西泌河水庫工程雷打坡邊坡穩定分析及處理

程 偉

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴陽 550002)

1 工程概況

西泌河水庫位于西泌河下游河段，大壩樞紐區位于貴州省晴隆縣蓮城鎮與馬場鄉交界處，壩址以上集雨面積336.85 km2。西泌河水庫正常蓄水位690.00 m，正常庫容為1 395×104m3；校核洪水位為694.36 m，總庫容1 715×104m3。水庫的供水范圍為晴隆縣城(蓮城鎮)、光照鎮規模村紡織和加工產業聚集園區、孟寨村新型建材聚集區的生產生活用水、孟寨灌區灌溉用水以及灌區內的農村人畜飲水，年供水量為2 543×104m3，灌溉供水量50.4×104m3(保證率P=80%)；水庫壩后電站裝機8 MW，多年平均發電量2 680×104kW·h。

雷打坡邊坡距離壩址約4.2 km，外凸的體積約580×104m3,水庫蓄水后對庫容及水工建筑物安全構成威脅。雷打坡邊坡分布于庫尾河床右岸，地表為一向河床凸出的三角形山體，底部長約625 m,高約240 m,兩側為淺切沖溝。邊坡巖體為雙層結構，上部為T1yn2的中厚層灰巖(中硬巖類)，下部為T1yn2的泥巖(軟質巖)，屬下軟上硬雙層結構的巖質邊坡。巖層產狀：走向N74～90°W/傾NE∠30°。巖層傾角與邊坡坡度相等，斜坡面即巖層面。巖層沿斜坡面斜插河床，下伏巖層面(特別是T1yn2的灰巖及泥巖接觸界面)為其潛在的可能滑移面，邊坡巖體中發育兩組陡傾裂隙(①走向N15～25°E/NW∠75～82°；③走向N30°W/∠90°)。構成其側向切割面。根據現場調查資料分析，在邊坡下游崩塌體中發育有拉裂現象。

2 雷打坡巖石結構

2.1 基本地質條件

雷打坡邊坡為自然營力作用形成的邊坡，通過西泌河水庫的修建，形成以人類活動為主導的工程邊坡。按巖性分類，邊坡為各種結構面切割的巖質邊坡，邊坡坡度變化較小，坡度在10～300左右，形成斜坡和陡坡，邊坡高度約為240 m，高度大于150 m，為超高邊坡。

邊坡的坡腳高程為EL665.3m～EL666.3m,邊坡出露的巖性為灰巖夾泥質灰巖。整個邊坡呈外凸的三角形，三角形頂部的角度約700，在剖面上的形態為下陡上緩。EL800m高程以下的邊坡坡度約300，坡面長度約430 m。EL800m～EL920高程的邊坡坡度約為150，坡面長度約155 m。坡頂位置遭受風化剝蝕呈現為負地形，水平長度約55 m左右。

邊坡在地形上分為兩部分，靠上游側邊坡基巖裸露，根據鉆孔和現場的地質描述，地層巖性為中厚層灰巖，在坡面以下約30 m處有夾泥巖的夾層現象。上游邊坡的坡腳長約375 m。靠下游側邊坡為崩塌體覆蓋，根據地質剖面，覆蓋層厚度約在6～19 m，覆蓋層下部巖層的巖性為T1yn2的灰巖夾泥巖，下游邊坡的坡腳長約250 m。其上下游的剖面圖見圖1～圖2。

圖1 上游邊坡工程地質剖面圖

圖2 下游邊坡工程地質剖面圖

2.2 邊坡構造及結構面

邊坡位于法郎向斜西段揚起端南翼近核部。巖層傾向左岸，傾角30°，為順向坡。巖體為層狀結構。據地表地質測繪及鉆探揭露，未發現斷裂構造，節理裂隙及卸荷裂隙較發育，巖體中主要發育構造裂隙有兩組。①走向N15～25°E/傾NW∠75～82°。裂隙規模較大，地表可見最大延伸長度>10 m，裂面上有擦痕，線密度1～2條/m，強風化帶裂隙張開，沿裂隙局部夾泥；②走向N10～30°W/傾NE∠62～90°，地表可見長度3～5 m，裂面平直，強風化帶局部張開夾泥。

根據地表調查及轉貼揭露，結合《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》(DL/T5337-2006)分類標準，邊坡按巖體結構分類見表1。

表1 巖體結構分類表

2.3 邊坡巖體質量分類

由于邊坡靠近原可研階段的上壩址，根據壩址巖層分布情況，分布地層主要為三迭系下統永寧鎮組(T1yn)，巖性以灰巖為主夾泥質灰巖及泥巖，巖體風化以溶蝕風化和裂隙性風化為主要特征。溶蝕風化一般是地表裂隙、構造軟弱帶受巖溶的影響，溶蝕張開或充填黏土或巖屑等，由表層向深部逐漸減弱，一般溶蝕縫寬0.1～3 cm不等，呈上寬下窄的喇叭狀，一直風化的鉛直深度可達4～5 m。裂隙性風化主要沿裂隙分布，強風化帶裂隙張開夾泥，弱風化帶裂隙一般閉合。局部裂隙面兩側有鐵質、泥質浸染呈黃褐色。微風化帶裂隙閉合，裂隙面為方解石脈膠結。根據地表地質測繪及平洞、鉆孔及物探資料綜合分析，原上壩址覆蓋層厚度及巖體的風化分帶如下：

河床：砂礫石覆蓋層一般厚2～5 m，強風化深7～9 m，弱風化深20～23 m。

兩岸：基巖出露區，巖體強風化深一般5～6 m，弱風化深19～22 m。

地層為巖溶發育地層，上階段鉆孔及平洞勘探范圍未揭露出較大規模的溶洞和管道。存在構造裂隙和溶蝕裂隙構成滲漏通道。強風化巖體中，裂隙發育，巖體破碎，裂隙面、層面均有不同程度的張開，巖體透水性較強。進入弱風化巖體，巖體的透水性也逐漸變小，至弱風化巖體下部，其透水率一般均小于3 Lu。根據試驗資料，灰巖弱風化帶巖石的飽和單軸抗壓強度平均值46.36 MPa，軟化系數0.79，縱波波速3 684～4 201 m/s，屬中硬巖類。泥巖弱風化帶巖石的飽和單軸抗壓強度<30.0 MPa，屬軟質巖類。

根據各地層單元巖性特征、巖體強度及節理發育情況等劃分巖體類別如下(按《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)附錄V壩基巖體工程地質分類)：灰巖段弱-微風化巖體屬BⅢ2類巖體。泥巖段弱-微風化巖體屬CⅣ1類巖體。

根據以上分類及邊坡裂隙發育情況，結合《水電水利工程邊坡邊坡工程地質勘察技術規程》(DL/T5337-2006)分級標準進行分級。

對于T1yn2地層，《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄V取巖體完整性系數為0.5，抗壓強度取為平均值46 MPa，按規范(DL/T5337-2006)附錄B式B.1(BQ=90+3RC+250×KV，RC為巖體飽和單軸抗壓強度，KV為巖體完整性系數)，計算巖體基 本質量指標為90+3×46+250×0.5=353，邊坡巖體質量級別為III類。

對于其中的泥灰巖，《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄V取巖體完整性系數為0.50，抗壓強度取為40 MPa，按規范(DL/T5337-2006)附錄B式B.1，計算巖體基本質量指標為90+3×40+250×0.50=335，邊坡巖體質量級別為IV類。

由于邊坡以灰巖為主，局部夾泥巖，故邊坡巖體的質量級別為Ⅲ類。

3 邊坡分析及成果

3.1 對雷打坡邊坡的初步判斷

根據雷打坡邊坡的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件等，參考《水利水電工程邊坡設計規范》(SL/386—2007)附錄A，由于層面的產狀與邊坡走向的夾角為30°，巖質邊坡的結構分類為層狀順向邊坡，邊坡穩定性受坡角及巖層傾角組合、巖層厚度、順坡向軟弱結構面的發育程度及抗剪強度所控制。邊坡的破壞方式可能為：①層面或軟弱夾層易形成滑動面，坡腳切斷后易產生滑動；②傾角較陡時易產生潰屈或傾倒；③傾角較緩時易產生傾倒破壞；④節理或裂隙易形成楔形體滑動。

圖3 雷打坡邊坡地形圖

通過對雷打坡邊坡(邊坡地形見圖3)進行赤平投影分析，對邊坡穩定性進行初步判斷(參考《水利水電工程邊坡設計規范》(SL/386—2007)附錄B)。分析成果：右岸邊坡的優勢結構面為兩組：①290°∠80°；②60°∠70°。邊坡的平面滑動最可能發生在傾向方向，兩組節理釋放了側向方向的約束，使得平面滑動的可能性增大。另外，邊坡不容易發生楔形體滑動；第一組優勢結構面290°∠80°的傾向稍微變化，落入陰影區，就可能在下游側發生傾倒破壞。

3.2 邊坡穩定性分析

3.2.1 邊坡的形態特征

雷打坡邊坡分布于庫尾河床右岸，距離壩址約4.2 km，地表為一向河床凸出的三角形山體，底部長約625 m,高約240 m,兩側為淺切沖溝。邊坡巖體為雙層結構，上部為T1yn2的中厚層灰巖(中硬巖類)，下部為T1yn2的泥巖(軟質巖)，屬下軟上硬雙層結構的巖質邊坡。地形坡度一般在30°左右，巖層傾角與邊坡坡度角相近，巖層沿坡面斜插河床，河床寬約50 m。邊坡的結構類型為層狀順向邊坡。其物理地質現象主要表現為風化與卸荷作用。

邊坡在地形上分為兩部分，靠上游側邊坡基巖裸露，根據鉆孔和現場的地質描述，地層巖性為中厚層灰巖，在坡面以下約30 m處有夾泥巖的夾層現象。上游邊坡的坡腳長約375 m。靠下游側邊坡為崩塌體覆蓋，根據地質剖面，覆蓋層厚度約在6～19 m，覆蓋層下部巖層的巖性為T1yn2的灰巖夾泥巖，下游邊坡的坡腳長約250 m。

3.2.2 邊坡的邊界特征及影響因素

根據地形特征，初步判定坡體的變形邊界為邊坡的兩側沖溝位置。控制邊坡巖體穩定性和變形失穩破壞機理的主要因素有以下幾方面:①巖體結構特征;②巖體應力;③地下水條件;④巖體(包括不連續面和完整巖石)的力學參數;⑤地形地貌特征和邊坡幾何形狀等。

3.2.3 邊坡變形破壞模式及邊坡分析成果

根據雷打坡邊坡實際情況，并結合國內類似順層邊坡發生的失穩破壞模式，對邊坡可能發生的失穩破壞模式進行分析，該類邊坡變形破壞模式主要有3種。①下部巖層被剪切破壞，引起上部巖體產生順層滑動。②由于上部巖體的擠壓，下部巖層產生隆起、拉裂形成潰屈破壞，在潰屈破壞后，邊坡巖體將發生牽引式漸進滑移失穩。③側向失穩。本工程對該邊坡進行多種方法分析，其主要成果如下：

1) 按規范，本邊坡被定義為4級邊坡，采用極限平衡法進行穩定性分析，上游巖質邊坡在各種工況下，其穩定性滿足規范要求，只是富余度不是很大。下游崩塌體邊坡在進行削方后，在各種工況下，其穩定性滿足規范要求(即不會發生順層破壞)。基于歐拉理論板梁穩定計算公式，上游和下游邊坡(清方壓腳后)均不會發生潰屈失穩。

2) 根據二維數值分析，邊坡變形主要發生在距離坡面較近的巖體周圍，并會朝臨空方向變位。同時由于軟弱層面和硬質結構面(層面)的存在，使得各層之間的位移并不連續，也反映出軟弱夾層巖體邊坡的差異變形特征。在坡腳、軟弱層面和層面的周邊及地形變化處，出現較多的剪切應力集中區，這些位置容易發生剪切破壞。在坡頂容易出現拉應力分布區，在坡腳和坡度變化的位置也分布有少量的拉應力。剪切塑性屈服區位于坡腳及泥巖層面附近。在邊坡頂部泥巖層面附近也產生了局部的拉伸屈服區，拉伸屈服容易產生拉裂縫。這些表明邊坡容易在結構面(層面)周圍形成較大應力的剪切帶，并在坡腳位置累積剪切應變(由上至下及由外向里累積)。

3) 根據三維數值分析，從X方向位移云圖來看(垂直河流)，位移最大的部分集中在泥巖層面以上，位于邊坡的中部且靠近兩側臨空的坡面上，其位移方向朝向河床，最大值約1.5 cm，并由兩側向中部貫通的趨勢，反映在坡體兩側(腰部)多面臨空，約束小，位移較大。從Y方向位移云圖來看，位移最大的部分同樣集中在泥巖層面以上，在上下游均發生朝向臨空方向位移(上游坡體向上游位移，下游坡體向下游位移)，最大值約0.2 cm，位于坡體高度1/3的位置，靠近坡腳。

4) 對三維邊坡進行強度折減法的安全系數分析，穩定性系數為1.41。對比二維分析可以知道(穩定性系數為1.27)，邊坡的三維效應突出(三角形坡面較為穩定)。通過破壞時的位移分布表明，邊坡發生側向失穩的可能性小于順坡向失穩。即不容易產生側向失穩，但需注意局部裂隙導致的失穩。

4 處理措施

經初步分析，雷打坡的巖質邊坡斜插河床，不會產生滑動破壞，但其下游側的崩塌堆積體在水庫蓄水后將發生巖體失穩，故采取以下工程措施進行處理：

1) 頂部削坡減載。即對崩塌體頂部進行開挖削坡減輕下滑荷載，開挖高程從山頂開挖至879.00 m高程，采用順層開挖的方式，開挖厚度約為25 m。然后對開挖后的邊坡進行C20砼噴護及剖面綠化。

2) 堆石坡底壓腳。將開挖出來的土石方堆填在山體坡腳處，坡面用干砌石護面，以提高坡體抗滑能力。

3) 加強邊坡永久監測。