金沙水电站花石崖危岩体稳定性分析与治理

赵 明 华， 朱 信 波， 赵 雄

(1.长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074；2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

1 概 述

花石崖危岩体分布于金沙水电站坝址上游0.9～1.5 km处的右岸崖顶，地形为一条大冲沟，山坡陡峻，沟谷切割较深。基岩为大荞地组含煤地层，岩性以含炭粉砂质泥岩等软质岩为主，与中粗粒岩屑砂岩等硬质岩交互分布，表现为逆向坡。

该危岩体区域构造稳定性评价分区属稳定性较差区，主要遭受外围地区强震和场地附近中强地震的影响，历史上的地震对工程区的最大影响烈度为Ⅵ度；地震基本烈度为Ⅶ度，50 a超越概率10%的基岩水平峰值加速度值为120 cm/s2(0.122 g)。

2 危岩体具有的特征及分区

(1)危岩体具有的基本特征。

该危岩体位于花石崖冲沟顶部近山脊陡崖处，高差近200 m，顺江长230 m；边坡陡峻，局部近直立或崩塌形成负地形；危岩体范围内基岩大多裸露，东侧坡顶有厚3～5 m的残积土。坡顶缓坡发育13条裂缝(图1)，呈锯齿状延伸,走向大多与危岩体边坡走向呈大角度相交，其中东侧裂缝多呈小角度斜交。

图1 危岩体坡顶裂缝分布与稳定性分区图

危岩体后缘以裂缝为界，前缘以坡下第一层含炭粉砂质泥岩为底界，平面上呈沿坡走向的长条状，东西长约230 m、南北宽15～35 m，面积约4 500 m2，高度为14～34 m，估算总体积约10×104m3。危岩体物质以中粗粒岩屑砂岩为主，局部为残积土和崩塌堆积物。

(2)危岩体分区。

危岩体按规模及稳定性特征分为7个区(包括两个亚区)，如图1所示。

Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ1区规模较大，方量分别为6.5万m3、1.6万m3和0.6万m3，整体稳定性较好，前缘较差； Ⅰ2、Ⅲ2、Ⅳ区方量分别为0.5万m3、0.2万m3和0.2万m3，稳定性很差；Ⅴ区方量为0.4万m3，整体稳定性较好，表部较差。

3 危岩体失稳原因及破坏模式分析

花石崖危岩体岩性以软质岩为主，与硬质岩交互分布；边坡高陡，坡面表部岩体卸荷较强，坡顶陡倾角裂隙发育，多张开。

软质岩易风化崩解，剥落后形成岩腔，致使其上部临空岩体重心向外侧偏移，加上陡倾角裂隙切割，地表水入渗，在重力作用下产生崩塌失稳物并堆积于下部缓坡上；另外，挖煤采空导致坡顶岩体变形，加剧了危岩体的崩塌破坏进程，从而使坡面岩体不断产生崩塌，导致坡面不断后退。

笔者对危岩体分布区的地形、地质构造、变形特征等进行分析得知：花石崖危岩体的主要破坏模式为崩塌(图2)。其崩塌形式可以分为倾倒崩塌和自由坠落两种。另外也存在残积土塌滑。

图2 花石崖危岩体主要失稳模式示意图

(1)倾倒崩塌。

由于坡面陡峻、岩石软硬相间，软弱岩石易风化崩解剥落，随着其下部软弱基座被掏蚀、岩腔不断扩大，上部岩体重心逐渐外倾，最终向坡外发生转动而产生倾倒崩塌，其中尤以Ⅰ区比较典型(图3)。

图3 Ⅰ区地质模型图

(2)残积土塌滑。

由于边坡较陡，残积土结构较松散，在降雨等因素影响下，其自身稳定性变差，土体产生顺坡向塌滑，花石崖危岩体Ⅱ区即为此类破坏模式(图4)，坡顶有厚3～5 m的残积土，加上其边坡较陡，时有小规模土体塌滑发生。

图4 Ⅱ区地质模型图

(3)自由坠落崩塌。

由于边坡陡峻，岩体表部卸荷强烈、裂隙发育，受降雨等其它外力因素影响，沿张开裂隙产生自由落体式的崩落。此类破坏方式在整个危岩体边坡都有可能发生，但其规模小，呈零星的块石坠落形式，其中尤以Ⅲ区比较典型(图5)。由于边坡后缘裂隙宽张，其下坡形呈倒坡，易发生此类破坏。

图5 Ⅲ区地质模型图

4 危岩体稳定性分析

(1)稳定性宏观分析。

花石崖危岩体总体积约为10万m3，岩层平缓，为逆向坡；裂隙发育，但多延伸不长且以与边坡走向呈大角度相交的NNW、NE组陡倾角裂隙为主，缓倾角裂隙不发育，未发现长大结构面的不利组合；坡顶裂缝多与边坡呈大角度相交；底部较软岩风化剥落较缓慢；近30 a来未发生较大规模的崩塌，仅以小规模崩塌为主。由此可见，危岩体不具备整体或大规模失稳的地质条件，整体稳定性较好，破坏模式为小规模解体崩塌。

(2)稳定性计算分析。

①计算工况及计算剖面。

为对花石崖危岩体进行安全评估，笔者研究计算并分析了危岩体所处的3种工况(表1)。

表1 危岩体边坡计算工况表

计算剖面根据各分区的失稳模式图选定(图5)。

②计算选用的力学参数。

计算涉及的岩石材料主要包括：碎石夹土、泥质粉砂岩夹含炭泥质粉砂岩、中粗粒岩屑砂岩等。

依据相关的地勘资料及力学试验成果以及参数敏感性分析，确定计算所采用的各地层的主要物理力学参数见表2。

③计算结果及稳定性评价。

表2 花石崖危岩体边坡岩(石)体物理力学参数取值表

基于刚体极限平衡法和非线性有限元法，考虑到危岩体Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区的破坏模式，计算得到的各剖面稳定性统计结果如表3所示。

表3 危岩体边坡典型剖面各工况稳定安全系数统计表

根据刚体极限平衡法和非线性有限元法的计算结果得知，各区剖面在各工况下的边坡稳定性均满足规范要求；Ⅰ区在短暂工况下的安全系数较低,在地震工况下的安全系数刚刚满足规范要求，安全储备亦很低；由于岩体的劣化及各种不确定性因素，Ⅰ区需要进行加固，以提高其长效安全性。

5 花石崖危岩体对金沙水电站的影响

危岩体崩塌后其将进入下方的冲沟中，沟道两侧的山脊能够很好地约束崩塌块石的运动方向；加之堆积体沟道坡度相对较缓、坡面较长(图3)，能对运动的块石起缓冲消能的作用，崩塌体在运动过程中会逐渐崩解、减速，崩塌体直接入江的方量有限，因而造成崩塌堵江或产生巨大涌浪的可能性亦不大，只有少量的块石顺坡翻滚飞溅入江。另外，危岩体距金沙水电站坝址区较远(0.9～1.5 km)且与坝址区之间金沙江河道由SE转为NE向，危岩体失稳崩塌对电站工程的直接影响不大。

但是，花石崖危岩体及其下方冲沟两侧的边坡不断崩塌，崩塌物质顺沟堆积，大部分会运动到堆积体后缘，将对其形成加载而影响到堆积体的稳定性，进而影响到工程建设和运营期间的安全。

6 工程处理措施建议

根据花石崖危岩体的成因、破坏模式、稳定性及其对电站工程的危害性，地质人员认为有必要对其进行治理。

治理措施有两种方案：一是对危岩体边坡采取削坡、喷锚等综合措施进行治理，该方案为较为彻底的治理方案；二是在其下方冲沟内修建落石槽、拦石墙等被动防护措施。无论采取何种方案进行治理，都应加强变形监测，以便在出现不利情况时及时采取有效的对策。

7 结 语

(1)研究结果表明：危岩体不具备整体或大规模失稳的地质条件，整体稳定性较好，破坏模式主要为小规模解体崩塌，造成堵江或产生巨大涌浪的可能性不大。但危岩体不断崩塌，且崩塌物质大部分会运动到花石崖崩塌堆积体后缘对其形成加载，进而影响到堆积体的稳定性及工程建设和运营期间的安全，因此，有必要对危岩体进行治理。

(2)根据刚体极限平衡法和非线性有限元法的计算结果，各区剖面在各工况下的边坡稳定性均满足规范要求；但I区在短暂工况下的安全系数较低,在地震工况下的安全系数刚刚满足规范要求，安全储备亦很低；由于岩体的劣化及各种不确定性因素，I区需要进行加固，以提高其长效安全性。

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