变形的空间。

表1 右岸岩体优势结构面统计 (°)

表2 右岸岩体优势拉裂缝统计 (°)

3.4 综合成因机制

坝址右岸单薄、突出的山体在地形地貌上为边坡岩体提供了卸荷、倾倒的有利条件。倾倒体范围内集中分布的陡倾薄层状岩体为岩体倾倒变形提供了有利的物质条件。岩体中优势结构面的方向及组合使岩体更容易产生拉裂破坏，在表面及内部形成大量拉裂缝，导致在边坡上部出现拉裂缝;再加上缓倾结构面和陡倾结构面组合块体的蠕滑作用，在后部陡倾结构面处也产生拉裂缝，在长期地质作用下形成目前的倾倒变形体［3-4］。

3.5 力学特性

为获取倾倒变形体不同部位原状芯样，在钻探中采用了SM系列植物钻井液护孔取芯。为避免试样在制作、搬运过程中扰动破碎，采用了“缩封固定技术”进行取样。现场从钻孔中取得了大量不同类型的岩芯，进行室内三轴试验和直剪试验。根据试验结果，同时参考本电站坝基岩体力学参数中Ⅳ类岩体的强度参数指标，在考虑工程安全储备后，确定了倾倒变形体不同部位岩体的抗剪强度参数(见表3)。

表3 倾倒变形体不同部位岩体抗剪强度参数

4 稳定性评价

4.1 定性评价

根据现场调查，右岸倾倒变形体边坡整体上地形较为平整，边坡表部发育几条小规模的冲沟。从侧面形态看，变形体边坡整体上坡形整齐，坡度在40°～45°之间，坡面完整，无较大的起伏，未发现较大的拉裂缝，也无较大规模的变形垮塌迹象。以上表明，自然边坡岩体自倾倒变形以来，未产生大的滑动、垮塌等变形破坏。宏观判断，倾倒体天然状态下整体上是稳定的。

根据对倾倒变形体倾倒方向的分析结果，分别沿倾倒体倾倒方向和垂直河流方向进行稳定性计算。从剖面形态上看，边坡在沿倾倒方向上坡度相对较缓，在垂直河流方向上坡度较陡。经稳定性计算，沿倾倒方向边坡在各种工况下安全系数为1.42～1.81，边坡整体稳定性较好;垂直河流方向为1.22～1.31，处于整体稳定状态，但在暴雨工况下，安全系数为0.98～1.07，基本上处于极限平衡状态，不满足规范安全系数1.1的控制要求;地震工况下安全系数为1.03～1.12，安全系数裕度不足。

4.2 工程处理后评价

4.2.1 处理措施

倾倒变形体在暴雨工况下安全系数低于规范控制要求，地震工况下安全裕度不足，若产生滑移破坏则对工程建设及运行期不利。因此，从工程安全角度出发，需对倾倒体进行工程处理。

(1)施工期，对倾倒变形体进行清坡处理，清除表部覆盖层及部分破碎岩体。在开口线附近设置被动防护网。

(2)在坡顶开挖线以外设置截水沟，马道内侧设置地面排水沟;开挖边坡表面设置排水孔;将倾倒变形体内总长约600 m的4条勘探硐改建为排水洞，加强倾倒变形体的排水，提高其安全性。

(3)对清坡后的倾倒破碎岩体，采用混凝土板+系统锚索(1 000 kN，间排距4.0 m)进行支护加固处理。

(4)在边坡开口线外及坡体设置了表面变形观测、测斜孔、水平位移计等多种变形监测装置，在施工及运行期对倾倒变形体进行安全监测。

4.2.2 稳定性复核计算

施工处理后，对倾倒体边坡进行稳定性复核计算，计算方法仍采用极限平衡法［5］，计算剖面垂直河流方向，复核计算剖面见图1。经稳定性复核计算，边坡在正常运行、暴雨、地震各工况下的安全系数分别为1.35～1.36、1.16～1.17、1.16～1.15。右岸坝肩倾倒变形体在各种工况下的安全系数均满足稳定性要求。

4.2.3 监测成果分析

为监测倾倒变形体开挖支护后的变形情况，在倾倒体边坡设置1套GNSS系统，(共有9个监测点、1个解算基准点);8座表面变形观测墩(与GNSS观测点一一对应);4个测斜孔;在3个排水洞内安装了14个静力水准点及14支水平位移计，以观测沉降及水平位移［6］。

GNSS观测开始于2014年5月3日，各测点总体缓慢向河床偏下游变形，位移增长主要发生在2015年以前，之后增长趋势变缓。截至2016年12月15日，倾倒体向河床偏下游方向累计水平位移为29.5 mm。表面变形测墩自2015年7月5日开始观测以来，各点总体缓慢向河床偏下游变形，截至2017年1月9日，倾倒体向河床偏下游方向累计水平位移为6.5～18.9 mm。测斜孔最早于2014年5月25日取得观测初值，截至2017年1月中旬，各测斜孔观测数据基本遵循变形量自孔底向孔口逐步递增的变形规律，2017年1月12日测得各孔孔口A向(主倾倒方向)累计位移测值为－5.6～8.8 mm，B向(垂直于主倾倒方向)累计位移测值为－6.2～13.6 mm。14个静力水准点沉降变化观测周期不长，初值于2016年7月15日才取得，目前数据的变化量不大，自观测以来，各水准点累计沉降为－9.4～19.9 mm。14支水平位移计观测周期不长，初值于2016年7月15日才取得，目前数据的变化量不大，累计变化为－0.05～0.54 mm。

总体上看，倾倒体变形方向为缓慢向河床偏下游变形，即主倾倒方向。自监测以来，总体变形量级不大，发生变形量较大时段主要在边坡开挖期。从各项监测成果综合分析看，总体上倾倒体边坡处于稳定状态。倾倒变形体边坡开挖支护后形象见图2。

5 结语

西南某水电站坝址右岸边坡为单薄、相对孤立的山梁，陡倾薄层状泥质板岩集中分布，岩层在卸荷及自重作用下沿优势结构面产生拉裂、弯折破坏。岩体在长期变形破坏作用下形成了目前的变形体。

现场对倾倒体不同部位岩体取样，通过室内试验，获得了较为可靠的抗剪强度参数取值。研究表明，倾倒变形体在暴雨工况下基本上处于极限平衡状态，不满足规范及设计要求，且在地震工况下安全系数裕度不足。工程处理后稳定性复核计算表明，倾倒变形体边坡满足规范要求，整体稳定。从多种监测成果综合分析看，倾倒体变形方向为缓慢向河床偏下游变形，即主倾倒方向，变形量级不大，发生变形量较大时段主要在边坡开挖期。

［1］张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理［M］．2版．北京:地质出版社，1994．

［2］汪小刚，贾志欣，陈祖煜，等．岩质边坡倾倒破坏的稳定分析方法［J］．水利学报，1996(3):7-12．

［3］徐邦栋．滑坡分析与防治［M］．北京:中国铁道出版社，1994．

［4］余鹏程．澜沧江苗尾水电站坝址区岩体倾倒变形特征及坝肩岩体稳定性分析［D］．成都:成都理工大学，2007．

［5］黄昌乾，丁恩保．边坡工程常用稳定性分析方法［J］．水电站设计，1999，15(1):53-58．

［6］高华，刘建华．GNSS边坡监测系统在伊敏露天矿的应用［J］．露天采矿技术，2004(1):60-61．