库水作用下倾倒体变形特征及机制分析

王 雅 雯

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

中国西南地区水电站库区边坡在建设和开挖过程中一般整体稳定性较差，在库水位变化和降雨等因素的影响下易失稳破坏。以九寨沟县某水电站为例，对研究区倾倒体在蓄水、降水条件下变形特征和机制进行分析和研究，并对其稳定性变化作出评价［1-2］。

1 倾倒体特征

1.1 研究区基本地质条件

研究区位于四川省西北部九寨沟县境内，地处青藏高原的东南缘向川西高山峡谷地貌的过渡带，地貌类型属深切割高山侵蚀地貌。

研究区处于武都—文县弧形构造之间，为一被洋布梁子—大年断裂和塔藏—双河—何家坝断裂所围限的长条形玉瓦—南坪地块内。研究区附近武都弧形构造带、岷江断裂带和龙门山断裂带晚更新世以来具有不同程度的活动性，工程区与以上3个地震带的直线距离分别为70km、20km、200km，其中武都地震带和松潘—平武地震带影响较大。

研究区内河谷较狭窄，两岸地形高陡，坡度变化大，河谷多呈不对称的“V”型谷，右岸地形相对较缓，一般为35°～50°，植被发育；左岸多为陡崖，大多基岩裸露。右岸边坡地形连续无异常，受岸坡坡向变化，其中研究对象倾倒体部位为斜横向谷。右岸边坡为同一地层，无明显倾、折断等变形现象，未见对边坡稳定起控制作用的结构面和软弱带，岸坡岩体总体较为破碎，由坡面向坡内宏观表现为由碎裂结构渐变为层状—碎裂镶嵌结构［3］。

研究区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.15g，动反应谱特征周期为0.45s，地震基本烈度为Ⅶ度。

1.2 倾倒体形态规模

倾倒体位于水电站库区右岸导流放空洞闸门竖井外侧岸坡段，水库常水位2370m，倾倒体前缘位于常水位附近，其高程为2375～2530m，高155m，宽约160m，坡面倾向350°，坡度约40°～50°。若九公路高程为2375m，公路高程以上边坡大部分已进行了相应的支护（见图1）。

图1 研究区地形地貌

倾倒体坡表存在厚1～3m的崩坡积块碎石土，覆盖层结构松散，局部架空现象普遍。下伏基岩为二叠系下统黑河组中厚层砂岩夹薄层板岩，岩层褶皱明显，倾倒体下游侧岩层产状为N40°～60°W／NE∠70°～80°，倾倒体上游侧岩层产状为N20°～45°W／SW∠70°～80°；另有2组节理：①N50°E／NW°∠80°，间距30～40cm，延伸1～3m，大多张开，充填岩屑及泥膜；②EW／N∠40°～50°，间距40～50cm，断续延伸1～3m，微张或闭合，锈染，倾下游偏坡外。岩层陡倾向山里，边坡为逆向坡，坡面与层面、优势结构面关系见图2。

图2 研究区极射赤平投影

为了查明倾倒体的底部边界、变形破坏特征、结构特征等，进行了钻孔勘探，目前完成3个钻孔勘探。研究区倾倒体钻孔资料成果初步统计见表1。

表1 研究区倾倒体勘查成果统计

根据测绘与勘探资料，研究区倾倒体的工程地质剖面如图3所示。由图3可得，倾倒体平均厚度约60m，其中强卸荷倾倒变形区平均厚度约21m，弱卸荷倾倒变形区平均厚度约39m。

图3 研究区倾倒体工程地质剖面

1.3 倾倒体变形迹象

研究区水库蓄水后，坡体后部2515m高程位置有局部连续拉裂缝，拉裂缝位置在坡型上呈上缓下陡，拉裂缝以上坡度约30°，拉裂缝以下坡度约40°～50°。拉裂缝贯通，延伸长度约25～30m，最大宽度约10cm，最大深度约30cm，另局部有小裂隙出现。裂缝位置附近架空地形明显，架空高度约半米，最高可达1m，延伸长度约10m。局部有坐落式垮塌，边坡后缘多可见类似“台阶状”地形，据阶坎剖面揭示，坡面为粉土，厚度大于3m。

此外，导流洞竖井内也存在明显的变形迹象。2013年5月20日（库水位2321m），竖井2324m高程二次混凝土浇筑接触错台附近出现局部轻微变形；6月4日，2324m高程附近胸墙及外侧井壁混凝土开裂，错台面下部台向井内错动明显；6月10—25日竖井外侧壁线锤显示错台宽度增加1.23cm，随后对该段进行灌浆补强处理；7月18日项目部对竖井的外侧井壁、胸墙和下游侧井壁重新布点，7月18—24日，6d时间内竖井外侧井壁错台增加了4mm，竖井胸墙错台增加6mm，下游侧井壁错台增加5mm。2015年5月汛前检查过程中发现在原加固处理部位，再次发现变形破坏迹象。平板门竖井侧主要表现为内外侧门槽混凝土在2324m高程混凝土交界处上部向山外侧错动，形成错台约30～50cm（见图4）；胸墙及上游侧井壁变形破坏，多表现为钢筋弯曲，混凝土脱落内部钢筋弯鼓、混凝土交界处形成错台等；弧形闸门竖井侧由于采用钢拱加固，变形多见于钢衬之上，以钢梁扭曲、弯折为主。

图4 平板门竖井外侧门槽错台

分析认为，是由于蓄水导致闸门竖井2324m高程二次混凝土浇筑接触面附近从开始出现局部轻微变形逐渐形成最大宽度接近半米的错台［4］。竖井错台变形发生时间与库水位关系如图5所示。

图5 竖井内变形时间与蓄水阶段关系

2 倾倒体变形监测分析

此倾倒体变形监测共布设外观监测墩13个、多点位移计5个、测斜孔3个。以监测断面1-1′为例，此监测断面共布置有3个外观监测墩（DTP11、DTP19、DTP20）、1个多点位移计（M45）以及1个测斜孔（VE4），如图6所示。

图6 1-1’监测断面

2.1 外观监测墩

3个外观监测墩DTP19、DTP11、DTP20在坡表由低至高安装，其高程分别为2401m、2375m、2408m。由监测数曲线可得，外观监测墩变形趋势基本保持一致，蓄水期间加速变形，其中DTP11变形量最大达566.42mm，平均变形量达到500mm，变形速率达2.85mm／d。降水期间仍持续变形，变形速率稍有下降，如图7所示。

图7 外观监测墩位移-时间过程线

2.2 多点位移计

多点位移计成果计算是以最深测点为基准点，即假定为不动点。变形以向坡外为正，向坡内为负。由多点位移计M45各深度测点过程线的变化趋势可见，地表至深20m范围测点变形趋势基本一致，累计位移由表及里逐渐减小。起初倾倒体处于蠕变阶段，合位移速率小于0.3mm／d；2014年9月初至12月下旬，蓄水阶段坡体加速变形，最高速率达到2.7mm／d；2015年1月上旬库水位开始消落后，坡体仍加速变形，在2015年2月中旬即降水一段时间后累积位移达到最大，但变形速率略有下降，如图8所示。

图8 多点位移计M45位移-时间过程曲线

2.3 测斜孔

2014年7月15—2015年11月30期间（见图9），边坡倾向方向深部变形随时间的变化曲线。在2015年4月22三期蓄水前，VE4测斜孔中高程2324m即深度52.5m以下边坡有蠕变变形，位移速率极小可忽略不计；深度52.5m至地表范围产生朝向坡体外部明显变形，累计位移量约为280mm左右；三期蓄水开始后，边坡方向边坡变形加速，累计位移量达到610mm。整体合位移方向整体变形趋势是朝向坡外偏向上游侧变形。

图9 测斜孔深度-位移曲线

结合外观监测墩、多点位移计、测斜孔等仪器的监测成果表明：蓄水期间倾倒体加速变形，变形速率最大约2.7～2.85mm／d，降水期间仍持续变形但变形速率减小；倾倒体变形体深度约52.5m，整体变形方向朝向河流偏上游。

3 稳定性影响因素分析

影响倾倒体发生变形破坏因素很多，主因是库水升降和降雨作用，除此之外还受到地形地貌、地层岩性等内因以及地震等外力作用的影响。

3.1 库水位升降

库水位涨落过程中，岸坡岩体力学强度降低和应力状态改变直接影响了岩体结构完整性和坡体稳定性。库水位上升后，受地下水影响，岩体强度降低，特别是岩体中的软弱面，在水的浸泡下抗剪强度大幅下降；在力的作用方面，渗压效应引起滑动面上法向应力的降低，故抗剪性因水理弱化而降低。蓄水完成后，水位调节使地下水位产生显著动态变化，地下水水力坡度随之发生改变，从而产生动水压力或静水压力，这都可能给岸坡岩土体造成较大的负面影响。库水位下降时，若水位突然下降，库岸坡体所受浮托力突然减小，陷落压密，可能会激发高超空隙水压力，使抗剪强度急剧降低导致岸坡失稳。

3.2 降雨作用

坡表径流对岩体浅表层的浸湿，削弱了岩石力学强度，加速了风化程度的发展，导致岸坡浅表层岩体饱和、疏松。研究区岩体节理裂隙发育，利于雨水补给，在雨季大量降水直接沿裂隙灌入，水在裂隙面、节理面、岩层的薄弱面上入渗，同时产生并增大静水压力，使得岩土体软化、黏聚力降低，导致库区岸坡抗滑力下降。根据倾倒体现场取样并进行室内试验，测得饱和状态比天然状态下重度增大、抗剪强度明显减小，如表2所示。

表2 岩土体力学参数

3.3 地形地貌

临空面陡峻、陡崖高差大是易形成变形体的条件之一。倾倒体所在研究区黑河深切河谷，岸坡坡度约50°，高差155m，临空条件好，此类河谷深切割高山侵蚀地貌使得岸坡岩体卸荷作用十分强烈。陡峻的临空条件使岩体更易受到风化作用，造成较强的重力卸荷作用，不仅易形成平行于崖面的卸荷裂隙，也为岸坡变形体的形成提供势能场。

3.4 地层岩性

地层岩性以中厚层状砂岩夹薄层板岩或千枚岩为主，两类岩体存在岩性软硬差异、结构厚薄差异。板岩的高程度板裂化为倾倒拉裂提供了良好的基本条件，而砂岩的高强度使得其蓄能更多，在岩体卸荷后可以释放更多能量形成拉裂，使得边坡岩体更易发生倾倒变形破坏。岩层面倾向与坡面倾向夹角约50°～60°，不易发生破坏，但岩层面倾角为70°～80°，受外营力长期作用当节理裂隙面贯通情况下易发生向临空面方向的倾倒破坏。

4 倾倒体变形破坏机制分析

根据研究区倾倒体变形破坏特征、变形监测、钻探成果分析得出，研究区倾倒体的变形机制为“弯曲—拉裂”。此类斜坡变形破坏的形成条件，通常发生在近直立或陡倾坡内的中等（偏软）坚硬层状岩体或被陡倾节理分割的坚硬块状岩体中，层厚以中—薄层状为主。

结合库水位周期性变化，将研究区倾倒体的变形发展过程分为3个阶段。

（1）岩体初始变形阶段——卸荷变形：河谷下切初始阶段，边坡浅表部没有表现出明显变形，受到向临空方向的卸荷回弹的作用，浅表部岩层开始拉张，随着河谷的持续下切边坡卸荷持续发展。

（2）倾倒体变形发展阶段——弯曲拉裂：随着2013年3月下旬开始蓄水，边坡出现变形迹象；至2013年8月下旬库水位36h骤降48m期间，研究区边坡后部约2515m高程处出现拉裂缝，倾倒体从边坡浅表部向深部发展；在竖井以下2324m高程处发生明显错台变形。河谷下切给倾倒体提供了良好的临空条件，以中厚层砂岩（硬岩）夹薄层板岩（中硬～软岩）为主的岩层在自重应力及库水位升降的作用下，岩体力学性能降低，向临空方向倾倒弯曲，当岩层层面的抗拉强度小于受到的拉应力时，拉张裂隙会往深部发展逐渐贯通，层间错动同时发生，明显的拉裂缝产生。

（3）倾倒体变形加剧阶段——倾倒破坏：随着倾倒体的持续发展，作用于倾倒体深部的推挤力越来越大，岩层的重力矩也在不断增大，即根部持续向前推挤，浅表部覆盖层垮塌。由于岩性、岩体结构条件、地形地貌等内外因综合因素的影响，研究区倾倒体在库区蓄、降水阶段持续变形未收敛，后缘拉裂缝也有所发展。

5 稳定性评价与分析

基于刚体极限平衡原理，通过多种计算方法，对水库蓄水期间在天然工况常水位蓄水工况、暴雨、地震及其组合工况下的倾倒体进行稳定性分析［5］，具体如表3所示。

表3 蓄水阶段倾倒体稳定性计算成果（1-1’剖面）

从表3中可以看出，蓄水后（工况5～8）较蓄水前（工况1～4）倾倒体稳定性情况明显变差，在未蓄水状态下，地震＋暴雨时边坡处于前稳定状态，蓄水状态下，倾倒体稳定性均变差，且天然状态、单一的地震或暴雨工况、蓄水情况下震或暴雨时边坡处于基本稳定～欠稳定状态，在常水位蓄水且地震＋暴雨组合工况下有可能发生倾倒破坏。

6 结 论

（1）蓄水和降雨是倾倒体变形稳定性的主要影响因素，除此之外地形地貌、岩性组合、坡体结构、地震也会影响倾倒变形体的稳定性。

（2）“弯曲—拉裂”变形破坏通常发生在近直立或陡倾坡内的中等（偏软）坚硬层状岩体或被陡倾节理分割的坚硬块状岩体中，层厚以中—薄层状为主。此类斜坡变形破坏主要发生在斜坡前部，演变过程如下：陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展；弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂，弯曲体后缘出现拉裂缝，形成平行于走向的反坡台阶和槽沟；板梁弯曲剧烈部位往往产生横切板梁的折裂。

（3）今后遇到库区有类似倾倒体的边坡工程，可借鉴本研究的勘探手段，如：钻探、监测、平硐／竖井等，以及稳定性分析评价方法，了解其变形破坏机理，为后续应对和处理措施提供科学依据。