某水電站庫區(qū)變形體成因機制分析及穩(wěn)定性評價研究

胡亞東，杜瀟翔，張一希，張 斌，蔡 斌

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

變形體是一種常見的邊坡類型，長期的工程經(jīng)驗表明，在水庫區(qū)區(qū)域環(huán)境復雜、岸坡巖體風化卸荷強烈、巖體破碎地段，因水庫蓄水消落影響邊坡前緣極易產(chǎn)生變形破壞，在邊坡上部形成變形體，威脅鄰近村鎮(zhèn)、道路安全和水庫正常運行。

基于此，本文以某水電站庫區(qū)變形體為研究對象（見圖1），該變形體隨著水庫蓄水的不斷上升逐漸出現(xiàn)開裂變形，隨著變形的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了多次塌岸，上部發(fā)育多條拉裂縫，因此研究該變形體的成因機制和對其穩(wěn)定性進行評價，對于后期工程治理具有重要意義。

圖1 變形體工程地質(zhì)平面示意

1 基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

該變形體發(fā)育在金沙江和河流切割下形成的突出條形山脊東側(cè)的陡坡段，階面高程720～740 m；前緣金沙江由南向北流經(jīng)工作區(qū)，下游側(cè)發(fā)育有一淺切割的小沖溝。變形體邊坡總體為逆向坡，坡向近E；720 m高程以下至原河床450 m高程為陡坡，坡度45°～60°；720 m高程以上為公路和小鎮(zhèn)緩坡平臺。

1.2 地層巖性

變形體及附近主要為基巖岸坡，淺表覆蓋層較薄。出露基巖地層為倒轉(zhuǎn)背斜，上部為寒武系龍王廟組和陡坡寺組（∈1l+d）青灰色灰?guī)r、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r；下部為西王廟組（∈2x）紫紅色粉砂巖、泥巖。

根據(jù)地表地質(zhì)測繪及勘探鉆孔揭示，地層巖性描述如下：①碎石土（Q4ml）主要為人工填土、灰黃色碎石土，厚度0～6.8 m。②寒武系龍王廟組和陡坡寺組（∈1l+d）巖性為青灰色灰?guī)r、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r存在砂化現(xiàn)象，厚度30～80 m。砂化白云質(zhì)灰?guī)r底部有層厚約1.5～3.5 m的灰綠色頁巖夾層分布。③寒武系西王廟組（∈2x）巖性為紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

變形體緊鄰兩斷裂帶交匯處，在兩條主斷裂帶共同作用下，工程區(qū)所處位置地質(zhì)構(gòu)造條件復雜，次生斷層、擠壓帶、褶皺發(fā)育，巖層倒轉(zhuǎn)。

變形體總體為基巖岸坡，地層產(chǎn)狀總體為N0°～25°E／NW∠45°～65°，巖層與岸坡走向夾角為10°～35°，屬斜逆向坡。主要存在兩組節(jié)理裂隙，①J1：N70°W／NE∠80°，可見延伸2～5 m，間距0.5～1.5 m，平直粗糙，充填少量巖屑及次生泥；②J2：N55°E／SE∠45°，可見延伸1～3 m，間距0.5～1.5 m，平直粗糙，充填少量巖屑及次生泥。

在下游沖溝處有1條小斷層f1出露，為變形體的下游邊界，其產(chǎn)狀為N25°～35°E／SE∠60°～75°，斷層及影響帶寬0.2～1 m，帶內(nèi)物質(zhì)主要為碎裂巖塊、角礫和次生泥。

1.4 物理地質(zhì)作用

物理地質(zhì)作用主要為風化卸荷，全強風化（砂化）深度一般為30～80 m，局部可達130 m，呈囊狀風化特征，強卸荷水平深度30～50 m；弱風化水平深度一般100～150 m，弱卸荷水平深度80～100 m。

2 變形破壞分區(qū)與變形特征

變形體順河長約280 m，橫河寬約140 m，分布高程在720 m以下，根據(jù)變形破壞情況，將該段岸坡分為塌岸區(qū)和塌岸變形體。

2.1 塌岸區(qū)

700～710 m高程以下，變形破壞特征以塌岸為主。塌岸區(qū)上游自一溝槽開始，下游至坡體轉(zhuǎn)折處，轉(zhuǎn)折處至f1斷層之間尚未垮塌?？逅鷧^(qū)順河長約220 m，正常蓄水位以上高約110 m，坡度為45°～60°，垮塌面積約1.6萬m2，在變形體中部及上游側(cè)垮塌水平深度為5～25 m。物質(zhì)主要為坡表覆蓋層和表部破碎的全強風化巖體，方量約30萬m3。

2.2 塌岸變形體

受水庫蓄水消落影響坡體前緣產(chǎn)生塌岸坡壞，受其牽引在上部形成變形體。該變形體上游以小沖溝為邊界，下游以f1斷層為邊界，順河寬為220 m，后緣以公路變形裂縫邊界，前緣650～670 m高程以灰綠色頁巖為邊界，橫河長約40 m，坡度為45°～60°。物質(zhì)組成以全強風化（砂化）白云質(zhì)灰?guī)r為主，平均厚度為50 m，方量約為44萬m3。

3 變形成因機制分析

該變形體發(fā)育在臨江岸坡上，地形坡度45°～60°，覆蓋層淺薄，主要為逆向基巖岸坡。兩條斷裂帶從變形體附近通過并交匯。受區(qū)域構(gòu)造影響，變形體巖層倒轉(zhuǎn)，上部為∈1l+d灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，正常蓄水位600 m高程以下為∈2x粉砂巖、泥巖。在復雜區(qū)域構(gòu)造作用下，變形體內(nèi)巖體擠壓帶和斷層發(fā)育，巖體破碎，風化卸荷作用強烈。全強風化（砂化）深度30～80 m，局部可達130 m，強卸荷深度30～50 m。

水庫蓄水后，岸坡最大淹沒高度達150 m。該段岸坡地形高陡，淹沒水深大，岸坡巖體450～600 m高程巖性為粉砂巖、泥巖，600～720 m高程巖性以白云質(zhì)灰?guī)r為主，層面產(chǎn)狀中傾山內(nèi)，屬斜逆向坡，未見傾向坡外的長大結(jié)構(gòu)面，現(xiàn)場調(diào)查在影響區(qū)范圍外未見有明顯的岸坡變形現(xiàn)象，岸坡整體穩(wěn)定。在蓄水初期，岸坡內(nèi)應力條件逐步改變，使岸坡強風化強卸荷破碎巖體失穩(wěn)垮塌，塌岸牽引引起上部公路變形。外部環(huán)境條件和內(nèi)部應力條件變化，引起變形體的進一步垮塌和后緣裂縫發(fā)展。

綜上分析，變形體是在所處區(qū)域環(huán)境復雜、岸坡巖體風化卸荷強烈、巖體破碎，岸坡巖體受水庫蓄水消落作用產(chǎn)生塌岸坡壞，受其牽引在上部形成變形體。該塌岸變形體組成物質(zhì)以全強風化（砂化）白云質(zhì)灰?guī)r為主，平均厚度為50 m，方量約為44萬m3。

4 變形體穩(wěn)定性分析與評價

4.1 監(jiān)測成果分析4.1.1 表觀檢測

在變形體上游邊界外、變形體中部、變形體下游側(cè)和變形體公路以上位置依次布置了4個表觀監(jiān)測點TP01～TP04（見圖2），各測點特征值見表1。

表1 測點累計位移量統(tǒng)計

圖2 監(jiān)測矢量（單位：mm）

通過分析：TP01、TP03累計平面合位移、沉降測值均較??；累計平面合位移測值TP02為146.2 mm，TP04為316.9 mm。沉降測值TP02為173.9 mm，TP04為288.7 mm。測值最大點均為TP04（下游側(cè)）。

4.1.2 鉆孔測斜監(jiān)測

在上部平臺的ZKyj03（150 m）、ZKyj06（100 m）鉆孔布置2個鉆孔測斜監(jiān)測點。ZKyj03顯示，岸坡在36 m深度以上存在連續(xù)的變形，最大變形量為1.4 mm，位移曲線呈蠕滑特征，方向為垂直于臨空面方向，指向下游。ZKyj06顯示，岸坡在27 m深度以上存在連續(xù)變形，最大變形量為2.4 mm，位移曲線呈蠕變特征，方向為指向臨空面方向。

4.1.3 變形特點

綜上分析，該變形體具如下變形特點：（1）下游變形大于上游側(cè)，變形方向為臨江偏下游；（2）蓄水初期變形較大；（3）各點變形速率與水庫的蓄水消落過程及強降雨關(guān)系明顯；（4）根據(jù)測斜孔監(jiān)測成果，ZKyj03變形深度為36 m，ZKyj06變形深度為27 m。

4.2 定性分析

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該段岸坡塌岸改造后，原河床450～650 m高程多為弱風化巖體，巖層中傾山里，正常蓄水位以下巖性多為粉砂巖，正常蓄水位以上巖性灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，邊坡未見傾向坡外的長大結(jié)構(gòu)面，在影響區(qū)范圍外未見有明顯的岸坡變形現(xiàn)象，結(jié)合監(jiān)測成果分析，該段岸坡整體穩(wěn)定。

針對水庫消落區(qū)邊坡變形情況和地質(zhì)條件進行調(diào)查，消落區(qū)540～600 m高程，巖性主要為粉砂巖，巖層產(chǎn)狀中傾山內(nèi)，屬斜逆向坡，巖體較完整，成層性好，未見傾向坡外的長大結(jié)構(gòu)面，消落區(qū)邊坡穩(wěn)定。

變形體分布高程為650～720 m，組成物質(zhì)以全強風化（砂化）白云質(zhì)灰?guī)r為主，平均厚度為50 m，方量約為44萬m3。該變形體650～670 m高程以上的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r風化強烈，巖體多成砂化狀，其力學性質(zhì)較差。根據(jù)的現(xiàn)場調(diào)查和變形監(jiān)測成果，變形蠕滑深度為27～36 m，變形速率與水庫蓄水和強降雨關(guān)系明顯。據(jù)此判斷，該變形體在天然狀態(tài)下其穩(wěn)定性處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨、地震等不利條件下可能發(fā)生加劇變形或失穩(wěn)滑塌。

4.3 穩(wěn)定性計算

4.3.1 巖土體物理力學參數(shù)

在試驗基礎(chǔ)上，通過工程類比、反演分析進行力學參數(shù)建議取值。變形體各類巖體物理力學指標建議值見表2。

表2 各類巖土體物理力學指標建議值

4.3.2計算剖面和方法選取

在現(xiàn)狀岸坡穩(wěn)定性計算過程中，選取主剖面縱1-1和下游側(cè)公路f1位置的縱3-3兩條剖面進行計算分析（見圖3～4）。計算考慮3條潛在滑面，滑面1：1-1剖面按上部砂化巖體（剪出口位于強風化（砂化）邊界）、3-3剖面按上部砂化強風化（砂化）巖體（剪出口位于砂化底界）；滑面2：1-1和3-3剖面均按中部巖性分界（剪出口位于600 m正常蓄水位附近的巖性分界）；滑面3：1-1和3-3剖面均按整體岸坡（剪出口位于原河床附近）。擬定3種工況，即：天然、暴雨（考慮滑體10%飽水，滑面為飽水狀態(tài)）、天然+地震（烈度Ⅶ度，地震系數(shù)0.15 g）。其中砂化巖體中的滑面1采用圓弧滑面簡化bishop法計算，滑面2、滑面3采用傳遞系數(shù)法計算。

圖3 1-1剖面示意

圖4 3-3剖面示意

4.3.3計算結(jié)果

按照以上方法計算后，穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性計算成果統(tǒng)計

計算結(jié)果表明，砂化巖體（滑面1）在暴雨工況下處于極限穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，在天然和地震工況處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。正常蓄水位600 m高程巖性分界以上邊坡整體穩(wěn)定性（滑面2）1-1剖面在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，3-3剖面在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。原河床450 m高程以上邊坡整體穩(wěn)定性（滑面3）在3種工況下均處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3.4 穩(wěn)定性綜合評價

根據(jù)上述定性分析和定量計算。該變形體在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；正常蓄水位600 m高程巖性分界以上邊坡天然狀態(tài)下整體處于基本穩(wěn)定性狀態(tài)，暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；原河床450 m高程以上邊坡在各工況下均處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論和建議

（1）該變形體所處區(qū)域環(huán)境復雜、岸坡巖體風化卸荷強烈、巖體破碎，受水庫蓄水消落影響坡體前緣產(chǎn)生塌岸坡壞，受其牽引在上部形成變形體。該變形體上游以小沖溝為邊界，下游以f1斷層為邊界，順河寬為220 m，后緣以公路變形裂縫邊界，前緣650～670 m高程以灰綠色頁巖為邊界，橫河長約40 m，前緣坡度為45°～60°。物質(zhì)組成以全強風化（砂化）白云質(zhì)灰?guī)r為主，平均厚度為50 m，方量約為44萬m3。

（2）根據(jù)監(jiān)測成果分析，下游變形大于上游側(cè)，變形方向為臨江偏下游；蓄水初期變形較大；各點變形速率與水庫的蓄水消落過程及強降雨關(guān)系明顯。

（3）該變形體在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；正常蓄水位600 m高程巖性分界以上邊坡天然狀態(tài)下整體處于基本穩(wěn)定性狀態(tài)，暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；原河床450 m高程以上邊坡在各工況下均處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）根據(jù)穩(wěn)定性評價結(jié)果，建議對變形體上部的砂化巖體進行治理，可考慮以減載、加固、排水為主導的治理方案進行分析研究。