傾倒變形體成因機(jī)制及穩(wěn)定性

孫建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理處，新疆 博樂833400）

傾倒變形體成因機(jī)制及穩(wěn)定性

孫建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理處，新疆 博樂833400）

陡傾產(chǎn)狀巖體傾倒變形是自然界常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程建設(shè)存在一定的危害。根據(jù)傾倒變形體的特征，進(jìn)行邊坡破壞模式和穩(wěn)定性計(jì)算分析，并綜合考慮傾倒體所處部位、規(guī)模、工程地質(zhì)條件，計(jì)算出安全系數(shù)并提出處理方案。

傾倒變形體；成因機(jī)制；破壞模式；穩(wěn)定性分析

1 工程概況

阿克肖水庫工程是流域規(guī)劃推薦阿克肖河上的控制性水利樞紐工程，最大壩高57.5m，為中型Ⅲ等工程，由擋水壩、導(dǎo)流兼沖沙泄洪洞、溢洪道等組成。水庫具有年調(diào)節(jié)性能，灌溉、防洪等綜合利用效益。工程建成后，替代下游灌區(qū)調(diào)蓄水庫工程，減少水庫損失，提高水資源利用效率，可改善流域灌區(qū)灌溉面積1.95萬hm2灌溉條件，擴(kuò)大流域灌區(qū)灌溉面積0.66萬hm2；下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)從5年一遇提高到20年一遇。

水庫壩址區(qū)河谷右岸局部為高陡斜坡，與陡立的巖體片理呈小角度相交。巖體在自重彎矩作用下，由前緣向臨空方向作懸臂彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展；傾倒彎曲的片理相互間錯(cuò)動(dòng)并伴有拉裂，使巖體傾倒進(jìn)而形成不穩(wěn)定傾倒體。

2 傾倒體位置和規(guī)模

傾倒體位于壩軸線右岸坡，底部位于Ⅳ級(jí)階地后緣，高程2425m，頂部高程2500m，底部1/3位于正常蓄水位下；高差70m，順河寬100～170m。傾倒體厚20～36m，估算方量26.0萬m3；傾倒巖體變形后，產(chǎn)狀由65°～70°SE∠60°～80°傾倒形變?yōu)?5°NW∠5°或55°NW∠15°，傾倒巖體破碎，呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，傾倒體表層片理面張開，多充填有黃色粉土。該傾倒體自然坡度34°，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。水庫蓄水后，僅坡腳處高45m的局部段浸泡于水下。由于距壩址較近，壩趾板開挖時(shí)可能受影響，致使該傾倒體結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)生局部失穩(wěn)滑動(dòng)。

3 右岸坡卸荷傾倒變形體自然組成條件及破壞模式

3.1 自然組成條件

傾倒變形體處邊坡巖體卸荷傾倒強(qiáng)烈，主要受到壩址區(qū)地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造環(huán)境影響。

3.1.1 構(gòu)造環(huán)境因素［1］

該變形體范圍內(nèi)和周邊發(fā)育多條EW向及NWW向中、小規(guī)模斷層和裂隙，有較高的應(yīng)力環(huán)境下，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，順層片理發(fā)育，且主壓應(yīng)力方向平行于變形體主軸線，與目前主河床78°斜交。長(zhǎng)期的河流自然掏刷以致變形體“腳部”失穩(wěn)，較高巖體在自重條件下沿著不利結(jié)構(gòu)面下滑，導(dǎo)致巖體上部或下部開裂，原先的自穩(wěn)能力削減，最終卸荷。

3.1.2 原始地形地貌的影響

傾倒變形體處邊坡走向近東西向，岸坡陡立。在Ⅳ級(jí)階地后期，地殼大幅抬升，河流急速下切，抬升幅度達(dá)50m。垂直坡面發(fā)育沖溝，不斷侵蝕山體，并在較大高差的地形條件下，有利于卸荷傾倒作用的產(chǎn)生。

3.1.3 地層巖性及結(jié)構(gòu)面的影響

邊坡基巖為綠泥石石英片巖，片理走向與邊坡呈小角度相交，片理陡傾坡外，順層片理發(fā)育，易造成巖體向主河床方向張裂［2-3］和卸荷傾倒而進(jìn)行地貌上的蠕變。岸邊巖體在日常自然環(huán)境中風(fēng)化下，沿片理面間拉裂變形，向臨空面彎曲；進(jìn)一步發(fā)展，巖石沿片理面折斷傾覆于山坡上。

3.1.4 河流沖蝕的影響

傾倒變形體底部為Ⅳ級(jí)階地后緣，河流在主河床的演變過程中對(duì)右岸巖體邊坡坡腳進(jìn)行掏蝕，導(dǎo)致邊坡巖體卸荷作用得以充分發(fā)展。

因此巖體卸荷傾倒的影響因素是相互作用、彼此牽制的。自然的地形地貌和主河道的演變對(duì)傾倒體形成提供了先決條件，巖體的巖性和發(fā)育結(jié)構(gòu)面是傾倒體形成的內(nèi)在因素。

3.2 邊坡破壞模式

邊坡的破壞強(qiáng)度，各個(gè)時(shí)期有所不同，邊坡形成初期，受河流快速下切影響［4］，地形陡峻，巖體自穩(wěn)能力減弱，表層巖體從上部逐漸崩塌和崩落。隨著崩塌的進(jìn)行，邊坡坡度逐漸變緩，當(dāng)崩塌變形體的自重和下側(cè)的阻礙力相平衡時(shí)，該傾倒體基本處于穩(wěn)定。

4 傾倒體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 穩(wěn)定性宏觀分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，傾倒體表層為綠泥石石英片巖的碎塊體，淺灰色碎塊、碎石，塊徑3～20cm，少量碎渣，人工可以刨動(dòng)，下部基巖多呈干砌石狀，屬碎塊狀結(jié)構(gòu)，工程性狀差。傾倒體表層覆蓋的0.3～0.5m厚的風(fēng)積粉土判斷，未見有變形跡象，說明該傾倒體已長(zhǎng)時(shí)間（Q4以來）處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)當(dāng)前變形傾倒體形態(tài)及其范圍內(nèi)的斷層、裂隙發(fā)育情況，考慮平面型滑面滑動(dòng)分析［5-6］，采用剛體極限平衡法進(jìn)行初步穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中 Fs為安全系數(shù)；W為滑體的重力 （kN）；C為滑面黏聚力（kPa）；φ為滑面的內(nèi)摩擦角（°）；L為滑體長(zhǎng)度（m）；β為結(jié)構(gòu)面傾角（°）；Pb為地震力；KH為地震系數(shù)，根據(jù)7°烈度確定為0.1。

傾倒變形體主軸線方向?yàn)橛?jì)算剖面，主要是確定邊坡的滑移面。傾倒體呈碎塊石狀，推測(cè)可能的滑移面沿傾倒變形體下限界面產(chǎn)生滑移。

該傾倒體緊臨壩址，一旦失穩(wěn)對(duì)樞紐建筑物影響巨大。根據(jù)該變形體的形態(tài)、規(guī)模和相關(guān)規(guī)范，確定邊坡級(jí)別為A類1級(jí)。穩(wěn)定計(jì)算過程中考慮到運(yùn)行期間不同的工況，以確保安全系數(shù)達(dá)到要求，穩(wěn)定性計(jì)算工況如表1。

表1 工況、荷載組合及安全系數(shù)

因工程區(qū)干旱，降雨少，坡體無穩(wěn)定的地下水，故計(jì)算中不考慮地下水壓力的影響。傾倒體巖體破碎，多呈現(xiàn)碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度取黏聚力C=0.05MPa，摩擦系數(shù)f′=0.78；庫水作用下取C=0.02MPa，f′=0.73。巖體天然重度取26.6kN/m3，飽和重度27.0kN/m3。由于變形體根部為臨空河谷，所以不存在變形體的阻滑力。

考慮到各種不同工況，天然狀態(tài)（持久狀況）裂隙無水以及庫水位高程以下裂隙充水情況；偶然狀況為天然狀態(tài)與7°地震的荷載組合。計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 傾倒體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

4.3 變形體穩(wěn)定評(píng)價(jià)

由傾倒變形體當(dāng)前狀況結(jié)合不同工況下的穩(wěn)定性計(jì)算：

（1）當(dāng)前，工程區(qū)不進(jìn)行爆破、開挖等一些行為，邊坡不存在失穩(wěn)現(xiàn)象；但在7°地震條件下，傾倒巖體會(huì)產(chǎn)生崩塌為主的變形破壞，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）施工期間，對(duì)坡腳覆蓋層開挖，傾倒體可能產(chǎn)生局部塌滑或蠕動(dòng)變形，其破壞特征為表部逐步的、小規(guī)模的塌滑及掉塊。

（3）運(yùn)行期間，在自重及庫水的作用下，傾倒體可能產(chǎn)生塌滑或蠕動(dòng)變形［7-8］。由于傾倒體底部位于庫水以下，初步分析，其產(chǎn)生大的涌浪可能性不大。

5 結(jié)語

右岸壩肩邊坡保持現(xiàn)狀不會(huì)失穩(wěn)而滑塌，僅存在小規(guī)模的掉塊現(xiàn)象。但是由于變形體已基本無“腳部”進(jìn)行支撐和阻滑。因此根據(jù)目前勘探成果，需對(duì)該卸荷傾倒變形體進(jìn)行處理：

（1）該傾倒體由于卸荷裂隙發(fā)育，多張開，巖體整體呈塊碎狀，結(jié)構(gòu)松弛，工程性狀較差，不宜作為趾板及心墻基礎(chǔ)，建議清除處理。

（2）傾倒體巖石多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)狀下整體穩(wěn)定，但是依然會(huì)產(chǎn)生小規(guī)模的塌滑及掉塊，對(duì)大壩、導(dǎo)流洞進(jìn)口等水工建筑物的安全構(gòu)成威脅。

（3）水庫蓄水后，該傾倒體下部1/3浸泡于水下，坡腳為風(fēng)積低液限粉土，由于導(dǎo)大壩右壩肩開挖會(huì)斜切傾倒體下游坡腳，將使傾倒體失穩(wěn)產(chǎn)生塌滑。因此應(yīng)結(jié)合壩肩開挖，將傾倒體全部清除后采取護(hù)坡，清理的棄渣可作為后壩坡的填筑料。

（4）該傾倒體緊臨壩址，若處理不及時(shí)或不到位，一旦失穩(wěn)對(duì)樞紐建筑物影響巨大。因此，根據(jù)傾倒變形體形態(tài)、規(guī)模、工程地質(zhì)條件，根據(jù)施工期和運(yùn)行期間可能發(fā)生的工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

（5）為提高大壩安全儲(chǔ)備，需結(jié)合大壩右壩肩開挖時(shí)，將變形傾倒體進(jìn)行清除，以免后患［9］。

［1］張正清.N江某水電站左岸傾倒巖體成因分析［J］.資源環(huán)境與工程，2015（5）：574-577，597.

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［4］王磊，李濱，馮振.武隆縣羊角場(chǎng)鎮(zhèn)厚層灰?guī)r山體大型危巖體破壞模式及成因機(jī)制研究［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015（2）： 461-471.

［5］張菊明，王思敬 .邊坡巖體結(jié)構(gòu)的三維失穩(wěn)形式及穩(wěn)定性分析研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1997（3）： 242-250.

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［7］向賢友 .下爾呷水電站阿覺利傾倒變形體穩(wěn)定分析［J］.水電站設(shè)計(jì)，2015（4）：52-54.

［8］馬德林，楊紹平.某水電站庫區(qū)傾倒變形體穩(wěn)定性研究［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014（4）：599-602.

［9］王志強(qiáng).烏魯瓦提水利樞紐工程左壩肩高邊坡不穩(wěn)定巖體處理［J］.水利建設(shè)與管理2010（8）：19-21.

Dumping deformation causes mechanism and stability

SUN Jian-ming
（Xinjiang Bozhou Ala-shankou Water Supply Project Management Office,Bole 833400,China）

Toppling deformation of steeply dipping rock mass is a common geological disaster in nature,which is harmful to engineering construction.According to the characteristics of the dump deformation body,the slope failure mode analysis and stability calculation are analyzed.According to the load combination under various working conditions,considering the location,scale and engineering geological condition of the toppling body synthetically,the safety factor is calculated and the treatment scheme is proposed.

dumping deformation； genetic mechanism； failure mode； stability analysis

P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9900（2017）06-0092-03

2017-10-17

孫建明（1965-），男（漢族），山東青島人，工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與管理工作，（Tel）13579876484。

王艷肖）