巴基斯坦卡洛特水电站缓倾层状软硬相间边坡变形特性及防治建议

张必勇 徐俊 侯钦礼 曹道宁

摘要：沉积岩层状岩体在地壳表层广泛存在，通常呈软、硬相间的互层结构，岩层各向异性显著。不同厚度的沉积岩层状岩体组合对边坡的稳定性影响很大。以巴基斯坦卡洛特水电站软硬相间岩体边坡为例，研究了该类岩体的结构、力学特性、地下水分布及其对工程边坡的影响，总结了该类岩体构成的自然及人工边坡的主要失稳破坏模式，分析了其产生的原因，并提出了相应的防治措施，以供类似工程参考。

关键词：边坡变形;边坡防治;软硬相间层状岩体;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV223文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.004

1工程背景

卡洛特水电站位于巴基斯坦东北部吉拉姆河干流上，该工程所在区域出露岩层为上第三系中新世Nagri组层状沉积岩，岩层软硬相间。工程主要建筑物包括沥青混凝土心墙堆石坝、地面厂房、溢洪道及导流洞等，工程开挖边坡主要集中在导流洞进出口及溢洪道两侧。其中，导流洞进口边坡最大坡高约122 m，为逆向坡，出口边坡最大坡高约91 m，为顺向坡;溢洪道左侧最大坝高约95 m，为斜交逆向坡，右侧最大坡高约83 m，为斜交顺向坡。

2 层状岩体主要特征及与工程边坡的关系

2.1 岩 性

工程区主要揭露有中砂岩和粉砂岩（统称“砂岩”）以及泥质粉砂岩和粉砂质泥岩（统称“泥质岩”），砂岩呈灰绿色、浅灰色，饱和抗压强度25～30 MPa，属于较软岩;粉砂质泥岩呈紫红色，饱和抗压强度为8～12 MPa;泥质粉砂岩呈浅紫红色，饱和抗压强度为10～15 MPa，均属软岩。

2.2 岩层产状及变化

工程区在构造上处于Karatot向斜與右岸Narwan背斜NE翼之间的宽缓单斜岩层部位，岩层产状平缓且较稳定，岩层倾角7°～10°。

2.3 岩层厚度变化

砂岩单层厚度为2～6 m，呈巨厚层状，连续层厚一般6～24 m，在工程范围内略有变化，以渐变为主。粉砂质泥岩与泥质粉砂岩单层厚0.1～2 m，呈薄层～厚层状，连续层厚一般5～20 m，变化不明显。

2.4 风化与卸荷

由于层状岩体软硬相间，不同岩石抗风化能力差别大，自然边坡呈现明显的差异风化[1-2]。砂岩由于抗风化能力较强，在边坡顶部易形成平台，在坡身处易形成陡崖，风化后岩体主要表现为矿物蚀变，总体呈灰黄色，岩体结构保存完整，风化裂隙以长大裂隙为主。泥质岩由于遇水易软化、泥化，在干湿循环作用下易产生崩解，其表层风化后呈土夹碎块状，灰褐色，在坡顶受雨水冲刷很少保留，在坡身呈现为缓坡，坡度为15°～20°，在与上部的砂岩交结处多形成空腔，致使砂岩呈倒悬体。

工程区处于地壳强烈上升地区，受河流下切、岩体差异风化等影响，高陡边坡附近岩体卸荷强烈，强卸荷带水平深度一般为8～16 m。

2.5 地下水活动

泥质岩属相对隔水层，微新岩石透水性微弱，砂岩透水性稍大，地下水总体不发育，水位较高。地下水主要沿着长大卸荷裂隙以及冲沟下部的集中下渗通道运移[3-4]。在河谷两侧，由于裂隙宽大，且主要集中在砂岩中，地下水排泄通畅，对边坡的作用表现为使细颗粒流失，加速裂隙的扩张;在小型冲沟等集中下渗通道部位，地下水主要沿微小裂隙转移，表现为软弱夹层的软化、泥化，岩体强度显著下降，不过由于地下水移动速度有限，其影响范围较小，一般小于30 m。

2.6 边坡主要特点

工程区边坡为典型的软、硬岩体相间及不等厚、互层状分布结构，泥质岩具快速风化的特性;由于泥质岩往往构成相对隔水层，边坡中地下水具有“层状分布”及“多层地下水”的特点;高、陡临江岸坡岩体卸荷强烈。

边坡岩层主要为新生界磨拉石建造的陆源碎屑沉积岩地层，岩石总体具有时代新、成岩胶结程度较差、岩石较软弱，岩性较复杂，发育有不同类型的软弱夹层等特点。

3 边坡的破坏模式

在卡洛特水电站工程开挖施工过程中，失稳破坏或变形的边坡主要表现为拉裂崩塌、蠕滑变形及层间滑坡。

3.1 拉裂崩塌

由于边坡中岩层上硬下软，且下部泥质岩抗风化能力差，受地下水影响易崩解塌落，在上部厚层～巨厚层砂岩压应力作用下，易产生压缩变形，加速向外侧位移而崩解[5-6]。同时，上部砂岩在失去下部支撑后，形成倒悬体，由于抗拉强度较低，逐渐产生卸荷，裂隙沿着倒悬体根部往上扩展，当裂隙贯穿时，分离出来的砂岩块体将产生错落或崩塌。

根据该类型块体破裂原理，最大倒悬宽度可以表示为

[b=（H·Rm·Rλ·K）]

式中，b为倒悬宽度，m;Rm为岩石抗拉强度，kPa;H为倒悬岩层厚度，m;[λ]为倒悬体重度，kN/m3;R为强度折减系数，主要反映结构面发育程度对岩体抗拉强度的影响，一般取0.1～0.5;K为安全系数，一般取1.2。

3号导流洞出口处自然边坡即为一处典型的上硬下软的倒悬体结构，见图1，边坡中部N1dh1-1-1层砂岩厚度约6.6 m（H），以上为陡坡，坡度约65°，以下即倒悬体，由于地下水作用强烈，沿该层底部不断有地下水渗出，呈线状。

岩石抗拉强度Rm为400 kPa，岩体重度λ为24.7 kN/m3，强度折减系数R取0.1，安全系数K取1.2，根据上述公式计算可知，该倒悬体稳定宽度b=3.05 m。现场实际测量表明，其宽度范围为2.5～3.1 m，考虑到地下水作用，倒悬体已处于临界失稳状态，地质剖面图见图2。在开挖施工过程中，该倒悬体由于爆破振动影响而崩塌，方量约2 000 m3。

3.2 蠕滑变形

在沉积过程中，由于沉积环境的不同，层状岩体少数薄层可能会形成软弱夹层。这类夹层的特点主要表现为：层薄，胶结较差，强度低，在构造运动中往往形成薄弱面而受到剪切破坏，且局部孔隙率高，易成为地下水运移的通道而出现泥化、软化或夹泥。

溢洪道进水渠右侧边坡岩体沿N1na4-3-1与N1na4-2层面发育有断续分布的软弱破碎夹层，宽度1～6 cm，延伸长度90余米，见图3。其在地下水作用下表现为明显的软化，并夹泥，构成了边坡的潜在底滑面，其地质剖面图见图4。随着边坡的下挖施工及爆破振动的影响，该边坡沿软弱夹层产生徐变、蠕滑，并沿边坡后缘发育的长大卸荷裂缝产生拉裂，最大变形达3 cm，施工方及时采取加强支护措施后，蠕滑才得到控制。

3.3 层间滑坡

在互层状岩体中，当泥质岩厚度过大时（如大于20 m），位于两层砂岩中的泥质岩易风化形成缓坡，其上部的砂岩层由于失去支撑，不断崩塌，在斜坡中部形成大小不一的块石堆积，局部架空，同时构成了地下水的存储空间，使该区域堆积体的重量不断增加。下部泥质岩由于透水性弱，聚集在块石中的地下水沿着泥质岩不断渗透，加速了下部泥质岩的软化，在暴雨或地震等极端条件诱发下，将沿着泥质岩强风化层产生切层滑动或顺层蠕动。

4号渣场排洪沟右侧边坡施工时，由于地震诱发了该类型滑坡。该滑坡呈圈椅状，地形坡度30°，局部20°;后缘高程485 m，前缘高程455 m左右，前缘宽50 m，纵向长约61 m;面积约2 590 m2，体积约1.2万m3，属小型滑坡，见图5。

边坡上部松散碎块石土及下部全强风化泥质岩均发生滑动，属覆盖层～基岩滑坡，为较为典型的层间滑坡实例，见图6。

4 边坡防护建议

不同类型的边坡应采取针对性防治措施，除坡面系统支护外，针对以上3类易产生变形破坏的边坡防护建议如下。

（1）对于存在倒悬体的边坡，若为临时边坡，可通过在底部回填混凝土，以支撑倒悬岩体重力荷载;对于永久边坡，建议沿倒悬体根部往上削坡减载，对下部易风化区域及时进行喷护封闭，对上部岩体根据裂隙发育情况需进行适当加强支护，若存在较深的卸荷裂隙，应采取较低吨位锚索（1 000 kN左右）穿过强卸荷带进行加固，且锚固段应设置于强度较高的砂岩中。

（2）对于含软弱夹层的蠕滑型边坡，主要措施为增加深排水孔，保证边坡排水通畅;增加穿过软弱夹层的锚筋桩，并使其角度与蠕滑面垂直;必要时增设穿过蠕滑面的低吨位（1 000 kN左右）锚索，锚固端应位于下部强度较高的砂岩中。

（3）对于砂岩层中厚层泥质岩边坡，主要措施为及时在下部砂岩处设置挡墙，上部堆积体若已经产生滑动，应进行削坡减载，经过多次实践，该方案经济实用，效果良好，见图7。

5 结 语

层状软硬相间岩体具有独特的变形特征，工程设计时应充分发挥其中硬岩的优势。在布置线路或线状建筑物时，应优先选择硬岩与软岩比例相对较高的地段。对特别重要的直立坡，应将其布置于厚度较厚的硬岩处。对于边坡中的软岩，无论临时坡或永久坡，均应优先进行喷护封闭，防止其快速风化。在设计系统支护时，应将重点放在相对较软岩层中，如遇软弱夹层时，应采取加强措施，防止边坡的蠕滑。

参考文献：

[1] 车彦良，周骥. 缓倾软硬相间边坡破坏机理的物理模拟研究[J]. 水利科技与经济，2018，24（5）：23-26.

[2] 曹運江，黄润秋，郑海君，等. 岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究[J]. 工程地质学报，2006 （14）：35-40.

[3] 孟立朋，彭轩明，吴吉民，等. 青干河软硬相间顺向岸坡演化过程研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2010（6）：52-56.

[4] 陈小婷，黄波林，刘广宁，等. 三峡库区平缓层状软硬相间斜坡变形模式变化分析[J].地质灾害与环境保护，2009（6）：57-61.

[5] 徐鲁勤，杨志强，鞠远江.  软硬相间岩层底板变形研究[J].中国煤炭地质，2008（11）：34-37.

[6] 张岩. 四川双江口水电站典型工程边坡失稳分析[J].水利水电快报，2019， 40（5）：62-66.

（编辑：李 慧）

Deformation characteristics of soft and hard layered slope with gentle dip of Karot Hydropower Station in Pakistan and controlling measures

ZHANG Biyong1， XU Jun1， HOU Qinli2， CAO Daoning1

（1. Changjiang Geotechnical Engineering（Wuhan），Wuhan 430010，China;

2. Changjiang Survey， Planning， Design And Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： The sedimentary layered rock mass is widely distributed in the earth crust， most of which are soft and hard layered structures with distinct anisotropic feature. The rock mass with different layer thicknesses could greatly impact the slope stability. Taking the soft and hard layered slope with gentle dip at Karot Hydropower Station as an example， the structure， mechanical features and groundwater distribution of the rock mass and the related influence on excavated slopes are studied. The main stability loss and failure modes of natural and excavated slopes of the rock mass are summarized and the causes are analyzed. The controlling measures are provided， which could be referred by similar projects.

Key words： slope deformation; slope control;  soft and hard layered rock mass; Karot Hydropower Station; Pakistan