某電廠后邊坡巖體傾倒變形特征及失穩破壞模式分析

潘坤

摘要：某電廠后邊坡為高陡邊坡，且發生傾倒，巖體破碎，邊坡失穩將危及電廠安全。針對邊坡不同的失穩破壞模式，可以采取相應的防治措施。為對電廠后邊坡防治設計提供理論支撐，依據邊坡巖體結構、變形破壞型式以及風化、波速等差異，自外向內將邊坡巖體分為極強、強、弱3個傾倒變形區。綜合分析各變形區邊坡的形態、巖性組成等，結果表明：極強傾倒變形區巖體呈散體結構，易發生蠕滑-拉裂式滑坡;強傾倒變形區巖體呈碎裂、鑲嵌結構，傾向坡外結構面發育，存在蠕滑-拉裂式滑塌;弱傾倒變形區巖體一般不會出現自身失穩破壞。

關鍵詞：邊坡失穩;邊坡巖體;傾倒變形;變形特征;模式分析

中圖法分類號：TU457文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2019）01-0023-04

某電廠位于青藏高原高山峽谷區內，兩岸山體高聳，工程區河谷為縱向谷，岸坡巖體普遍發生傾倒變形，巖體松弛，結構遭到破壞，邊坡失穩問題突出，危及坡下電廠安全。邊坡失穩模式決定了穩定性分析計算方法以及防護措施的選擇[1]。本文依據巖體傾倒變形特征的分析，自外向內對巖體傾倒強烈程度進行分區，進而分析各區的失穩破壞模式，為后期邊坡防護提供地質依據。

1 邊坡地質概況

電廠位于河流Ⅱ級階地上，廠房后邊坡坡高約860 m，坡面地形總體呈陡-緩-陡，邊坡后部地形坡度40°～70°，局部呈陡崖;中、前部地形稍緩，坡度25°～35°;坡腳附近地形坡度35°～55°。邊坡出露巖性由鈣質板巖和灰巖、大理巖組成，其中鈣質板巖呈薄層狀，分布于中、下部;灰巖、大理巖呈薄-中厚層狀，分布于邊坡上部。邊坡巖層為單斜構造，層理（板理）傾NE～NEE，反傾坡內，傾角24°～50°，總體為逆向坡。河流Ⅱ級階地下伏基巖和河床出露基巖產狀N20°W/NE∠70°～85°，巖層走向與邊坡走向呈20°夾角，板理陡傾坡里。對比邊坡與河床出露巖體產狀，可見邊坡巖體明顯發生傾倒變形。

2 邊坡巖體傾倒變形的發育特征

2.1 巖體傾倒深度

邊坡巖體已發生傾倒彎曲變形，據平洞揭露，邊坡上部巖體傾倒深度200 m以上，邊坡坡腳即Ⅱ級階地后緣巖體傾倒彎曲深度約120 m，邊坡上部傾倒深度明顯大于邊坡下部。

傾倒深度的變化往往與邊坡地形特征、邊坡巖性組成及卸荷深度等有關[2]。巖體的傾倒實質是邊坡側向應力解除從而產生卸荷回彈，使得巖體沿結構面產生“板裂化”改造，在重力作用下，“板裂化”巖體向臨空方向發生懸臂梁式彎曲[3]。由于邊坡越高、坡度越大則臨近坡頂附近卸荷作用越強，卸荷深度越大，相應傾倒深度也更深[4]。另外邊坡的傾倒深度與巖性組成及層厚也有關，巖石強度越低，層厚越薄，則抗彎強度也越低，更容易發生傾倒彎曲[5]。電廠后邊坡上部雖然由灰巖、大理巖組成，但層厚總體較薄，且以薄層為主，另外坡度較陡且坡高較大，所以傾倒深度較坡體下部深。

2.2 傾倒巖體裂隙發育特征

依據對平洞內巖體裂隙統計，邊坡上部灰巖、大理巖分布區裂隙主要有兩組，產狀分別為N60°～90°E/NW∠56°～89°和N10°～40°W/SW∠48°～85°（傾坡外），其中陡傾坡外裂隙（傾SW）張開寬度 0.2～40 cm，多無充填。

邊坡中、下部鈣質板巖分布區裂隙最主要有3組，產狀分別為N40°～60°W/NE∠50°～76°、N10°～60°W/SW∠46°～77°（傾坡外）和N55°～68°E/NW∠60°～80°，裂隙張開寬度一般為0.1～5.0 cm，其中傾坡外裂隙最大張開寬度可達10～18 cm，多無充填。

通過統計分析，無論坡體上部灰巖、大理巖分布區，還是中、下部鈣質板巖分布區，均存在陡傾坡外（傾SW）裂隙，裂隙普遍張開，占統計組數的1/3～1/2，該組裂隙較發育。不同之處在于，灰巖、大理巖分布區該組裂隙延展性普遍較好，張開寬度相對較大，而鈣質板巖分布區延展性相對降低，裂隙這種特性與巖石堅硬程度及坡形有關。

2.3 卸荷特征

傾倒巖體普遍已卸荷松弛，由外及里僅為卸荷程度差別[6]。根據《水力發電工程地質勘察規范》（GB50287-2006）附錄G劃分標準，邊坡上部平洞PD03強卸荷水平深度80 m，以內總體呈弱卸荷;邊坡中部平洞PD02強卸荷水平深度105 m，以內總體呈弱卸荷;邊坡坡腳即Ⅱ級階地后緣平洞PD01強卸荷水平深度 37.2 m，以內總體呈弱卸荷。

邊坡卸荷-拉張變形部位明顯可見主要位于邊坡上部大理巖、灰巖分布區，山梁部位及陡崖處尤其突出;邊坡中部與鈣質板巖分界處是地形陡緩交界處，卸荷-拉張變形亦很突出。上述卸荷-拉張變形突出部位，地表可見明顯拉張裂縫，拉張裂縫陡傾坡外，張開寬度 0.3～1.0 m，裂縫可見深度最大可達9 m。

平洞揭露，邊坡后部大理巖和灰巖分布區卸荷-拉張變形尤為發育，這與大理巖本身是硬質脆性巖體以及坡度較陡有關。強卸荷帶內近直立卸荷拉張裂隙發育，張開寬度 0.2～30 cm，分別于平洞11～17 m、41～43 m、53～56 m、77～80 m形成4處卸荷拉張帶。洞深80 m以內巖體雖總體呈弱卸荷，但洞深172～181 m仍發育有深部卸荷拉張帶，帶內由多條近直立卸荷裂隙組成，張開寬度可達40 cm。

2.4 風化分帶

風化與巖性堅硬程度有關，邊坡上部傾倒灰巖、大理巖均呈弱風化狀態，聲波波速3 000～5 450 m/s，平均值4 355 m/s，平均波速比0.79。邊坡中、下部鈣質板巖，由于巖性軟弱， 在反復凍融作用下，更易風化。平洞揭露，邊坡中部強風化水平深度70.8 m，坡腳附近由于地形較陡，強風化水平深度約14.0 m，強風化鈣質板巖聲波波速1 920～2 586 m/s，平均值2 054 m/s，平均波速比0.45。強風化以內傾倒巖體均呈弱風化狀態，弱風化鈣質板巖聲波波速2 062～4 552 m/s，平均波速3 231 m/s，平均波速比 0.71。

2.5 巖體結構類型

邊坡巖體卸荷傾倒，巖體完整性遭到破壞，由外及里傾倒強烈程度不同，巖體結構表現也不同。 邊坡上部硬質灰巖、大理巖分布區坡表巖體結構為塊裂、鑲嵌結構，平洞揭示深度約為58m，以內主要為薄-中厚層狀結構。

邊坡中、下部由鈣質板巖組成，由于鈣質板巖屬軟巖，強度低，巖體易彎折破碎，且更易遭風化，邊坡淺表層還存在呈散體、碎裂結構巖體。巖體中裂隙極發育，巖體破碎，巖塊間具次生夾泥，局部具架空現象，巖體呈強風化，波速較低。邊坡中部PD02平洞揭露，洞深0～70.8 m巖體呈散體、碎裂結構，70.8～105.0 m巖體為塊裂、鑲嵌結構，105.0 m以內為薄層狀結構。坡腳PD01平洞揭露，洞深0～14.0 m巖體呈散體、碎裂結構，14.0～37.2 m巖體為塊裂、鑲嵌結構，37.2 m以內為薄層狀結構。

3 邊坡傾倒變形巖體分區

巖體傾倒強烈程度變化反映在巖體結構和變形破壞型式的不同上，其風化、卸荷、波速也存在差異[7]。依據這些特點，邊坡巖體自坡外向內可分為3個區，即極強傾倒變形區（C）、強傾倒變形區（B）和弱傾倒變形區（A）。

（1）極強傾倒變形區（C）。巖體發生強烈的傾倒折斷，極度破碎，整體松弛，具架空現象。裂隙極發育，具次生夾泥現象，巖體結構以散體結構為主，部分碎裂結構。巖體呈強風化、具強卸荷特征[8]。極強傾倒變形區（C）主要分布于邊坡中、下部坡表，由鈣質板巖組成，平均波速2 054 m/s，波速比 0.45。其中，邊坡中部PD02平洞內極強傾倒變形巖體（C）水平深度 70.8 m;坡腳PD01平洞內極強傾倒變形巖體（C）水平深度14.0 m。

（2）強傾倒變形區（B）。巖體發生強烈的張性破裂并表現出顯著的切層發展特征，巖層板理（層理）宏觀上基本連續。裂隙發育，巖體結構呈塊裂、鑲嵌結構。以弱風化為主，總體呈強卸荷。邊坡上部PD03平洞內強傾倒變形區巖體（B）分布水平深度57.7 m;邊坡中部PD02平洞內強傾倒變形區巖體（B）分布水平深度70.8～105.0 m;坡腳PD01平洞內強傾倒變形區巖體（B）分布水平深度14.0～37.2 m。強傾倒變形區（B）內鈣質板巖平均波速為2 985 m/s，波速比 0.66;灰巖、大理巖平均波速3 750 m/s，波速比 0.68。

（3）弱傾倒變形區（A）巖體傾倒變形較弱，層內可見剪切滑移，層間巖體基本上未見明顯的宏觀張裂變形，或有微小張裂縫。巖體呈層狀結構，弱風化狀態，具弱卸荷特征[9]。區內鈣質板巖平均波速3 631 m/s，波速比 0.80;灰巖、大理巖平均波速4 726 m/s，波速比 0.86。

4 邊坡失穩模式分析

通過對各傾倒變形區巖體結構及巖體結構面發育特征分析，同時綜合考慮邊坡形態、巖性組成等因素，提出各傾倒變形區巖體失穩模式如下。

（1）極強傾倒變形區（C）。該區巖體破碎呈散體、碎裂狀，似塑性-彈塑性體，強度較低，工程性質較差。破碎巖體在自重作用下易發生剪切蠕變，造成后緣拉裂，產生蠕滑-拉裂式破壞，進而形成滑坡。極強傾倒變形區巖體主要分布于邊坡中、下部由鈣質板巖組成的邊坡表部。因此，邊坡中、下部（尤其坡腳附近）可能發生此類模式破壞，滑動面多為圓弧狀。

（2）強傾倒變形區（B）。該區巖體裂隙發育，巖體在蠕變過程中使傾坡外裂隙之間不連續段或錯列段剪斷而逐步貫通，從而形成微具臺階狀的滑移面，在自重力作用下（尤其降雨誘發下）隨著巖體進一步蠕滑變形，后緣出現拉裂，沿地形陡緩交界處剪出滑移或滑塌。此類失穩破壞是一個長期的累積過程，失穩模式主要屬蠕滑-拉裂式滑坡，但滑移面貫通形成之前，也存在滑移-壓致拉裂破壞[10]。邊坡中、下部由于地形相對較緩，發生該失穩模式可能性較小;邊坡上部地形較陡，由硬質灰巖、大理巖組成，傾坡外裂隙發育且延展性較好，極可能發生蠕滑-拉裂式破壞，從邊坡中部靠后地形陡緩交界處滑移剪出，此類邊坡失穩往往規模較大且危害性極大。另外，邊坡上部（尤其是突出山梁部位）以及陡緩交界處卸荷拉張帶與傾坡外裂隙形成的組合塊體（楔形體）滑動以及卸荷破碎的崩塌亦嚴重威脅坡腳建筑物安全。

（3）弱傾倒變形區（A）。該區巖體雖發生傾倒彎曲變形，但從平洞揭露情況看，巖體為層狀結構，基本上未見明顯的宏觀張裂變形，僅有微小張拉裂縫，形成傾坡外貫通滑移面的可能性較小。因此，邊坡基本不會沿弱傾倒巖體產生整體滑移。

5 結 語

依據巖體結構及結構面發育特征等，邊坡巖體自外向內分為極強、強、弱3個傾倒變形區。極強傾倒變形區分布于電廠后邊坡中、下部坡表，巖體易發生蠕滑-拉裂式滑坡;強傾倒變形區主要分布于邊坡上部，巖體除可能發生蠕滑-拉裂式滑塌外，更可能產生崩塌、塊體滑動;弱傾倒變形區巖體一般不會產生自身失穩破壞。

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