基于監測數據的邊坡變形破壞形式分析

李慶鴻， 陳志堅 ， 荀志國

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京210098)

某一級水電站工程位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪中下游，壩址位于龍崗鎮某村下游2 km，距臨安縣城87 km，距杭州市140 km。廠房位于龍崗鎮蕎麥嶺村對岸，距壩址約11 km。工程以發電為主，兼有防洪作用。水庫正常蓄水位444 m，汛期限制水位442 m，總庫容8 257 萬m3。

在工程建設期間，遇到了嚴重的邊坡穩定性問題:

1)在廠房一期開挖過程中，廠后邊坡曾發生過小規模坍滑。

2)2#平洞洞口段由于地質條件較差，曾發生過冒頂，塌方。

3)2007 年7 月廠區出現持續強降雨，廠后坡高程約280 m 處邊坡產生溜坡，馬道上發生局部坍塌，形成深約3 m，直徑約3 m 的塌坑。

4)2008 年5—6 月持續的降雨中發現250 m 馬道有沉陷和外鼓現象;原坍滑體下部擋墻頂錯位;上部截水溝有裂縫出現;廠后邊坡下游側有局部“溜皮”。

5)在邊坡地質勘察和摸排上部邊坡時，發現坡面裂縫較多，延伸較長，情況比原預期嚴重。

6)已有的監測數據表明，當遭遇長歷時降雨時，邊坡變形問題突出。

鑒于問題的復雜性，從2008 年11 月開始，利用已有的勘探鉆孔，安裝埋設監測儀器，于2009 年4月利用勘探鉆孔和平洞，建立了完善的監測網，利用目前最先進的監測技術，對邊坡的穩定性展開實時監控。

文中以外部變形的精密光學觀測技術所測得數據來推斷廠房后邊坡的變形破壞機理。

1 邊坡潛在的破壞形式

1.1 廠房后邊坡的物質組成和結構

根據鉆孔、平洞和豎井資料分析，廠房后邊坡的物質組成和結構特征可分為以下3 種［1］:

1)覆蓋層:邊坡淺表層為第四系崩積和坡積物，厚度一般為15 ～20 m，主要由淺黃色粉質黏土(局部夾碎塊石)組成。邊坡中、下部的第四系崩坡積層為孤石與粉質黏土夾雜分布，孤石塊徑2 ～9 m，層厚10 ～16 m。

2)基巖變形體:巖體呈碎裂結構，局部呈充填次生夾泥的散體結構。巖體松動變形強烈，架空現象普遍，巖體中的構造結構面產狀發生較大變化，部分裂隙充填次生夾泥，夾泥厚度可達10 cm。

3)基巖:根據鉆孔、豎井和平洞揭露的情況，邊坡基巖為侏羅系上統黃尖組(J3h)熔結凝灰巖，鉆孔巖芯多呈長柱狀，局部呈碎塊狀和短柱狀，巖體較完整，巖性堅硬，為弱、微風化巖石。

1.2 邊坡潛在的破壞形式

現場調查表明，邊坡區可能出現的邊坡破壞形式有以下幾種:

1)坡面表層滑動破壞:因本地區降雨集中，雨量豐沛，因此存在不同程度的坡面局部滑動，俗稱“溜皮”。

2)殘坡積物坍塌:邊坡區坡面坍塌體積一般在5 ～10 m3，最大者可達20 ～50 m3。

3)邊坡滑動破壞:如上所述，由于邊坡巖體中發育有緩傾角的、傾向坡外的次生夾泥層，當其與陡傾角的北東向和北西向斷層和裂隙、卸荷拉裂帶以及臨空面構成不利組合時，容易產生滑動破壞。現場調查和分析表明，一級廠房后邊坡存在多級滑動的可能。

2 外部變形觀測方案及地表變形觀測結果

2.1 外部變形觀測點及方案

2.1.1 外部變形觀測點的布置 根據變形體范圍及工程實際情況，本項目在滑坡區范圍共布設14 個位移觀測點，在邊坡對岸布置觀測基點2 個。觀測點的布置如圖1 所示。

圖1 地表變形監測點布置Fig.1 Layout of the monitoring points on the surface deformation

2.1.2 外部變形觀測方案 所有位移測點均采用三維坐標法觀測平面X，Y 2 個方向(以邊坡主滑動方向為Y 向)和高程H 的三向位移量。根據極坐標法的特點，并結合本工程實際情況，現場變形觀測方案選用極坐標法加EDM 三角高程法進行［2］。

2.2 地表變形觀測結果與分析

2.2.1 坡面變形合位移方向的統計分析 精密大地測量技術以其能夠提供邊坡整體的變形狀態的優點而被普遍采用。外部變形觀測值雖然可能存在觀測誤差，但也反映殘坡積層內部的穩定情況，還可能反映殘坡積層沿基巖面的穩定性，甚至反映基巖變形體的穩定性［3］。實踐表明:

1)觀測誤差無論是位移值還是位移方向，都具有一定的隨機性，同一測點不同測次的位移值通常不具有累進性，位移方向不具有一致性;同一測次不同測點的位移分布和位移方向也不具有一致性。

2)殘坡積層內部變形導致的坡面位移具有如下特點:如果是降排水導致的殘坡積層固結沉降，則合位移的傾角很陡;如果是殘坡積層的剪切滑移，則滑動面受最大剪應力面控制。水平合位移的方向在較大程度上取決于坡面的傾向，同一測點不同測次合位移的傾角變化取決于圓弧滑面的曲率變化［4］。

3)殘坡積層沿基巖面剪切滑移導致的坡面位移具有如下特點:水平合位移的方向在較大程度上取決于基巖面的傾向，合位移的傾角取決于基巖面的傾角。

4)基巖變形體沿緩傾、順傾泥化夾層剪切滑移導致的坡面位移具有如下特點:水平合位移的方向在較大程度上取決于泥化夾層的傾向，合位移的傾角應與泥化夾層的傾角具有一定相關性［4］。

基于上述分析，試圖通過坡面位移的統計，查清某一級廠房后邊坡變形破壞的機理以及發展趨勢。

2.2.2 坡面變形水平合位移的方位角及合位移的傾角 根據每測點89 次測次的實測數據，首先求得坡面變形的水平合位移及其方位角，然后再根據沉降的觀測結果，進一步求得合位移及其傾角。以5° 或10° 為統計間隔，得到除廠房頂部的2 個測點(測點編號為13#和14#)外的所有15 個測點的水平合位移方位角及合位移的傾角分布如表1 所示。

表1 中傾角正值表示俯視角，負值表示仰角，角度在－90° ～90° 范圍內變化。

表1 地表變形合位移方向與坡面、基巖面、泥化夾層產狀關系匯總Tab.1 Summary of the relationship between the surface deformation and the displacement direction with the slope surface，the bedrock surface，and the mud and chemical interlayer

2.2.3 地表變形合位移方向與邊坡結構的相關性關系 調查研究表明，某廠一級廠房后邊坡的原始結構為陡傾反向坡，邊坡巖體中發育的結構面主要為與坡面近平行的、傾向坡外的陡傾角構造裂隙和斷層，原生結構面，尤其是緩傾角結構面欠發育。由于受到強烈的卸荷、傾倒變形的次生改造作用，陡傾角裂隙產狀發生較大變化，陡傾、反傾的裂隙傾角變緩，而且越靠近臨空面，傾角變緩越多，并普遍充填次生夾泥;受陡傾、反傾裂隙切割的巖體呈板狀，這些堅硬的脆性板狀巖體在傾倒變形過程中，其中下部產生彎曲折斷，形成延伸短、連續性差的緩傾角次生卸荷裂隙，且由于強烈的卸荷和傾倒變形作用，巖體結構松動、架空，滲透性劇增，給地表水入滲和地下水溶濾作用創造了條件，從而導致上述緩傾角次生卸荷裂隙普遍充填次生夾泥，平洞揭露的次生夾泥厚度甚至可達10 ～15 cm。隨著卸荷、傾倒變形作用的不斷加劇以及地下水作用的增強，邊坡巖體存在沿這些斷續分布的緩傾角次生夾泥產生整體滑動破壞［5-6］。由于卸荷和傾倒變形屬于外動力地質作用，故在邊坡的不同部位，陡傾角次生夾泥和緩傾角次生夾泥的產狀存在較大的差異。根據平洞調查資料，邊坡各部位的次生夾泥分布情況如下所述:

1)邊坡上部:大致高程為370 ～466 m，調查資料來源于PD1 平洞。主要發育有2 組次生夾泥，其中陡傾角的次生夾泥為NW 向，產狀為300° ～310°/SW∠40° ～70°，充填次生黃色流塑黏土(部分呈泥漿狀)，厚度10 ～20 cm。分布于樁號55 ～130 m;緩傾角次生夾泥為NNW ～近SN 向，產狀變化較大，為310° ～10°/NE(SW)∠10° ～30°，充填次生黃色黏土和碎屑，寬度一般為1 ～5 cm。次生夾泥傾向、傾角玫瑰花圖如圖2 所示。

圖2 邊坡上部次生夾泥傾向傾角玫瑰花示意Fig.2 Inclined angle rose diagram of the secondary mud inclination in the upper part of the slope

2)邊坡中下部:大致高程為250 ～370 m，調查資料來源于PD2 平洞。其中陡傾角NW 向次生夾泥產 狀 變 化 較 大， 可 大 致 分 為 2 組:300° ～310°/NE∠45° ～ 60°(樁號0 ～ 40 m 多見)和300° ～310°/SW∠50° ～70°(樁號40 ～85 m 多見)，均充填次生黃色黏土(局部呈泥漿狀)，厚度1 ～3 cm。此外，陡傾角結構面中還有1 組產狀為300° ～310°/SW(NE)∠80° ～90° 的張開裂隙。這組裂隙的產狀更接近原構造裂隙，但經歷了強烈的卸荷作用，張開寬度可達30cm，僅局部充填次生黃色流塑黏土;緩傾角次生夾泥的產狀為280° ～310°/NE∠20° ～30°，充填次生黃色流塑黏土(局部呈泥漿狀)，厚度1 ～5 cm，局部與陡傾角夾泥裂隙交匯處，夾泥厚度可達10 cm，分布于樁號30 ～72 m。上述次生夾泥大多為純泥型，呈可塑、流塑狀。次生夾泥傾向、傾角玫瑰花圖［7］見圖3 所示。

圖3 邊坡下部次生夾泥傾向傾角玫瑰花示意Fig.3 Inclined angle rose diagram of the secondary mud inclination in the lower part of the slope

3)邊坡底部:大致高程為232 ～250 m，調查資料來源于PD3 平洞。由于受河床面約束，邊坡底部的卸荷，尤其是傾倒作用減弱，故平洞內很少見有緩傾角的次生夾泥;陡傾角次生裂隙、夾泥產狀為310° ～320°/SW∠50° ～80°，其傾角也較邊坡中部和上部陡，更接近于原構造裂隙的產狀，裂隙中可見厚度1 ～5 cm 的次生黃色黏土充填，但次生夾泥充填率普遍減少。

將上述坡面變形水平合位移優勢方位角和合位移優勢傾角的統計結果以及坡面、基巖面及次生夾泥產狀的統計結果匯總于表1，通過合位移優勢方位角和傾角與坡面、基巖面、結構面傾向傾角的對比分析，根據它們的吻合度并結合殘坡積層的厚度，可對邊坡各部位變形破壞的成因做如下分析:

1)邊坡上部1#測點的變形情況受剛性大的調壓井影響較大，故沉降不明顯、合位移的傾角不具代表性。2#測點和3#測點坡面變形合位移優勢方位角雖然與基巖面傾向吻合度也較高，但其傾角明顯大于基巖面傾角，而且坡積層很薄。故根據坡面變形合位移優勢方位角和傾角均與緩傾角次生夾泥的傾向和傾角存在較好的一致性，而推斷該區域的變形破壞機理為卸荷帶巖體沿緩傾角次生夾泥產生蠕滑。

2)邊坡中上部4#～8#測點實測的坡面變形合位移優勢方位角和傾角方向均與緩傾角次生夾泥的傾向和傾角存在較高吻合度，故推斷該區域的變形破壞機理為卸荷帶巖體沿緩傾角次生夾泥產生蠕滑。但該區域殘坡積層較厚，坡面較陡，坡面變形合位移優勢方位角與坡面傾向存在較高吻合度，而合位移優勢傾角與坡面傾角吻合度很差，故該區域存在殘坡積層內部產生剪切滑移(圓弧滑動)破壞的可能。

3)邊坡中下部9#～12#測點實測的坡面變形合位移優勢方位角和傾角方向均與基巖面的傾向和傾角存在較高吻合度，而且該區域殘坡積層較厚、基巖面傾角最陡(達38°)，故推斷該區域的變形破壞機理為殘坡積層沿基巖面的蠕滑。但該區域坡面變形合位移優勢方位角和傾角方向均與緩傾角次生夾泥的傾向和傾角存在一定吻合度，結合平洞揭露的卸荷帶發育情況看，該區域巖體卸荷最嚴重，故不排除卸荷帶巖體沿緩傾角次生夾泥產生蠕滑的可能。

4)邊坡底部由于布置了大量錨筋樁，故15#～17#測點實測的坡面變形合位移優勢方位角和優勢傾角不明顯，合位移方向較為零亂，不具累進性和一致性，故推斷該區域的變形破壞機理為殘坡積層內部產生的蠕動變形。

3 結 語

1)華光潭一級廠房后邊坡存在3 種潛在的變形破壞形式，即殘坡積層內部的圓弧滑動破壞、殘坡積層沿基巖面的蠕滑破壞、卸荷帶巖體追蹤緩傾角次生夾泥產生整體滑動破壞。

2)通過坡面變形合位移優勢方位角和傾角與坡面、基巖面、結構面傾向傾角對比，可以推斷華光潭一級廠房后邊坡各部位的變形破壞機理，其中邊坡上部為卸荷帶巖體追蹤緩傾角次生夾泥產生整體滑動破壞;邊坡中上部為卸荷帶巖體追蹤緩傾角次生夾泥產生整體滑動破壞，但不排除殘坡積層內部產生剪切滑移的可能;邊坡中下部為殘坡積層沿基巖面蠕滑，但不排除卸荷帶巖體追蹤緩傾角次生夾泥產生整體滑動破壞;而經過錨筋樁等加固的邊坡底部，則主要表現為殘坡積層的蠕動變形。

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