小水電工程邊坡穩定影響因素綜述

孫國偉

(黔南州電力建設管理站,貴州都勻 558000)

小水電工程邊坡穩定影響因素綜述

孫國偉

(黔南州電力建設管理站,貴州都勻 558000)

黔南地區碳酸鹽巖廣布,碎屑巖則分布其間,受河流的侵蝕切割,地表起伏大,地貌類型復雜多樣,地質災害常見,邊坡失穩(崩塌、滑坡等)便是其現象之一。在小水電工程建設和運行過程中,其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩定問題,文章從工程地質角度入手,重點闡述影響邊坡穩定的因素,據此并結合實際對邊坡進行分類,從而提出防范邊坡失穩之對策措施。

黔南小水電 邊坡穩定 影響因素 分類與措施

1 概述

黔南地區屬喀斯特地貌的典型分布區，碳酸鹽巖廣泛發育，出露面積約占總面積的73%。該區屬熱帶濕潤季風氣候，具有濕熱多雨的特點。區內經歷過多期地殼運動，地質構造以“川黔南北向構造”為基本骨架，亦有北西向、北東向、北北東向構造及近東西向弧形構造。受河流的侵蝕切割，地表崎嶇不平，海拔高程303m—1961m，屬中低山盆谷地區，具有山原的特點，地形地貌類型復雜多樣。在該區興建小水電工程，其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩定問題，邊坡失穩破壞是一種地質災害，邊坡內部結構和物質組成等的不同，造成邊坡破壞的類型亦不同。目前邊坡穩定分析方法眾多，就工程地質角度而言則多以定性分析為主，必要時進行半定量或定量分析。通過工程地質勘察，對影響邊坡穩定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩的力學機制的分析，對邊坡的穩定性狀況及發展趨勢作出分類和評價并提出確保邊坡穩定之對策措施。

2 影響邊坡穩定性的因素

影響邊坡穩定性的因素歸納為環境因素(地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質、自然地理現象等)和工程因素(工程措施、施工條件、運行管理等)。

2.1 巖石性質和巖體結構

巖性包括巖石的化學水理和物理力學性質。巖石在飽和水條件下的力學強度是影響邊坡穩定的重要因素。在堅硬和半堅硬的巖石中，巖性對邊坡的穩定性影響不是最主要的；塑性巖石以及吸水易膨脹的巖石等，通常具有風化速度快，力學強度低以及遇水軟化、崩解、膨脹等特性，可明顯降低滑面處巖石的抗剪強度。

巖體結構包括結構面和結構體。結構面系指具有方向、規模、形態和特性的面、縫、層等各種地質界面。結構體系指各結構面切割巖體的單元巖塊。巖體結構系指結構面和結構體的特性以及它們之間的排列組合。結構面之諸因子均影響邊坡的穩定，邊坡失穩皆因不利組合體沿底滑面向臨空方向產生滑動、張裂、崩塌和蠕動變形等。影響邊坡穩定的巖體結構因素如下：

(1)結構面的傾向和傾角：同向邊坡的穩定性較反向邊坡差，在同向邊坡中結構面傾角小于坡角屬不穩定型邊坡。(2)結構面的走向：當結構面傾向和走向與坡面平行或兩者走向夾角很小時，整個坡面都具有臨空自由滑動的條件，對邊坡的穩定最為不利。結構面走向與邊坡走向夾角愈大，對邊坡的穩定愈有利。(3)結構面的組數和數量：結構面的組數和數量，直接影響被切割巖塊的大小，它不僅影響邊坡的穩定性，亦決定邊坡變形破壞的形式。(4)結構面的連續性：在邊坡穩定計算中，是把結構面假定為連續的，而實際情況往往并非如此，所以解決實際工程問題時，應認真研究結構面的連續性。

(5)結構面的起伏差和表面性質：在結構面上正應力低的情況下，起伏差使有效摩擦角增大；正應力過大，在滑動過程中不允許因為爬坡而產生巖體的隆脹時，則出現滑動的條件必須是剪斷結構面上互相咬合的起伏巖石，因而結構面的抗剪強度。如果結構面上充填的軟弱物質的厚度大于起伏差的高度時，就應當以軟弱充填物的抗剪強度為計算依據。(6)軟弱結構面：軟弱結構面主要指巖體結構面充填有一定厚度的抗剪強度低、可變性大的軟弱充填物質或地質形成的軟弱夾層，是巖體中最薄弱的環節，是控制巖體變形破壞的關鍵。巖體侵水后，軟弱面的軟化系數明顯下降。

2.2 地質構造

地質構造因素，包括區域構造特點、邊坡地段的褶皺形態、巖層產狀、斷層和節理裂隙發育特征以及區域新構造運動活動特點等。一般來說，邊坡巖體經受的構造變動的次數愈多，愈強烈，巖層的節理裂隙就愈發育，邊坡的穩定性也就愈差。況且地質構造通常與水、風化等因素共同影響邊坡巖體諸特性，故地質構造對邊坡穩定，特別是對巖質邊坡穩定的影響是十分明顯的。例如，緩傾角順向斷裂可構成底滑面、陡傾角斷裂可構成橫向、縱向切割面或臨空面(壓縮變形帶)。

2.3 水的作用

水對邊坡的穩定性影響顯著。在水下透水邊坡將承受水的浮托力作用，而不透水的邊坡坡面將承受靜水壓力，處于充水的張開裂隙將承受裂隙水壓力，地下水的滲流活動則將對坡體產生動水壓力；另外水對邊坡巖體還具有溶解、軟化、沖刷等作用。這—切都將使巖體松散、破碎并不同程度地增加巖體結構面的貫通性和透水性等，直接影響邊坡的穩定平衡現狀，從而導致邊坡變形與破壞。

2.4 風化作用

風化作用使得巖體化學水理和物理力學性質發生質變。巖體的巖性、強度、結構等特性進一步惡化，從而降低了邊坡的穩定性，提升了邊坡變形與破壞的可能性。而且風化程度越，穩定坡角越小，邊坡穩定性就越差。

2.5 其它因素

大爆破和機械振動都可能引起邊坡應力的瞬時變化；長期的開采爆破也可以使巖體產生疲勞效應；地應力也是控制邊坡巖體節理裂隙發育及邊坡變形特征的重要因素；邊坡高度、長度、平剖面形態、邊坡的臨空條件以及運行管理、氣候條件、植物生長等都會影響邊坡的穩定。

3 邊坡工程地質分類

黔南地區邊坡多由變質巖(板巖)、沉積巖(碳酸鹽巖、碎屑巖)、殘坡積巖(粘土、碎石土)等組成，小水電工程邊坡依據其巖性、層厚、結構面、產狀、坡度、坡高等組合特征并結合實際分類如下：

3.1 巖質邊坡

(1)塊體結構邊坡：坡體由巨厚層塊狀巖石組成，邊坡一般較穩定，屬穩定型邊坡。但應注意不利結構面組合以及結構面充填、風化、水等因素的不利影響。(2)層狀同向緩傾結構邊坡：坡體由堅硬層狀巖石組成，坡面與層面同向，坡角大于巖層傾角，巖層層面被坡面切斷，其組合特征不利于邊坡穩定，屬欠穩定型邊坡。若巖層中有軟弱夾層，在風化、水、開挖、爆破等因素的影響下，易產生順層滑動、張裂變形等。(3)層狀同向陡傾結構邊坡：坡體由堅硬層狀巖石組成，坡面與層面同向，坡角小于巖層傾角，巖層層面未被坡面切斷，其組合特征有利于邊坡穩定，屬穩定型邊坡。但應注意不利結構面組合等因素的影響，尤其是薄層巖層或軟弱夾層分布的坡體，因開挖可能誘發邊坡傾倒、蠕動變形等。(4)層狀反向結構邊坡：坡體由堅硬層狀巖石組成，坡面與層面反向，其組合特征有利于邊坡穩定，屬穩定型邊坡。但應注意不利因素影響其張裂、傾倒變形等。(5)層狀斜向結構邊坡：坡體由堅硬層狀巖石組成，坡面走向與巖層走向呈一定夾角，其組合特征有利于邊坡穩定，屬穩定型邊坡。但應注意不利因素影響其崩塌、楔狀滑動變形等。(6)碎裂結構邊坡：坡體由堅硬巖石組成，但被強烈發育之不規則結構面切割成碎裂狀，其組合特征不利于邊坡穩定，屬不穩定型邊坡。在水、開挖、爆破等因素的影響下，易產生崩塌、坍滑變形等。

3.2 土質邊坡

坡體由土體(粘土、碎石土)組成，以粘粒為主或以碎石、砂礫土為主，其結構松散、強度低、易軟化、崩解、膨脹等特性不利于邊坡穩定，屬不穩定型邊坡。例如高陡邊坡，開挖后若自然條件進一步惡化，更易產生整體滑動變形等。再如庫岸邊坡因庫水驟降，亦易誘發坍塌、滑坡變形等。而溝谷段渠道邊坡因輸水或地表水、地下水作用可能引起變形滑動。

3.3 混合邊坡

邊坡下部由巖體組成，而邊坡上部則由土體組成；或邊坡下部由土體組成，而邊坡上部則由巖體組成。其結構組合特點不利于邊坡穩定，屬欠穩定型邊坡。在土體與巖體接觸帶地下水活動頻繁，風化作用 強烈，若上部為高陡邊坡，而接觸面與坡面同向，且傾角較大時，易產生土體滑動或巖體崩塌。

4 邊坡穩定處理措施

在小水電工程勘察、建設和運行過程中，從庫區到廠區，其樞紐各建筑物均會遇到邊坡穩定問題，依據其影響因素分析和邊坡工程地質分類對邊坡變形破壞類型作出定性判定，以預防為主，爭對性防范治理為原則，就邊坡穩定提出如下處理措施：

4.1 穩定型邊坡的處理

穩定型邊坡包括塊體結構邊坡、層狀同向陡傾結構邊坡、層狀反向結構邊坡和層狀斜向結構邊坡(Ⅰ、Ⅱ級)。當存在不利結構組合和施工方法不當時，邊坡局部失穩不可避免，它可能會以松弛張裂、傾倒、蠕動、局部崩塌或楔狀滑動等變形破壞形式出現。處理措施應視實際情況：(1)對可能局部拉裂崩塌或楔狀滑動的塊體結構或斜向結構邊坡 釆取錨固，必要時適當清除等措施；(2)對可能松弛張裂的陡傾或反向結構邊坡 釆取加固、防滲或排水等措施；(3)對可能彎曲傾倒或蠕動的陡傾或反向邊坡 釆取削坡、錨固，坡高時設置馬道等措施。

4.2 不穩定型邊坡的處理

不穩定型邊坡包括層狀同向緩傾結構邊坡、碎裂結構邊坡、土質邊坡和混合邊坡(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級)。不穩定型邊坡的巖土體結構或存在不利組合，或自身松散等特性，在不受干擾的情況下通常處于自然穩定臨界狀態。在其它環境或工程因素的影響下，穩定平衡便發生變化，邊坡失穩不可避免。它可能會以順層滑動、蠕滑、崩塌、坍滑、坍塌、滑坡、蠕動和錯落等變形破壞形式出現。處理措施應視實際情況：(1)對可能順層剪切滑動或蠕滑的滑面采取挖除、回填、錨固、支擋和排水等措施；(2)對可能拉裂崩塌或坍滑的碎裂結構邊坡采取適當清除、噴錨和排水，并按穩定坡角開挖等措施；(3)對可能剪切滑坡、坍塌、蠕動的(粘土、碎石土)土質邊坡采取按穩定坡角開挖、削坡壓腳、內外排水和監測調度等措施；(4)對可能剪切滑動、坍滑和錯落的混合邊坡采取按穩定坡角開挖、設置抗剪墻或承重墻、防水和排水等措施。

5 結語

小水電工程依其建筑和功能等特點，所涉及的邊坡穩定影響因素不少、范圍不小，突顯探討邊坡穩定問題之重要。本文從工程地質角度入手，重點闡述影響邊坡穩定的因素，據此并結合實際對邊坡進行分類，從而提出防范邊坡失穩之對策措施。筆者認為該文章對地區小水電工程建設和發展具有參考價值或實用價值。

[1]《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》.(5337-2006)[S].2005.

[2]《中小型水利水電工程地質勘察規范》.(SL55-2005)[S].2005.

孫國偉(1959-),男,貴州甕安人,高級工程師,主要從事水利水電工程勘察設計及管理工作。