西藏扎拉水電站傾倒變形邊坡穩定性分析與評價

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

扎拉水電站位于西藏境內怒江左岸一級支流玉曲河上,采用混合式開發，主要任務是發電。主要建筑物由大壩、引水隧洞、電站廠房組成?；炷林亓巫畲髩胃呒s67 m，引水發電隧洞線路長約5 km，地面廠房主電站利用最大水頭690.55 m，裝機容量1 000 MW，工程規模為Ⅱ等大(二)型[1]。工程區地處青藏高原東南部，高山峽谷地貌，新構造運動強烈，卸荷和傾倒變形現象普遍發育，廠后邊坡穩定性對電廠和引水發電隧洞調壓室位置的確定具有重要影響。

20世紀70～80年代，傾倒變形邊坡問題在世界范圍被逐漸重視起來，相關研究方法相繼提出，包括Goodman、Bay(1976)等提出的邊坡發生傾倒變形機理以及基于靜力平衡的穩定性計算方法。目前，國內對傾倒變形邊坡的研究還剛起步且不系統，對其形成機制、工程地質特性的認識還不統一，對其穩定性評價還少有涉及。國內其他一些設計院及科研單位主要針對逆向(反傾向)坡傾倒變形巖體進行了初步研究[2-6]。關于巖體傾倒分區(分級)方面，多考慮變形強烈程度這一因素，缺少對傾倒巖體本身工程地質特性的分析，未形成成熟的分區體系。由于傾倒變形邊坡的工程地質條件及邊界條件很復雜，目前對其穩定性評價多采用定性方法，可靠度欠缺；在定量方面，建立地質模型進行數值模擬過于繁瑣[7-9]，相關規范推薦的基于極限平衡理論的傳遞系數法適用條件局限，均不是傾倒變形邊坡穩定性評價的適宜方法，也不能滿足工程治理設計的需要。在扎拉水電站廠后傾倒邊坡專題研究過程中，采用綜合勘察手段查明了邊坡傾倒變形地質特性，提出工程地質分區新原則；結合物理模擬、數值計算、穩定性和崩落計算等方法研究邊坡破壞模式，初步建立了傾倒變形邊坡穩定性評價體系；設計人員根據地質分析成果，將前期廠址進行了調整，開創了我國在傾倒變形邊坡巖體中建設調壓室的先例。

1 地質概況

廠址位于玉曲河右岸，玉曲河流向北北西，河床寬15～30 m，河底高程2 111～2 116 m。漫灘灘面高程2 124～2 128 m，高出河水面7～11 m，縱向長約250 m，兩端束窄，中部寬36 m左右。漫灘后為Ⅱ級階地，平臺寬70～170 m，高程2 150～2 166 m，高出河水面40～50 m。階地后緣與山體相接，山體邊坡坡頂高程2 965～3 115 m，坡腳高程2 165 m左右，坡高800～950 m，屬超高邊坡；坡面總體呈陡-緩-陡的地形，高程2 550 m以上坡角40°～70°，高程2 550～2 285 m地形稍緩，坡角25°～35°，高程2 285 m以下坡角35°～55°，局部為陡崖。

廠后山體邊坡除中部地形較緩處堆積有厚度較小的第四系崩坡積(Qcol+dl)碎塊石土覆蓋層外，大多基巖出露，基巖沿坡面自下而上由三疊系上統瓦浦組第三段(T3wp3)鈣質板巖和三疊系上統瓦浦組第四段(T3wp4)結晶灰巖、大理巖組成。其中T3wp3薄層狀鈣質板巖分布于邊坡中、下部， T3wp4薄層狀結晶灰巖、中厚層夾薄層狀大理巖分布于坡體上部，二者地形上呈陡緩接觸，接觸處高程2 534～2 695 m。

基巖呈單斜構造，板理(層理)傾北東-南東東，傾角一般24°～50°，變化較大。邊坡坡面傾向南西，總體呈斜-逆向坡。小斷層亦多陡傾坡內，或與坡面橫交。坡表由于風化、卸荷和傾倒變形，裂隙較發育。據平洞、鉆孔揭露，強風化帶水平深度17～104 m，其中風化較深位置位于坡體中部鈣質板巖分布區；坡體下部、上部地形較陡，風化深度相對較淺，上部大理巖無強風化帶，地表出露及平洞PD24(洞深119.7 m)揭示均為弱風化巖體。

坡表未見地下水出露，勘探揭示有基巖裂隙水，水量較小，在坡腳平洞PD14洞深58，95 m處沿斷層地下水初見流量分別為200，10 L/min，洞口穩定總流量約80 L/min左右。

2 傾倒變形巖體工程地質分區及特征

廠后邊坡巖體普遍發生傾倒變形，根據邊坡上、中、下部3層平洞勘探揭露，坡腳一帶(平洞PD14、PD25)傾倒變形體水平深度為78.0～119.5 m，坡體中部(平洞PD15)傾倒變形體水平深度大于117 m，上部(平洞PD24)傾倒變形體水平深度186 m。傾倒巖體與正常巖體界面彎曲，為底彎面(帶)，底彎面上有裂紋，未完全折斷，屬傾倒彎曲型。按照發生傾倒變形的強烈程度，將傾倒變形巖體自坡外向內分為極強、強、弱傾倒變形區(見圖1)，不同分區的巖體結構和變形破壞型式具明顯差異[10]。

(1) 極強傾倒變形區(C區)，主要分布在邊坡下部(高程2 320 m以下)，水平深度10 m左右。散體結構，部分呈碎裂結構，一般不具有連續板理(層理)，巖塊間普遍具架空現象，或充填碎石、巖屑，多在重力作用下已發生錯動、墜覆。卸荷裂隙極為發育，平均線密度10條/m，裂隙張開度一般1～3 cm，最寬達30 cm，多充填有黃色泥質，陡傾角；板理面脫開，板理裂隙間距一般1～5 cm，裂隙張開度一般1～5 mm，多無充填，傾角總體近水平狀。極強傾倒變形區巖體地震波速1 289～1 546 m/s，鉆孔壓水試驗不起壓，具極強透水性。

(2) 強傾倒變形區(B區)，分布于整個坡體，水平深度37.0～70.8 m。碎裂結構，表現為層內及層間拉張，板理(層理)基本連續，發育傾坡外的拉張裂隙，其中多充填碎石、巖屑或黏性土。裂隙按產狀可分為3組，優勢產狀分別為N22°～33°W/SW∠24°～31°(橫坡向裂隙，間距一般20～50 cm)、N21°～35°W/NE∠29°～35°(板理裂隙，間距一般3～10 cm)、N39°～44°W/SW∠83°～88°(卸荷裂隙，板巖中平均線密度3條/m，結晶灰巖中平均線密度5條/m)，其中NNW向中緩傾角結構面較多。比較而言，下部板巖和上部結晶灰巖中裂隙發育情況基本相同，但上部結晶灰巖中陡傾裂隙在結構面總數中所占比例較大，延伸長度和張開度也相對較大。

強傾倒變形區巖體地震波速2 098～3 224 m/s，鉆孔壓水試驗多數不起壓，局部透水率31.7 Lu，具極強-強透水性，變形模量0.09 GPa，彈性模量0.31 GPa，抗剪斷強度摩擦系數f′=0.74～1.00，凝聚力C＇=0.22～0.40 MPa。

注：1.第四系崩坡積；2.第四系洪坡積；3.三疊系上統瓦浦組第四段第二層；4.三疊系上統瓦浦組第四段第一層；5.三疊系上統瓦浦組第三段；6.碎塊石土；7.結晶灰巖；8.大理巖；9.鈣質板巖；10.地層界線；11.第四系與基巖界線；12.巖性界線；13.鉆孔及編號；14.平洞及編號；15.傾倒巖體分區代號及界線(A區為弱傾倒變形區，B區為強傾倒變形區，C區為極強傾倒變形區)圖1 廠后傾倒變形邊坡工程地質剖面Fig.1 Geological profile of toppling slope behind power plant

(3) 弱傾倒變形區(A區)，水平深度78～186 m。邊坡上部平洞PD24揭示：自洞口至洞深22 m范圍內大理巖弱傾倒變形巖體呈鑲嵌碎裂結構，發育多條張開裂隙，最大開度10 cm；洞深21，22 m處發育兩條夾碎石的陡傾斷層，帶寬0.3～0.5 m?；颈３衷紟r體的層狀結構，板理(層理)連續，傾坡外的拉張裂隙相對不發育，巖層以彎曲變形為主。

弱傾倒變形區巖體地震波速2 868～4 381 m/s，鉆孔壓水試驗透水率23.7～40.4 Lu，具中等透水性，變形模量0.21 GPa，彈性模量0.77 GPa，抗剪斷強度摩擦系數f′=1.00～1.20，凝聚力C＇=0.56～1.11 MPa。弱傾倒變形區和正常巖體之間的底彎帶抗剪斷強度摩擦系數f′=0.51～1.74，凝聚力C＇=0.14～0.39 MPa。

圖2 廠后傾倒變形邊坡失穩破壞模式Fig.2 Failure modes of toppling slope behind power plant

3 邊坡變形破壞模式分析

在廠后邊坡變形跡象調查的基礎上，采用UDEC離散元數值軟件對其變形破壞過程進行模擬[11]。模擬計算結果表明，廠后傾倒變形邊坡主要失穩模式為拉裂-滑移-剪斷、傾倒崩塌及隨機塊體崩落(見圖2)，其中拉裂-滑移-剪斷可能產生較大的失穩塊體，對電站廠房及附屬建筑物的安全運營威脅最大，而傾倒崩塌、隨機塊體崩落多形成的為“小而多”的巖塊堆積體，對電廠威脅相對較小。

3.1 拉裂-滑移-剪斷

該失穩模式主要發育于坡頂突出山梁部位[12]，也即邊坡T3wp3與T3wp4分界線以上大理巖、結晶灰巖分布區。邊坡巖體在河谷下切的長期歷史過程中，由于卸荷回彈變形強烈而產生大量與坡表近平行的拉張性質的卸荷裂隙，其優勢產狀為N40°～45°W/SW∠74°～78°，陡傾坡外發育。當變形量超過巖體變形極限，卸荷裂隙即張開，并在自重作用下逐漸貫通形成傾坡外滑動面，上部巖體順滑面滑移，最終剪出，因失去支撐而滑塌。

3.2 傾倒崩塌

該失穩模式主要發育在邊坡T3wp3與T3wp4分界線薄層結晶灰巖分布區，以及分界線以下板巖分布區的淺表部。河谷下切創造了臨空面，邊坡發育的反傾坡內薄層板巖及結晶灰巖在自重及上部巖體重力作用下，向臨空方向發生傾倒彎曲變形，并在巖層上表面產生隨變形持續而不斷增加的拉應力。當拉應力大于該部位巖層抗拉強度時，巖層拉裂，出現短小的切層裂隙，陡傾坡外發育，巖體破碎崩落[13]。

3.3 隨機塊體崩落

該失穩模式發生在T3wp3與T3wp4分界線以上結晶灰巖、大理巖分布區，薄層結晶灰巖及中厚層狀大理巖受卸荷作用影響，發育有優勢產狀為N40°～45°W/SW∠74°～78°的陡傾坡外卸荷裂隙，裂隙發育密集，間距0.2～0.5 m，發育深度約0.2～1.5 m，無張開或微張開，與坡表優勢產狀為N21°～28°W/NE∠16°～23°的層面共同切割巖體成松散塊體。由于造成此類失穩模式的卸荷裂隙發育深度較淺，發育密集，或陡傾發育，地形上無剪出條件，最終以在風化和卸荷作用下失穩崩落的形式失穩，在緩坡地帶形成“小而多”巖塊堆積[14]。

4 邊坡穩定性計算與評價

4.1 滑移穩定性計算

在平洞內對傾倒變形巖體底

彎面(帶)、主要結構面(裂隙面、巖層面和板理面)、弱傾倒變形A區、強傾倒變形B區(極強傾倒變形C區為散體結構，無法制樣，未對其進行試驗)，分別進行了現場抗剪(斷)、變形試驗和地震波測試。以上述試驗、測試成果為基礎，綜合考慮傾倒變形巖體及結構面特征，提出邊坡穩定計算所需的相關參數建議值(見表1)。

拉裂-滑移-剪斷模式規模較大，危害程度大，是分析研究的重點?；品€定性計算采用基于極限平衡理論Geo-Studio軟件的Slope模塊，并通過Bishop法、M-P法、傳遞系數法等多種方法進行校驗。計算工況分別考慮了天然工況、短暫工況(暴雨)、偶然工況(地震，動峰值加速度148gal)等3種。

圖3 廠后傾倒變形邊坡滑移破壞模式Fig.3 Sliding-failure modes of toppling slope behind power plant

基于傾倒變形邊坡地質剖面和變形破壞數值模擬結果，擬定了6種滑移剪出模式(見圖3)：① 邊坡下部C區極強傾倒變形巖體沿C/B區界面滑塌；② 邊坡極強、強傾倒變形區(C區+ B區)巖體沿A/B區界面滑移；③ 邊坡極強、強、弱傾倒變形區(C區+ B區+A區)巖體沿底彎面滑移；④ 邊坡中上部強傾倒變形區(B區)巖體在地形陡緩交界處剪出滑移；⑤ 邊坡下部極強傾倒變形巖體(C區)、局部強傾倒變形巖體(B區)沿B區內部和C/B區組合界面滑移；⑥ 邊坡上部弱傾倒變形區(A區)坡表張開裂隙發育巖體滑塌。

表1 廠后傾倒變形邊坡巖土參數建議值Tab.1 Geomechanical parameters of toppling slope

根據DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》，廠后邊坡屬A類Ⅱ級邊坡，設計安全系數持久工況為1.25～1.15，短暫工況1.15～1.05，偶然工況1.05[15]。穩定性計算結果表明(見表2)：在天然工況下，各模式穩定性系數1.397～1.784，大于設計安全系數，穩定；在暴雨工況下，各模式穩定性系數為1.186～1.440，相對于天然工況穩定性系數有明顯降低，但仍大于設計安全系數，穩定；在地震工況下，模式②、③、⑤穩定性系數為1.207～1.287，大于設計安全系數且安全儲備足夠，但模式①、④、⑥穩定性系數為1.087～1.090，略大于設計安全系數，安全儲備稍顯不足。

4.2 巖塊崩落估算

傾倒崩塌、隨機塊體崩落形成的巖塊較小，但數量較多，對廠區建筑物和施工安全不利。以邊坡淺表部巖體失穩崩落為研究對象，采用Rockfall軟件模擬估算塊體崩落后的影響范圍[16]。邊坡中部淺表層主要為第四系碎塊石土，法向阻尼系數取0.32，切向阻尼系數取0.85；其余部位均出露基巖，法向阻尼系數取0.35，切向阻尼系數取0.85。坡表還生長有少量灌木。

表2 廠后傾倒變形邊坡穩定性計算成果Tab.2 Stability results of toppling slope behind power plant

根據模擬估算結果，巖塊從高處崩落之后順坡面運動，在邊坡高程2 700 m及2 350 m陡緩交界處出現了跳躍，跳躍幅度不大，最大跳躍高度為19 m。巖塊崩落運動穩定之后，最終落點主要分布在水平距離1 220～1 270 m、高程2 160～2 175 m的范圍。廠址位于水平距離1 220～1 400 m、高程2 120～2 165 m的玉曲河漫灘和階地，因此邊坡上崩塌后的部分巖塊會滾動到達廠區。

4.3 穩定性評價及處理意見

廠后傾倒變形邊坡為傾倒彎曲型，在天然和暴雨工況下，邊坡均處于穩定狀態。在地震工況下，邊坡下部極強傾倒變形區(C區)巖體、中上部強傾倒變形區(B區)巖體和上部弱傾倒變形區(A區)坡表張開，裂隙發育，巖體安全儲備稍顯不足。這些區段巖體風化卸荷作用強烈，結構破碎，在地震作用下可能會發生局部塊體崩塌。根據巖塊崩落模擬計算成果，崩塌滾落的巖塊可能運動至廠房位置，建議采取攔擋措施，以應對安全儲備稍顯不足的區段巖塊崩落的不利影響，確保廠房安全運行。

5 結 語

扎拉水電站工程區地質條件極為復雜，廠后超高邊坡地形陡峻，板巖、大理巖、變質流紋斑巖基巖種類多，巖性軟弱相間，普遍發生傾倒變形，對廠區樞紐選址和建筑物布置方案影響很大。在前期各設計階段，勘察單位聯合相關科研單位、高等院校，對傾倒變形邊坡進行了專題研究，創新地提出根據傾倒變形程度進行邊坡巖體內部工程地質分區原則，采用數值法計算模擬邊坡變形破壞模式，對各分區各種破壞模式采用基于極限平衡理論的多種方法進行計算、校核，以提高穩定性評價的可靠性、準確性。設計專業根據地質分析成果，將廠址向玉曲河方向移動了約50m，既可避免施工開挖擾動傾倒變形邊坡，也可最大程度地降低邊坡上巖塊崩落危害。同時，將引水隧洞調壓室置于弱傾倒變形區(A區)和正常巖體內，開創了我國在傾倒變形邊坡巖體中建設調壓室的先例。

國內對傾倒變形邊坡的研究還剛起步，對其工程地質特性的認識還較淺顯，對其穩定性評價還少有涉及，對其危害性尚未引起相當重視，扎拉水電站廠后傾倒變形邊坡的研究成果可作為類似工程的有益借鑒。目前，扎拉水電站可行性研究報告已通過審查，成為西藏自治區境內首個具有開工條件的百萬裝機容量的水電工程，它的興建一定會為我國西南“三江”流域水電能源接續基地建設作出新的貢獻。