基于河道演变的边坡变形破坏机制分析

蒲进 张丙先 任志勇 高志林

收稿日期：2023-09-09

基金项目：

中国大唐集团有限公司科研项目“西藏扎拉水电站工程区弱胶结卵漂石混合土工程特性及边坡稳定性研究”（CWEME-2404XZ-F002）

作者简介：

蒲  进，男，高级工程师，主要从事工程管理工作。E-mail：157591171@qq.com

引用格式：

蒲进，张丙先，任志勇，等.

基于河道演变的边坡变形破坏机制分析

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：33-37.

摘要：

西藏扎拉水电站导流隧洞进口边坡施工开挖过程中揭露了反常变形破坏现象。为了给边坡治理提供依据，根据该段边坡的地形地貌、岩土结构特征，考虑河道演变过程对边坡形成及发展的影响，分析了边坡变形破坏的机制。结果表明：与单侧临空面的边坡不同，导流隧洞进口边坡的变形受河道演变过程的影响，古河道期间，岩层向古河道（现代岸坡内侧）发生倾倒变形，形成弯曲带；现代河道形成过程中，切割坡体促使弯曲带岩体折断、破碎，成为弯折带；施工开挖切穿弯折破碎带，导致边坡浅层岩体发生外鼓变形、顺层滑移。该工程经验及分析思路可供类似工程借鉴。

关键词：

岩质边坡； 板岩； 倾倒变形； 顺层滑移； 河道演变;  扎拉水电站

中图法分类号：TV221.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.006

文章编号：1006-0081（2024）06-0033-05

0  引  言

西藏扎拉水电站为Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式开发，挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高70 m，引水发电建筑物主要由引水隧洞和地面电站厂房组成，引水线路长约5.5 km。导流隧洞布置在坝址左岸，进口边坡下部由薄层状板岩组成，岩层陡倾坡外，根据施工开挖过程揭露，岩层出现向坡内弯折变形、岩体破碎现象，坡面部分岩体还发生了外鼓变形、顺层滑移。

陡倾薄层状板岩组成边坡的常见变形模式是倾倒。部分学者进行了相关研究：谭儒蛟等［1］揭示边坡变形岩体是重力弯曲蠕变为主导的成因机制；王飞等［2］研究发现倾倒体是斜坡岩体在叠加有残余构造应力的自重应力场中长期演化的产物，软硬相间的岩性组合、陡倾内的岸坡结构，加之垂直层面密集节理的切割是斜坡发生倾倒变形的控制性因素；李高勇等［3］指出整个倾倒体的演变具有长期性、累进性和阶段性的特征；李彦奇等［4］研究得出坡体倾倒变形破坏全过程为层间先出现相互错动，然后边坡自坡脚部位开始出现弯曲变形，随后坡体后缘出现拉张裂缝，与此同时边坡整体向临空面弯曲倾倒，最终形成2个或3个破坏面。

关于类似地质结构边坡的破坏模式，杨肖锋等［5］研究了板裂结构顺层岩质边坡滑移-弯曲破坏机制的力学模型；潘坤［6］将某电厂后倾倒变形边坡的破坏模式归纳为蠕滑-拉裂式滑坡和蠕滑-拉裂式滑塌；骆波等［7］研究了倾倒体沿缓倾坡外的结构面发生整体滑动的破坏模式；孙云志等［8］研究了顺层陡倾特高人工边坡的浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏、压剪溃屈破坏、压裂滑移剪出破坏和随机块体破坏等几种边坡破坏模式。

相关研究工作，促进了对边坡倾倒变形的形成机制、演变过程和破坏模式的认识。边坡倾倒变形大多发生在现代河道等临空面（坡外侧）［9］，通常沿缓倾坡外的结构面发生破坏［7］。扎拉水电站导流隧洞进口边坡施工开挖揭露岩层向坡内弯折变形，与常见的向坡外的倾倒变形方向相反；岩层倾角大于或等于坡角，发生的顺层滑移也不符合常规认识。为了给边坡治理提供依据，根据导流隧洞进口边坡的地形地貌、岩土结构特征，考虑河道演变过程对边坡形成及发展的影响，本文对边坡变形破坏的形成机制进行分析，并提出治理对策与建议。

1  自然边坡工程地质特征

西藏扎拉水电站枢纽工程地处横断山脉高山峡谷区，河谷深切，边坡卸荷深度较大，河谷边坡大部分由薄层状板岩组成，岩层走向与河谷走向基本一致，两岸边坡为层状同向结构或层状反向结构，普遍发生倾倒变形。边坡岩层大部分向现代河道临空侧（坡外侧）倾倒，主要分为阶地前缘陡坎表层的倾倒折断型和Ⅱ级阶地以上中等坡度斜坡的倾倒弯曲型两种，其中弯曲型倾倒岩体底界水平深度达62～85 m。

如图1所示，导流隧洞位于坝址左岸，进口段自然边坡坡角45°～75°，坡高100 m左右。上部为土质边坡，坡高约55 m，地貌属Ⅲ级阶地前缘，岩性为第四系更新统冲积（Qpal）卵漂石，结构中密-密实；下部为岩质边坡，坡高约45 m，岩质边坡上部及河边出露基岩，其间覆盖崩积层；基岩为二叠系下统纳错群（P1nc）砂质板岩，呈弱风化状态，板理面倾向250°～260°，倾向坡外，倾角58°～86°，上缓下陡。勘探揭示Ⅲ级阶地下伏古河道，现代河道与古河道间山体较单薄（图2）。

1.第四系更新统冲积；2.二叠系下统纳错群；3.第四系与基岩界线；8.板理面产状；5.导流建筑物

弱风化状砂质板岩饱和抗压强度Rc=25～28 MPa，属软质岩。岩体抗剪断强度：黏聚力为0.70～0.80 MPa，摩擦系数为0.75～0.80。板理面抗剪断强度：黏聚力为0.05～0.10，摩擦系数为0.50～0.55。

导流隧洞进口段自然边坡高、陡，上部土质边坡结构中密-密实，下部岩质边坡岩层陡倾坡外，岩层倾角大于或等于坡角，除坡脚覆盖的崩积层表明边坡曾发生剥蚀、崩塌现象外，未发现自然边坡整体失稳迹象。

2  开挖边坡变形破坏现象

西藏扎拉水电站导流隧洞进口边坡高程2 779 m马道施工开挖过程中，揭露高程2 779 m附近岩层弯折、裂隙发育，岩体较破碎，坡面部分岩体出现顺层滑移、外鼓变形现象，如图3（a）所示。

岩层弯折带上部板理面倾向251°～260°，倾角58°～62°；下部板理面倾向250°～255°，倾角83°～86°；二者倾向基本一致，倾角相差25°左右（图2）。

坡面部分岩体沿岩层弯折、破碎带顺层滑移剪出后，滑移体出现明显的岩层折断、挠曲、外鼓现象，如图3（b）所示。

3  边坡变形破坏过程分析

根据现场调查，区内相同地质结构的边坡，甚至坡高、坡角大于该边坡的部位，岩体总体较完整，未出现类似的弯折、破碎等变形破坏迹象（图4），符合只要不出现切层，岩层陡倾坡外的边坡通常不会发生顺层失稳的规律。因此，导流隧洞进口边坡发生变形破坏的主要原因不在于边坡地形、地层岩性和地质结构，而在于河道演变过程的影响，即坡内Ⅲ级阶地下伏的古河道时期、现代河道下切过程以及目前的施工扰动。

根据西藏扎拉水电站导流隧洞进口边坡的地形地貌、岩土结构特征，判断该段边坡的变形破坏过程经历了以下3个阶段。

（1） 古河道时期的倾倒变形。如图5（a）所示，古河道时期，边坡在古河道侧临空，呈陡倾反向结构边坡，薄层板状岩层在自重荷载作用下产生弯矩作用，向临空方向发生类似悬臂板梁的弯曲变形，形成弯曲带，并产生层间滑移［10］，同时削弱了层间黏聚力。这种倾倒弯曲变形在工程区现代河道两岸普遍发育。岩体的自重是产生弯曲变形的主要荷载，古河道的下切提供了岩层弯曲变形的临空面和应力场。陡倾的薄层状板岩具有塑性变形的性质，在边坡应力场的作用下发生类似悬臂梁的弯曲变形。岩体为适应这种变形，在层间产生滑移，垂直层面发生拉张裂缝，越向坡外，变形越大，这是岩层的初期破裂。

（2） 现代河道期间的表生改造。随着河道演变，河道从左岸向右岸偏移并下切逐渐形成现代河道。随着现代河道下切，原古河道时期边坡的倾倒弯曲面被切穿，同时由于卸荷作用、风化作用和上部岩土体的自重作用，古河道时期形成的垂直层面的拉张裂缝进一步扩展，促使原有弯曲带附近岩体发生碎裂，形成弯折带，导致岩体较破碎，见图5（b）。

（3） 施工开挖期间的诱发失稳。施工开挖切穿了边坡弯折、破碎带，使上部岩体失去支撑作用，发生顺层滑移，滑移体受下部岩土体顶托，发生折断、挠曲、外鼓等现象，见图5（c）。

导流隧洞进口边坡岩层倾向坡外，但倾角大于或等于坡角，通常只要不出现切层，不会发生顺层滑移。倾倒变形产生的弯折、破碎带成为边坡的薄弱部位，但自然边坡能够保持整体稳定，表明弯折带岩体还具有一定强度。施工开挖切穿弯折、破碎带并加剧岩体破碎，形成剪出口，导致岩体发生顺层滑移。从现场变形迹象判断，这种破坏限于坡表或浅层。

导流隧洞进口边坡的变形破坏特征与顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏有相似之处，也有明显的差异。倾倒变形的主导成因是重力作用下的弯曲蠕变［1-2］，倾倒变形破坏过程中，层间先出现相互错动，然后边坡下部出现弯曲变形［4，11］。倾倒岩体的层面倾角明显缓于正常岩体［12-13］，倾倒体上部倾倒较为严重，中部倾倒程度随高程降低逐渐减弱，下部岩层倾角转变为正常值［3］。

在层状边坡岩体结构稳定性分析中，屈曲是针对岩体结构分岔变形而言的，是边坡岩体结构基本平衡状态附近的邻近平衡状态；溃屈是针对材料强度破坏而言，是岩体材料不稳定引起的结构整体失效［14-16］。溃屈破坏机理及过程［17-20］：在重力等荷载的作用下，薄板状的岩层沿层间挤压带启开，沿岩层方向发生轻微差异性层间错动。当坡脚附近无临空条件时，差异性层间错动受阻，因而在坡脚上部岩层发生轻微弯曲隆起变形，局部出现微弱的架空现象。随着荷载的进一步作用及岩层的蠕变，在层状结构面比较密集、层状体较薄时，坡脚处应力集中，滑移弯曲变形进一步加剧，弯曲的岩层形成类似褶曲的弯曲形态。

导流隧洞进口边坡上部岩层板理面倾角比下部岩层板理面倾角小约25°，具有明显的倾倒变形特征；施工开挖过程中，岩层发生了折断、挠曲、外鼓等现象，具有类似溃屈的破坏特征。

4  边坡治理对策建议

导流洞进口边坡呈上土下岩复合边坡，地形高、陡，岩层呈薄层状陡倾坡外，岩层倾角大于或等于自然边坡坡面，自然边坡整体基本稳定。但是，由于河道演变过程中边坡的倾倒变形，岩体内发育弯折、破碎带，层间黏聚力较弱，当施工开挖切层或扰动弯折、破碎带时，会造成坡体失稳。针对边坡的上述特点，主要提出以下治理对策。

（1） 上部土质边坡削坡减载，减小坡体荷载，同时提高上部边坡的稳定性。

（2） 鉴于滑移、变形岩体出现解体、架空迹象，建议清除已发生滑移、变形的岩体再进行边坡支护。

（3） 下部岩质边坡采取锚索、锚筋桩、系统喷锚支护和坡面整体挂网喷混凝土等措施，提高岩体的整体性和层间的黏聚力。

（4） 对已经开挖的高程2 779 m马道进行回填，严格按照规程规范要求“先锁口，再开挖”，自上而下分层开挖，逐层、及时支护，开挖过程中避免出现下部切层。

（5） 边坡加固完成后再进行洞口开挖；进洞开挖前，先进行洞口周圈锁口，确保洞口稳定。

（6） 开展边坡变形监测，根据监测结果动态调整支护设计，出现不稳定的迹象或发生滑坡、塌方时，及时采取应对措施。

5  结  论

扎拉水电站导流隧洞进口边坡表象上属于同向陡倾层状边坡，但在河道演变过程中，古河道时期，反向陡倾薄层状岩层向古河道侧发生倾倒变形，坡体中形成弯曲带；现代河道切割坡体，自重及卸荷等作用促使弯曲带附近岩体发生折断、碎裂。因此，边坡的稳定性分析应关注边坡所处的地质环境和形成过程，以避免仅根据常规认识造成误判。

对于陡倾薄层状软质岩边坡，无论是同向结构还是反向结构，由于其易发生倾倒变形，不宜进行大开挖，应以支护为主；而对于同向陡倾层状边坡，应严格遵守“自上而下分层开挖，逐层、及时支护”的施工顺序，避免因下部切层而造成边坡失稳破坏。

参考文献：

［1］  谭儒蛟，杨旭朝，胡瑞林，等.大型反倾库岸岩体变形过程及破坏机制数值模拟［J］.工程地质学报，2009，17（4）：476-482.

［2］  王飞，唐辉明.雅砻江上游互层斜坡倾倒变形破坏机制与演化［J］.工程地质学报，2017，25（6）：1501-1508.

［3］  李高勇，刘高，谢裕江.黄河上游某倾倒体的时效变形研究［J］.工程地质学报，2013，21（6）：835-841.

［4］  李彦奇，黄达，孟秋杰.基于离心机和数值模拟的软硬互层反倾层状岩质边坡变形特征分析［J］.水文地质工程地质，2021，48（4）：41-150.

［5］  杨肖锋，鲁祖德，陈从新，等.板裂结构顺层岩质边坡滑移-弯曲破坏机制的力学模型研究［J］.岩土力学，2022，43（增1）：258-266.

［6］  潘坤.某电厂后边坡岩体倾倒变形特征及失稳破坏模式分析［J］.水利水电快报，2019，40（1）：23-26.

［7］  骆波，湛书行，严克渊，等.云南苗尾水电站倾倒变形体边坡稳定性分析［J］.水利水电快报，2021，42（7）：27-33.

［8］  孙云志，苏传洋.500 m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式分析与开挖支护设计［J］.水利水电快报，2022，43（2）：17-20.

［9］  乔朋腾，张常亮，周潇朗.薄层状岩质边坡破坏机理及稳定性研究［J］.工程地质学报，2018，26（增1）：43-52.

［10］  刘海军，巨能攀，赵建军，等.层状岩质边坡倾倒变形破坏特征研究［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（6）：793-798.

［11］  邓天鑫，巨能攀，李龙起，等.陡倾顺层岩质斜坡动力倾倒变形机理研究［J］.水利水电技术，2017，48（12）：146-152.

［12］  屈新，王世新，徐兴倩，等.考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析［J］.人民长江，2023，54（9）：136-143.

［13］  赵华，李文龙，卫俊杰，等.反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究［J］.工程地质学报，2018，26（3）：749-757.

［14］  王佳运，石小亚.陡倾层状斜向岩层视向溃屈机制力学分析——以陕西山阳滑坡为例［J］.地质力学学报，2018，24 （4）：482-489.

［15］  梁专明，龚道民.软质岩顺层边坡非典型溃屈型滑坡机制初探［J］.自然灾害学报，2010，19（6）：31-39.

［16］  陈笑楠，张慧梅，周洪文.层状边坡岩体的屈曲和溃屈性态研究［J］.水文地质工程地质，2020，47（2）：141-147.

［17］  朱晗迓，马美玲，尚岳全.顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏分析［J］.浙江大学学报（工学版），2004（9）：43-48.

［18］  刘春香，朱元武.顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏分析［J］.地质灾害与环境保护，2014，25（1）：82-86.

［19］  朱冬林，聂德新，符文熹.溃屈型滑坡稳定性分析中三个问题的探讨［J］.地质灾害与环境保护，1999，10（4）：32-36.

［20］  王玉平，曹平.基于弹性理论的顺层边坡溃屈失稳分析［J］.西南科技大学学报，2007，22（3）：29-32.

（编辑：高小雲）

Analysis of slope deformation and failure mechanism based on river channel evolution

PU Jin1，ZHANG Bingxian2，REN Zhiyong1，GAO Zhilin2

（1.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China；

2.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Abnormal deformation and failure phenomenon were revealed during the construction and excavation of the entrance slope of diversion tunnel of Xizang Zhala Hydropower Station. In order to provide a basis for slope treatment，considering the influence of river course evolution on slope formation and development，the mechanism of slope deformation and failure was analyzed according to the topography，geomorphology and geotechnical structure characteristics of the slope. The results showed that the deformation of the slope at the inlet of diversion tunnel was influenced by the evolution of the channel，which was different from the slope with one side up in the air. During the ancient channel period，the rock strata toppled and deformed to the ancient channel （inside the modern bank slope），forming a curved zone. During the formation of modern river course，the rock mass in the curved zone was broken by cutting slope and became a bending zone. The construction excavation cut through the bending broken zone，resulting in external bulge deformation and bedding sliding of the shallow rock mass of the slope. The engineering experience and analysis ideas can be used as reference for the construction of similar projects.

Key words：

rocky slope； slate； toppling deformation； bedding sliding； channel evolution； Zhala Hydropower Station