西南某水電站大型傾倒變形體穩定性評價與處理

劉 昌，王林維，李樹武，胡 華

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

西南某水電站位于云南省境內的瀾滄江上游河段上，電站樞紐工程為二等大(2)型工程，水庫正常蓄水位1 906.00 m，總裝機容量990 MW。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 909.50 m，最大壩高137.50 m。壩址區屬高山峽谷地貌，岸坡基巖裸露，出露二疊系上統下段青灰～灰黑色薄層狀砂質板巖、泥質板巖夾中厚層變質石英砂巖，呈單斜構造，巖層總體走向為N5°W～N10°E，傾向NE～SE，傾角75°～88°，與瀾滄江河谷走向近似正交。

右岸壩頂以上分布有大型傾倒變形體，傾倒體前緣高程約1 950 m，后緣已跨越右岸山梁(高程2 270 m)，順河向長約500 m，面積約11.6萬m3，總體積約230萬m3(其中強傾倒部分體積約140萬m3)。由于其下部布置大壩、中控樓、出線平臺及電站進水口等重要工程設施，其穩定性直接影響工程施工與運行的安全。因此，對其施工處理前后的穩定性進行評價，并采取必要的工程處理措施顯得尤為重要。

2 變形破壞特征

根據現場探硐和地面調查以及鉆孔揭露的巖體破碎情況，并結合邊坡巖體傾倒變形的特點、外界風化作用影響方式和范圍等分析，邊坡不同部位巖體的傾倒變形結構及破壞特征有所不同。傾倒變形體內巖層產狀為 N15°W ～N5°E、NE～SE∠40°～60°，傾倒方向垂直巖層向下游。巖層水平深度40 m范圍內傾角普遍在40°～50°之間，屬嚴重傾倒變形;水平深度40～100 m范圍內傾角大部分為50°～60°，屬弱傾倒變形。

變形破壞具備如下特征:淺表部巖體嚴重傾倒、拉裂;中部巖體拉裂、架空、解體;深部巖體彎曲拉裂、折斷變形;影響帶巖體拉裂變形。傾倒體邊坡巖體總的破壞特點是拉裂破壞。從勘探、調查的結果來看，整個右岸傾倒體并沒有形成一個完全貫通、連續的折斷面，這對傾倒體邊坡的穩定性是有利的。

3 成因機制及力學特征

3.1 地形地貌特征

電站壩址右岸發育1條規模較大的支流，該支流下游段與瀾滄江夾角約30°，切割深度200 m。受2條河流的切割，右壩肩邊坡形成了1個相對孤立的單薄山體，傾倒變形體發育于該孤立山體上，這種地形地貌特征有利于巖體卸荷、傾倒的發生。

3.2 巖體結構特征

大量的工程實例表明，傾倒破壞通常發生于層狀結構的巖質邊坡中［1-2］。因此，發生傾倒變形還有另外一個重要條件，即巖層的層厚條件，如果巖層較厚，則巖層本身的抗變形和彎折能力較強，巖體也不容易發生傾倒變形;如果巖層較薄，則其自身抗變形和彎折的能力較弱，在長期的地質年代過程中，巖體向臨空面卸荷以及自重作用下，則容易發生傾倒變形破壞。

右岸探硐巖層層厚大量統計表明，層厚小于20 cm的泥質板巖占比達84.5%，而層厚大于20 cm相對堅硬的變質砂巖僅占15.5%。總體上，傾倒體范圍內巖體由陡傾角薄層狀～互層狀泥質板巖構成。由于泥質板巖抗壓、抗剪等力學強度相對較低且為薄層狀結構，在卸荷回彈及自重作用下，容易向臨空方向產生傾倒～彎折變形，并在地表及內部形成拉裂縫。

3.3 右壩肩結構面的發育特征

(1)右壩肩裂隙優勢方位分析。右壩肩結構面統計見表1。從表1可知，右壩肩共發育4組優勢結構面。其中，①組最為發育，為順層發育的結構面，走向近SN向，與邊坡近正交，且傾向下游，導致巖體向下游方向產生傾倒變形;其次為②組，走向為近EW向，與右岸邊坡走向大致平行，在這組裂隙的切割作用下，巖體向山梁兩側更容易產生卸荷松弛。

(2)右壩肩拉裂縫產狀分析。右壩肩發育的拉裂縫主要分布在1 930 m高程以上部位。右壩肩探硐內出露的拉裂縫統計見表2，從表2可知，按產狀大致可以分為3組。其中，①、②組拉裂縫與表1中③、④組裂隙產狀基本一致;③組拉裂縫則沿巖層層面向下游方向拉開。上述跡象表明，巖體的傾倒變形首先是從卸荷拉裂開始，并沿巖體中最薄弱的部位(裂隙發育區)產生拉裂破壞，并使邊坡表部巖層發生錯位;隨著拉裂縫向巖體的縱深部不斷擴展，在深部與緩傾結構面相互切割形成局部塊體滑移，為后部巖層提供進一步傾倒變形的空間。

表1 右岸巖體優勢結構面統計 (°)

表2 右岸巖體優勢拉裂縫統計 (°)

3.4 綜合成因機制

壩址右岸單薄、突出的山體在地形地貌上為邊坡巖體提供了卸荷、傾倒的有利條件。傾倒體范圍內集中分布的陡傾薄層狀巖體為巖體傾倒變形提供了有利的物質條件。巖體中優勢結構面的方向及組合使巖體更容易產生拉裂破壞，在表面及內部形成大量拉裂縫，導致在邊坡上部出現拉裂縫;再加上緩傾結構面和陡傾結構面組合塊體的蠕滑作用，在后部陡傾結構面處也產生拉裂縫，在長期地質作用下形成目前的傾倒變形體［3-4］。

3.5 力學特性

為獲取傾倒變形體不同部位原狀芯樣，在鉆探中采用了SM系列植物鉆井液護孔取芯。為避免試樣在制作、搬運過程中擾動破碎，采用了“縮封固定技術”進行取樣。現場從鉆孔中取得了大量不同類型的巖芯，進行室內三軸試驗和直剪試驗。根據試驗結果，同時參考本電站壩基巖體力學參數中Ⅳ類巖體的強度參數指標，在考慮工程安全儲備后，確定了傾倒變形體不同部位巖體的抗剪強度參數(見表3)。

表3 傾倒變形體不同部位巖體抗剪強度參數

4 穩定性評價

4.1 定性評價

根據現場調查，右岸傾倒變形體邊坡整體上地形較為平整，邊坡表部發育幾條小規模的沖溝。從側面形態看，變形體邊坡整體上坡形整齊，坡度在40°～45°之間，坡面完整，無較大的起伏，未發現較大的拉裂縫，也無較大規模的變形垮塌跡象。以上表明，自然邊坡巖體自傾倒變形以來，未產生大的滑動、垮塌等變形破壞。宏觀判斷，傾倒體天然狀態下整體上是穩定的。

根據對傾倒變形體傾倒方向的分析結果，分別沿傾倒體傾倒方向和垂直河流方向進行穩定性計算。從剖面形態上看，邊坡在沿傾倒方向上坡度相對較緩，在垂直河流方向上坡度較陡。經穩定性計算，沿傾倒方向邊坡在各種工況下安全系數為1.42～1.81，邊坡整體穩定性較好;垂直河流方向為1.22～1.31，處于整體穩定狀態，但在暴雨工況下，安全系數為0.98～1.07，基本上處于極限平衡狀態，不滿足規范安全系數1.1的控制要求;地震工況下安全系數為1.03～1.12，安全系數裕度不足。

4.2 工程處理后評價

4.2.1 處理措施

傾倒變形體在暴雨工況下安全系數低于規范控制要求，地震工況下安全裕度不足，若產生滑移破壞則對工程建設及運行期不利。因此，從工程安全角度出發，需對傾倒體進行工程處理。

(1)施工期，對傾倒變形體進行清坡處理，清除表部覆蓋層及部分破碎巖體。在開口線附近設置被動防護網。

(2)在坡頂開挖線以外設置截水溝，馬道內側設置地面排水溝;開挖邊坡表面設置排水孔;將傾倒變形體內總長約600 m的4條勘探硐改建為排水洞，加強傾倒變形體的排水，提高其安全性。

(3)對清坡后的傾倒破碎巖體，采用混凝土板+系統錨索(1 000 kN，間排距4.0 m)進行支護加固處理。

(4)在邊坡開口線外及坡體設置了表面變形觀測、測斜孔、水平位移計等多種變形監測裝置，在施工及運行期對傾倒變形體進行安全監測。

4.2.2 穩定性復核計算

施工處理后，對傾倒體邊坡進行穩定性復核計算，計算方法仍采用極限平衡法［5］，計算剖面垂直河流方向，復核計算剖面見圖1。經穩定性復核計算，邊坡在正常運行、暴雨、地震各工況下的安全系數分別為1.35～1.36、1.16～1.17、1.16～1.15。右岸壩肩傾倒變形體在各種工況下的安全系數均滿足穩定性要求。

4.2.3 監測成果分析

為監測傾倒變形體開挖支護后的變形情況，在傾倒體邊坡設置1套GNSS系統，(共有9個監測點、1個解算基準點);8座表面變形觀測墩(與GNSS觀測點一一對應);4個測斜孔;在3個排水洞內安裝了14個靜力水準點及14支水平位移計，以觀測沉降及水平位移［6］。

GNSS觀測開始于2014年5月3日，各測點總體緩慢向河床偏下游變形，位移增長主要發生在2015年以前，之后增長趨勢變緩。截至2016年12月15日，傾倒體向河床偏下游方向累計水平位移為29.5 mm。表面變形測墩自2015年7月5日開始觀測以來，各點總體緩慢向河床偏下游變形，截至2017年1月9日，傾倒體向河床偏下游方向累計水平位移為6.5～18.9 mm。測斜孔最早于2014年5月25日取得觀測初值，截至2017年1月中旬，各測斜孔觀測數據基本遵循變形量自孔底向孔口逐步遞增的變形規律，2017年1月12日測得各孔孔口A向(主傾倒方向)累計位移測值為－5.6～8.8 mm，B向(垂直于主傾倒方向)累計位移測值為－6.2～13.6 mm。14個靜力水準點沉降變化觀測周期不長，初值于2016年7月15日才取得，目前數據的變化量不大，自觀測以來，各水準點累計沉降為－9.4～19.9 mm。14支水平位移計觀測周期不長，初值于2016年7月15日才取得，目前數據的變化量不大，累計變化為－0.05～0.54 mm。

總體上看，傾倒體變形方向為緩慢向河床偏下游變形，即主傾倒方向。自監測以來，總體變形量級不大，發生變形量較大時段主要在邊坡開挖期。從各項監測成果綜合分析看，總體上傾倒體邊坡處于穩定狀態。傾倒變形體邊坡開挖支護后形象見圖2。

5 結語

西南某水電站壩址右岸邊坡為單薄、相對孤立的山梁，陡傾薄層狀泥質板巖集中分布，巖層在卸荷及自重作用下沿優勢結構面產生拉裂、彎折破壞。巖體在長期變形破壞作用下形成了目前的變形體。

現場對傾倒體不同部位巖體取樣，通過室內試驗，獲得了較為可靠的抗剪強度參數取值。研究表明，傾倒變形體在暴雨工況下基本上處于極限平衡狀態，不滿足規范及設計要求，且在地震工況下安全系數裕度不足。工程處理后穩定性復核計算表明，傾倒變形體邊坡滿足規范要求，整體穩定。從多種監測成果綜合分析看，傾倒體變形方向為緩慢向河床偏下游變形，即主傾倒方向，變形量級不大，發生變形量較大時段主要在邊坡開挖期。

［1］張倬元，王士天，王蘭生．工程地質分析原理［M］．2版．北京:地質出版社，1994．

［2］汪小剛，賈志欣，陳祖煜，等．巖質邊坡傾倒破壞的穩定分析方法［J］．水利學報，1996(3):7-12．

［3］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國鐵道出版社，1994．

［4］余鵬程．瀾滄江苗尾水電站壩址區巖體傾倒變形特征及壩肩巖體穩定性分析［D］．成都:成都理工大學，2007．

［5］黃昌乾，丁恩保．邊坡工程常用穩定性分析方法［J］．水電站設計，1999，15(1):53-58．

［6］高華，劉建華．GNSS邊坡監測系統在伊敏露天礦的應用［J］．露天采礦技術，2004(1):60-61．