东南亚某水电站厂房边坡开挖变形特征及成因机制分析

柳 旻,姚晨辉,张 超,黄 磊

(机械工业勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710043)

水电站工程一般规模较大而且相对复杂，各类建筑物的布置对边坡稳定性要求极高，而天然谷坡经过地壳抬升和河流剥蚀下切作用，在边坡浅表层普遍发育一定厚度的风化、卸荷岩体，这部分岩体工程地质特性往往难以满足工程建设需要，因此，不可避免要进行大规模的岩体开挖，以达到工程需要，从而形成大量工程高边坡[1-4]。而开挖往往会导致坡体产生裂缝、局部塌滑等变形，严重可导致整个边坡失稳破坏[5]。因此搞清边坡开挖变形的成因机制，制定合理经济的支护措施的基础[6]。受边坡地质条件、开挖方式支护时机的影响，边坡开挖变形及其稳定性问题尤其突出，这些高边坡的稳定不仅涉及到整体环境的安全，也涉及到工程本身的安全[5-10]。因此，高陡边坡的开挖卸荷变形及稳定性问题的研究是水电建设所面临的重大工程技术难题之一[11]。

近30年来，我国水利水电工程建设取得了世人瞩目的成就，水利水电工程边坡地质勘察评价、变形稳定性分析、设计、施工和运行管理均积累了丰富的经验[12]。本文以东南亚某在建水电站厂房边坡为研究对象，对开挖过程中坡体出现变形现象及成因进行分析，为后续的开挖及支护方案提供依据及参考。

1 厂房边坡工程地质概况

该厂房边坡位于河右岸，自然边坡为凸形陡，坡高约160 m，坡度为20°～ 38°，上部平缓，下部相对较陡。岩性由泥盆系紫红色板岩、褐红—青灰色变质砂岩组成，上软下硬，层理均发育，呈极薄层—中厚层，产状N10°～20°W，NE∠35°～40°，岩层倾向与坡面倾斜方向相反，为反向坡。根据前期地质勘探成果及探洞PD202揭示，厂房后边坡位于背斜NE翼，并发育有9条断层，主要为N0°～45°W,NE(W)∠50°～76°发育，N25°～54°W，NE(SW)∠54°～75°次之。边坡全风化岩体厚度一般不超过1.5 m，强风化岩体厚度变化较大，在断层破碎带(挤压带)附近和厂房边坡靠近两侧冲沟位置风化较深约为4.0 m～8.0 m，其余部位一般为3 m～6 m。弱风化岩体厚度较为均匀，一般为7 m～10 m。厂房边坡浅表部全、强风化岩体卸荷现象强烈，结合前期PD202平硐开挖揭示成果，0～38 m均为卸荷带，其中强卸荷带约0～7 m。该边坡工程地质剖面图见图1。

图1厂房边坡工程地质剖面图

2 边坡开挖变形特征

根据设计院设计该边坡开口线高程为EL.831 m，其中EL.752.0 m以上为永久边坡，分五步开挖，单级设计开挖边坡比为1 ∶1，坡高约为15 m。EL.752.0 m以下为基坑边坡(临时边坡)，开挖设计坡度比为1 ∶0.3～1 ∶0.5，最小开挖标高为EL.720.5 m。施工期间边坡最高高度约为110 m，竣工后边坡最高高度约为80 m。

边坡于2018年1月开挖，截止目前已开挖至EL.734.0 m～736.0 m。现场地质调查及变形监测数据显示，边坡开挖后出现多处变形现象(见图2)。

图2厂房边坡开挖后裂缝及滑塌平面分布图

2.1 裂 缝

现场调查对开挖后边坡出现的裂缝发育特征进行汇总，详见表1。

表1 边坡开挖后裂缝发育特征

从表1和图2可以看出，该厂边坡裂缝分布发育具有以下特征：

(1) EL.780.0 m～810 m高程裂缝主要受控于断层Fc12，长度约8 m～24 m，走向近东北(见图3、图4)。

图3厂区边坡EL.795m平台裂缝图4厂区边坡EL.810m马道裂缝

(2) EL.765 m高程以下裂缝主要集中在上游边坡，大部分裂缝接近水平方向，由挤压带Gc3和Gc6影响在EL.744.0 m～752.0 m边坡局部滑塌所引起(见图5)

图5EL.752.0m平台滑塌体后缘裂缝

2.2 滑 塌

2019年1月26日，厂房后边坡上游EL.745 m～742 m附近的Gc3挤压带内发生两处滑塌，均宽3 m～4 m，深约60 cm，合计滑塌方量约为35 m3，并在其上部EL.745 m～752m的喷混凝土面上产生宽约1 cm～2 cm的裂缝2条。2019年2月1日，滑塌体以上的岩体再次发生塌方，新的滑塌体宽约25 m，厚约3 m，合计方量约600 m3，且滑塌体后缘形成错落坎，错落坎的规模有逐渐扩大趋势(见图6、图7)。

2.3 监测资料

伴随着边坡的开挖，在不同高程布置了适量的地表和地下位移监测仪器，其中7个表面变形监测点和两个测斜孔平面布置(见图8)。

图6滑塌体1月26日特征

图7滑塌体2月1日特征

图8边坡监测点平面布置图

根据表面变形监测数据显示，截止2019年3月18日，厂房边坡开挖过程中地表变形以水平位移为主(向临空面回弹)位移在27.4 mm～60.0 mm之间，垂直位移在5.9 mm～22.1 mm之间。目前，厂房边坡地表变形监测点的水平位移和垂直位移仍未收敛，处于增长状态(见图9、图10)。

根据表面变形监测数据显示，测斜仪钻孔CQ-IN-01累计位移17.50 m，深度约5 处有一个位错位移，位错变形16.68 mm，仍处于加速变形阶段，变形速率为0.14 mm/d，需要密切关注(见图11)。测斜孔CQ-IN-02孔累计位移4.23 mm，孔深无明显位移(见图12)。

图9表面监测点水平位移随时间变化曲线

图10表面监测点竖直位移随时间变化曲线

图11测斜孔CQ-IN-01位移随时间变化曲线

图12测斜孔CQ-IN-02位移随时间变化曲线

3 边坡变形成因分析

王思敬曾经指出：开挖后致使边坡应力场改变及储存的应变能释放，从而导致边坡浅表层岩体沿原有结构面扩展、张开及错动，甚至新裂隙的产生，总体表现为岩体向临空面卸荷回弹变形[13-14]。

该厂房边坡在开挖之前的地形是经过漫长的地质历史时期形成的，在岸坡浅表层普遍发育一定厚度的强风化、卸荷岩体，这部分岩体裂隙发育，多呈张开状态，岩体结构破碎。根据设计边坡EL.740 m～ 810 m开挖至强风化岩体，开挖前这部分岩体已经裂隙发育，岩体破碎，以碎裂结构为主，在断层Fc12 附近岩体多呈散体结构，边坡开挖引起的岩体应力释放，原有应力平衡被打破，为适应新的荷载及围压变化，岩体内部应力进行二次调整，开挖面以里形成不同程度的应力分带，岩体向临空面回弹变形，加剧了岩体裂隙发育、张开及贯通，加之断层Fc12中组成物质多为泥质，对水及其敏感，在雨季期极易发生软化变形，从而导致在断层附近已喷护的混凝土面产生裂缝。

厂房后边坡开挖至EL.734 m处，因支护相对滞后，在断层Gc3和Gc6交汇处断层带内物质遇水易软化、断层带阻水后形成地下水富集区，从而导致断层带内先发生塌滑(1月26日发生)。随着地下水水位下降、上部卸荷岩体强度降低，难以抵抗下滑力于2月1日进一步滑塌，引起上部岩体进一步发生牵引变形而导致在EL.753 m、EL.754 m、EL.756 m、EL.764 m高程分别产生4条横向裂缝，目前裂缝宽度有扩大趋势，随时间推移，在没有及时支护条件下滑塌体存在进一步滑动的可能性较大(见图13)。

图13厂房边坡滑塌体失稳机制示意图

4 结 论

本文基于对边坡工程地质条件、现场地质调查以及监测资料成果分析的基础上，对厂房边坡开挖过程中变形现象及成因进行分析，主要得出以下几点结论：

(1) 机行事该厂房边坡开挖过程中在断层及交汇附近混凝土喷面出现裂缝、局部滑塌等变形现象。

(2) 监测资料显示该厂房边坡地表变形以水平位移为主，即向临空面回弹，位移量值27.4 mm～60.0 mm之间，垂直位移在5.9 mm～22.1 mm之间，平位移和垂直位移均未收敛，处于缓慢增长状态。

(3) 大规模开挖是边坡变形的主控因素，开挖引起岩体应力场的改变，岩体向临空面回弹变形，加剧了岩体裂隙发育、张开及贯通，加之受断层及地下水影响，导致在混凝土喷面裂缝和局部滑塌。

(4) EL.734 m产生的滑塌为牵引式滑塌，在其后缘产生4条横向裂缝，目前裂缝宽度有扩大趋势，需要及时进行支护，以防滑塌体进一步产生滑动破坏。