東南亞某水電站廠房邊坡開挖變形特征及成因機制分析

柳 旻,姚晨輝,張 超,黃 磊

(機械工業勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710043)

水電站工程一般規模較大而且相對復雜，各類建筑物的布置對邊坡穩定性要求極高，而天然谷坡經過地殼抬升和河流剝蝕下切作用，在邊坡淺表層普遍發育一定厚度的風化、卸荷巖體，這部分巖體工程地質特性往往難以滿足工程建設需要，因此，不可避免要進行大規模的巖體開挖，以達到工程需要，從而形成大量工程高邊坡[1-4]。而開挖往往會導致坡體產生裂縫、局部塌滑等變形，嚴重可導致整個邊坡失穩破壞[5]。因此搞清邊坡開挖變形的成因機制，制定合理經濟的支護措施的基礎[6]。受邊坡地質條件、開挖方式支護時機的影響，邊坡開挖變形及其穩定性問題尤其突出，這些高邊坡的穩定不僅涉及到整體環境的安全，也涉及到工程本身的安全[5-10]。因此，高陡邊坡的開挖卸荷變形及穩定性問題的研究是水電建設所面臨的重大工程技術難題之一[11]。

近30年來，我國水利水電工程建設取得了世人矚目的成就，水利水電工程邊坡地質勘察評價、變形穩定性分析、設計、施工和運行管理均積累了豐富的經驗[12]。本文以東南亞某在建水電站廠房邊坡為研究對象，對開挖過程中坡體出現變形現象及成因進行分析，為后續的開挖及支護方案提供依據及參考。

1 廠房邊坡工程地質概況

該廠房邊坡位于河右岸，自然邊坡為凸形陡，坡高約160 m，坡度為20°～ 38°，上部平緩，下部相對較陡。巖性由泥盆系紫紅色板巖、褐紅—青灰色變質砂巖組成，上軟下硬，層理均發育，呈極薄層—中厚層，產狀N10°～20°W，NE∠35°～40°，巖層傾向與坡面傾斜方向相反，為反向坡。根據前期地質勘探成果及探洞PD202揭示，廠房后邊坡位于背斜NE翼，并發育有9條斷層，主要為N0°～45°W,NE(W)∠50°～76°發育，N25°～54°W，NE(SW)∠54°～75°次之。邊坡全風化巖體厚度一般不超過1.5 m，強風化巖體厚度變化較大，在斷層破碎帶(擠壓帶)附近和廠房邊坡靠近兩側沖溝位置風化較深約為4.0 m～8.0 m，其余部位一般為3 m～6 m。弱風化巖體厚度較為均勻，一般為7 m～10 m。廠房邊坡淺表部全、強風化巖體卸荷現象強烈，結合前期PD202平硐開挖揭示成果，0～38 m均為卸荷帶，其中強卸荷帶約0～7 m。該邊坡工程地質剖面圖見圖1。

圖1廠房邊坡工程地質剖面圖

2 邊坡開挖變形特征

根據設計院設計該邊坡開口線高程為EL.831 m，其中EL.752.0 m以上為永久邊坡，分五步開挖，單級設計開挖邊坡比為1 ∶1，坡高約為15 m。EL.752.0 m以下為基坑邊坡(臨時邊坡)，開挖設計坡度比為1 ∶0.3～1 ∶0.5，最小開挖標高為EL.720.5 m。施工期間邊坡最高高度約為110 m，竣工后邊坡最高高度約為80 m。

邊坡于2018年1月開挖，截止目前已開挖至EL.734.0 m～736.0 m。現場地質調查及變形監測數據顯示，邊坡開挖后出現多處變形現象(見圖2)。

圖2廠房邊坡開挖后裂縫及滑塌平面分布圖

2.1 裂 縫

現場調查對開挖后邊坡出現的裂縫發育特征進行匯總，詳見表1。

表1 邊坡開挖后裂縫發育特征

從表1和圖2可以看出，該廠邊坡裂縫分布發育具有以下特征：

(1) EL.780.0 m～810 m高程裂縫主要受控于斷層Fc12，長度約8 m～24 m，走向近東北(見圖3、圖4)。

圖3廠區邊坡EL.795m平臺裂縫圖4廠區邊坡EL.810m馬道裂縫

(2) EL.765 m高程以下裂縫主要集中在上游邊坡，大部分裂縫接近水平方向，由擠壓帶Gc3和Gc6影響在EL.744.0 m～752.0 m邊坡局部滑塌所引起(見圖5)

圖5EL.752.0m平臺滑塌體后緣裂縫

2.2 滑 塌

2019年1月26日，廠房后邊坡上游EL.745 m～742 m附近的Gc3擠壓帶內發生兩處滑塌，均寬3 m～4 m，深約60 cm，合計滑塌方量約為35 m3，并在其上部EL.745 m～752m的噴混凝土面上產生寬約1 cm～2 cm的裂縫2條。2019年2月1日，滑塌體以上的巖體再次發生塌方，新的滑塌體寬約25 m，厚約3 m，合計方量約600 m3，且滑塌體后緣形成錯落坎，錯落坎的規模有逐漸擴大趨勢(見圖6、圖7)。

2.3 監測資料

伴隨著邊坡的開挖，在不同高程布置了適量的地表和地下位移監測儀器，其中7個表面變形監測點和兩個測斜孔平面布置(見圖8)。

圖6滑塌體1月26日特征

圖7滑塌體2月1日特征

圖8邊坡監測點平面布置圖

根據表面變形監測數據顯示，截止2019年3月18日，廠房邊坡開挖過程中地表變形以水平位移為主(向臨空面回彈)位移在27.4 mm～60.0 mm之間，垂直位移在5.9 mm～22.1 mm之間。目前，廠房邊坡地表變形監測點的水平位移和垂直位移仍未收斂，處于增長狀態(見圖9、圖10)。

根據表面變形監測數據顯示，測斜儀鉆孔CQ-IN-01累計位移17.50 m，深度約5 處有一個位錯位移，位錯變形16.68 mm，仍處于加速變形階段，變形速率為0.14 mm/d，需要密切關注(見圖11)。測斜孔CQ-IN-02孔累計位移4.23 mm，孔深無明顯位移(見圖12)。

圖9表面監測點水平位移隨時間變化曲線

圖10表面監測點豎直位移隨時間變化曲線

圖11測斜孔CQ-IN-01位移隨時間變化曲線

圖12測斜孔CQ-IN-02位移隨時間變化曲線

3 邊坡變形成因分析

王思敬曾經指出：開挖后致使邊坡應力場改變及儲存的應變能釋放，從而導致邊坡淺表層巖體沿原有結構面擴展、張開及錯動，甚至新裂隙的產生，總體表現為巖體向臨空面卸荷回彈變形[13-14]。

該廠房邊坡在開挖之前的地形是經過漫長的地質歷史時期形成的，在岸坡淺表層普遍發育一定厚度的強風化、卸荷巖體，這部分巖體裂隙發育，多呈張開狀態，巖體結構破碎。根據設計邊坡EL.740 m～ 810 m開挖至強風化巖體，開挖前這部分巖體已經裂隙發育，巖體破碎，以碎裂結構為主，在斷層Fc12 附近巖體多呈散體結構，邊坡開挖引起的巖體應力釋放，原有應力平衡被打破，為適應新的荷載及圍壓變化，巖體內部應力進行二次調整，開挖面以里形成不同程度的應力分帶，巖體向臨空面回彈變形，加劇了巖體裂隙發育、張開及貫通，加之斷層Fc12中組成物質多為泥質，對水及其敏感，在雨季期極易發生軟化變形，從而導致在斷層附近已噴護的混凝土面產生裂縫。

廠房后邊坡開挖至EL.734 m處，因支護相對滯后，在斷層Gc3和Gc6交匯處斷層帶內物質遇水易軟化、斷層帶阻水后形成地下水富集區，從而導致斷層帶內先發生塌滑(1月26日發生)。隨著地下水水位下降、上部卸荷巖體強度降低，難以抵抗下滑力于2月1日進一步滑塌，引起上部巖體進一步發生牽引變形而導致在EL.753 m、EL.754 m、EL.756 m、EL.764 m高程分別產生4條橫向裂縫，目前裂縫寬度有擴大趨勢，隨時間推移，在沒有及時支護條件下滑塌體存在進一步滑動的可能性較大(見圖13)。

圖13廠房邊坡滑塌體失穩機制示意圖

4 結 論

本文基于對邊坡工程地質條件、現場地質調查以及監測資料成果分析的基礎上，對廠房邊坡開挖過程中變形現象及成因進行分析，主要得出以下幾點結論：

(1) 機行事該廠房邊坡開挖過程中在斷層及交匯附近混凝土噴面出現裂縫、局部滑塌等變形現象。

(2) 監測資料顯示該廠房邊坡地表變形以水平位移為主，即向臨空面回彈，位移量值27.4 mm～60.0 mm之間，垂直位移在5.9 mm～22.1 mm之間，平位移和垂直位移均未收斂，處于緩慢增長狀態。

(3) 大規模開挖是邊坡變形的主控因素，開挖引起巖體應力場的改變，巖體向臨空面回彈變形，加劇了巖體裂隙發育、張開及貫通，加之受斷層及地下水影響，導致在混凝土噴面裂縫和局部滑塌。

(4) EL.734 m產生的滑塌為牽引式滑塌，在其后緣產生4條橫向裂縫，目前裂縫寬度有擴大趨勢，需要及時進行支護，以防滑塌體進一步產生滑動破壞。