蚀变带对班达水电站坝址区边坡开挖的稳定性分析与预测

(1.成都理工大学 四川 成都 610000；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 四川 成都 610059；3.成都市勘察测绘研究院 四川 成都 610081)

一、前言

岩石蚀变指岩石在流体的影响下而发生化学变化和物理变化，使得岩石化学成分和结构构造发生变化。不少学者研究表明在水岩作用下，蚀变岩体的孔隙度、弹性模量以及力学性质等相对于正常岩体的性质弱化明显[1-6]。在实际工程中，王振对天池电站岩体的蚀变特征的研究，认为蚀变岩体的存在对开挖过程中围岩的应力分布、位移分布和塑性区分布有着很大的影响[7]。

由此可见，蚀变岩不仅工程特性极差，还严重影响边坡稳定性。由于研究区处于察雅县巴日乡色汝沟汇入口河段的中部，经地质测绘发现，研究区存在由多条构造蚀变带。因此，研究有蚀变带存在时，对班达水电站的边坡开挖进行稳定性分析与预测具有十分重要的工程意义。

二、工程概况

(一)地质简介

拟建水电站位于西藏察雅县和左贡县境内，坝址区位于青藏高原的东南部，发育有大量强烈的逆冲型断层和走滑型断层。经地质测绘发现，研究区的中坝址右岸边坡发育两条大型韧性剪切带，而在韧性剪切带内发育多条蚀变带，发育宽度最大可达60m，长度最大可达620m，总体产状与韧性剪切带一致，为N40°～80°W/SW∠75°。初步调查发现其为构造蚀变，且受控于韧性剪切带，主要表现为高岭土化和绢云母化，风化程度高，且遇水极易崩解。

(二)蚀变岩体发育特征

班达坝址区岩石蚀变可分为两大类，一类是空间上远离构造带的岩石蚀变；另一类则是与构造带有关的蚀变，呈点状和带状分布。其中，条带状蚀变几乎分布于韧性剪切带中，带内糜棱化英安岩大多发生绢云母化蚀变和高岭土化蚀变，而点状蚀变岩体分布主要受控于小断层或挤压带、构造裂隙或岩浆岩的原生节理面或层流面。中坝址右岸发育4条，且基本集中在坝轴线两侧，空间展布图如图1所示。

图1 蚀变带分布平面图

三、边坡开挖稳定性分析与预测

(一)计算模型的建立

根据野外调查，结合室内资料得到中坝址右岸边坡的空间展布特征，由边坡空间展布建立三维模型。具体为：模型最高点(Z轴方向)海拔为3520m，最低点海拔为2800m，顺河流方向(X轴方向)长为900m，垂直于河流向(Y轴方向)宽为900m；两条大规模韧性剪切带贯穿整个模型，且其中发育多个蚀变带，岩性较差；区内无大的断层发育，众多小断层、长大裂隙不予单独考虑，将其考虑在岩体参数取值中。通过深入分析在坡体在天然状态下和开挖后的应力场特点，及由此引起的坡体位移场特点和发展趋势，进而对坡体的稳定性状况及发展趋势作出较为准确的判断，以此分析蚀变带的存在对坡体稳定性的影响。

由于溢洪洞和放空洞位于中坝址右岸边坡，为探究开挖边坡的稳定性，在上述计算模型基础上进行开挖，为接近于工程实际情况，边坡采用三级开挖，一级开挖底面高程为3150m，二级开挖底面高程3020m，三级开挖底面高程2060m。

(二)边坡开挖应力场分析

图2 剖面3150m高程(一级开挖后平台)监测线上

图3 剖面2960m高程(三级开挖后平台)监测线上

注：图中红色虚线代表蚀变带SB3在监测线上所揭露的位置。

其结果如图2～图3所示(图中负值代表压应力，正值代表拉应力)。由上图可知：

(1)通过分析各高程的最大应力图可知，自然状态与开挖状态下的应力趋势线大致相同，而数值上呈自然状态、第一、二、三级开挖递减。边坡的最大主应力随着Y值的增加而减小，说明越靠近坡表，最大主应力值越小，数值上表现为从深部的10～12MPa降至0.5～2MPa，并且据红色区域可知，蚀变带区域出现应力松弛现象，随着高程的减小，松弛现象越明显。

(2)通过分析各高程最小主应力图可知，在高程较大时，蚀变带右侧出现局部拉应力，随着高程的减小，拉应力消失。通过比较红色区域可得，随着高程的减小，蚀变带区域最小主应力从压应力转变为拉应力再转变为压应力。

(三)边坡开挖剪应变增量分析

在对图2、3剖面开挖前二维剪切应变增量云图进行分析后表明，岩土体滑动失稳，都是沿剪切应变最大的部位发生。强卸荷岩体底界面中上部分剪应力增量比周边剪应变要大，但并未贯通至前缘部位。而在蚀变带分布区域，剪应变明显剧增，这与其岩体质量较差有关。

再对图2、3剖面各级开挖后二维剪切应变增量云图，可知，一级开挖揭露了蚀变带SB3岩体，使得蚀变带分布区域特别是出露地表的一定范围内，剪应变明显剧增，此时剪应变增大带仍位于强卸荷底界附近和蚀变带分布区域，且并未贯通至前缘部位，也未贯通至一级开挖平台，说明一级开挖后坡体失稳可能性不大；二级开挖后剪应变增量较大区域已经与强蚀变岩体贯通，此时坡体易从一级平台处剪出。

(四)综合分析

边坡在天然状态下稳定性较好，虽然蚀变带的存在对坡体的应力场和位移场均有较大的影响，但受周围正常岩体的限制，对自然边坡的稳定性不起控制性作用；但在边坡开挖后，应力得到释放，部分表层岩体发生明显的卸荷回弹，在蚀变带SB3开挖后出露地段随其下部正常岩体的开挖，减弱了对其变形的限制，由压应力转为拉应力，向临空方向发生了较大的位移，使得其上部岩体以强卸荷底界为滑移面从此处剪出，造成坡体失稳，因此，开挖至一级平台后，应对此段岩体做强支护后再进行二级开挖。

四、结论

本文通过有限差分软件进行数值模拟分析，结果可知，在边坡开挖中，蚀变带处的应力出现松弛现象，并且最小主应力出现拉应力；在第二级边坡开挖后，蚀变带处的剪应变明显增加，剪应变增量较大且与强蚀变岩体贯通，说明剪应变增量较大区域为边坡岩体的失稳的滑动面。随着逐级开挖的进行，蚀变带边坡稳定性影响增加，剪应变增量区不断扩大，说明边坡稳定性系数降低，边坡趋于不稳定。

根据研究结果，班达水电站中坝址右岸的蚀变带影响边坡的稳定性，因此在边坡开挖过程中必须用随机锚杆先锚固可能不稳定的边坡块体，再进行系统锚杆、支护和喷混凝土等工序，并实施动态监测和后续支护，以防止剪应变增量区和边坡变形破坏进一步扩大。