金沙江上游某特大型危巖體失穩(wěn)模式分區(qū)與穩(wěn)定性評價

劉沖平， 鐘 華， 柳景華， 張煥強， 楊志川

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430074)

西南地區(qū)水電工程環(huán)境復雜，存在一些自然邊坡特大型危巖體，其穩(wěn)定性對水電工程壩址區(qū)的工程布置、施工及安全等影響重大，因此評價其穩(wěn)定性十分必要。特大型危巖體因其范圍與方量巨大，各部位邊界條件與失穩(wěn)模式等不同，評價方法存在差異，穩(wěn)定性亦不能一概而論。因此，對于特大型危巖體，宜按潛在失穩(wěn)模式進行分區(qū)，并相應地進行穩(wěn)定性評價和有針對性地進行工程處理[1]。李會中等[2]研究了早谷田危巖體發(fā)育特征及變形發(fā)展機理，為危巖體失穩(wěn)模式分析、穩(wěn)定性評價提供了依據(jù)；李釗等[3]對某滑移式危巖體進行了穩(wěn)定性分析和治理方案研究；王恒等[4]研究了三峽庫區(qū)黃巖窩危巖體的劣化特征，提出其具有潰曲滑移式、傾倒式和墜落式3種基本變形破壞模式；李麗華等[5]進行了某危巖體崩塌成因機制與穩(wěn)定性評價；王敬勇等[6]研究了雅魯藏布江街需水電站巨型危巖體賦存邊界、連通狀態(tài)、等效參數(shù)，采用定性和定量方法綜合確定了危巖體整體和局部穩(wěn)定性、失穩(wěn)方式。

特大型危巖體具有范圍規(guī)模巨大、邊界條件復雜、失穩(wěn)模式多樣、穩(wěn)定性評價困難等特點，本文針對該類危巖體，根據(jù)邊界條件的差異進行失穩(wěn)模式分區(qū)研究，有針對性地開展穩(wěn)定性評價，并對各分區(qū)提出相應的工程處理措施建議，以達到綜合治理目的，對同類特大型危巖體治理具有借鑒意義。

1 基本地質(zhì)特征

該特大型危巖體位于金沙江上游旭龍水電站壩址區(qū)[7]，分布高程為2 150～2 550 m，方量為145×104m3，坡度一般為50°～65°(局部近直立)，以山脊形態(tài)凸出于金沙江左岸坡表(圖1)。巖體巖性主要為灰黑色斜長角閃(片)巖，片理面產(chǎn)狀250°～270°∠55°～75°，巖質(zhì)堅硬，片理較發(fā)育，膠結(jié)較緊密，呈次塊狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育4條斷層或裂隙性斷層，一組為橫河向陡傾裂隙，一組為順河向陡傾裂隙。強卸荷水平深度一般為35～45 m，卸荷裂隙發(fā)育，一般張開1～2 mm，部分張開10～20 cm，充填巖屑、巖塊；弱卸荷水平深度為15～25 m，裂隙張開1～2 mm，局部附鈣膜。

2 成因機制分析

金沙江河谷深切，一級岸坡分布高程為2 150～2 400 m，平均坡度為50°～70°；二級岸坡分布高程在2 400 m以上，平均坡度為35°～50°。危巖體下游側(cè)岸坡受到近順坡向中陡傾的斜長角閃(片)巖片理影響，在經(jīng)歷外部風化、卸荷[8]等表生作用改造后，形成凹面坡地形。危巖體上游側(cè)岸坡受到橫河向的F1斷層影響，形成深切沖溝。因此，危巖體呈三面臨空的山脊形態(tài)凸出于金沙江左岸坡表。

圖1 危巖體實景圖(正面、側(cè)面視角)Fig.1 Actual scene of dangerous rock mass(front and side view)

該危巖體2 400 m高程以下發(fā)育順坡向和橫河向兩組長大裂隙，部分裂隙延伸長達250 m以上，普遍張開、拉裂，部分順坡向裂隙拉裂寬度達20 cm。邊坡受兩組長大裂隙縱橫切割影響，易松動崩落。高程2 400 m以上三面臨空，發(fā)育不同規(guī)模的潛在不穩(wěn)定危巖體，邊坡巖體結(jié)構(gòu)松弛，變形破壞現(xiàn)象明顯。

由于危巖體三面臨空，其地形條件為巖體提供了良好的卸荷松弛變形條件[3]。經(jīng)卸荷作用，形成大量沿原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面兩個優(yōu)勢方位發(fā)展的長大卸荷裂隙，并強烈切割危巖體。坡表松動巖體在自重作用下多沿卸荷裂隙逐漸解體，呈傾倒、滑移變形破壞，并不斷向深部發(fā)展。部分長大卸荷裂隙切割巖體較深，且連通性好(如Tf116、Tf50)，構(gòu)成變形破壞邊界(圖2)。

3 失穩(wěn)模式分區(qū)

按危巖體破壞失穩(wěn)模式、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征不同，將其劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)三個區(qū)域，其中Ⅱ區(qū)可進一步劃分為Ⅱ-1區(qū)和Ⅱ-2區(qū)(圖2)。各分區(qū)特征見表1，代表性剖面見圖3。

3.1 Ⅰ區(qū)

Ⅰ區(qū)分布于危巖體上部(圖4)，分布高程為2 360～2 550 m，三面臨空，臨江段坡度為45°左右，上、下游側(cè)面形成陡崖。巖體呈碎裂—層狀結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量差。強卸荷水平深度為40～50 m，坡表可見順坡向中、陡傾裂隙發(fā)育。受巖體風化、卸荷作用，坡表遍布大小不等的松動危巖體，淺表部穩(wěn)定性差。

圖2 危巖體工程地質(zhì)分區(qū)圖Fig.2 Engineering geological zoning map of dangerous rock mass

圖3 危巖體代表性剖面圖Fig.3 Representative sections of dangerous rock mass

3.2 Ⅱ區(qū)

Ⅱ區(qū)位于Tf116上游側(cè)，分布高程為2 160～2 360 m，兩面臨空。斜長角閃(片)巖巖體呈塊裂—層狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育兩組長大裂隙。強卸荷帶水平深度為35～45 m。Ⅱ區(qū)中Tf50下游側(cè)—Tf116上游側(cè)范圍定為Ⅱ-1區(qū)，該區(qū)受滑移面及滑移側(cè)邊界控制，可能產(chǎn)生滑移破壞；Ⅱ區(qū)中Tf50上游側(cè)范圍定為Ⅱ-2區(qū)，該區(qū)巖體以側(cè)向漸進式傾倒破壞為主。Ⅱ區(qū)地質(zhì)剖面圖見圖5。

表1 危巖體各分區(qū)地質(zhì)特征表Table 1 Geological characteristics of dangerous rock mass in different zones

圖4 Ⅰ區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.4 Geological profile of Area Ⅰ

(1) Ⅱ-1區(qū)。兩面臨空，臨河坡面走向一般為260°～270°，整體坡度為71°左右。下游側(cè)形成近橫河向臨空面，坡面走向160°～170°，坡度為70°～80°。Tf116為控制性底滑邊界，裂隙傾向260°～270°，跡線呈弧形，高程2 245 m以下傾角為30°～50°，高程2 245 m以上傾角為50°～70°。該裂隙由高程2 200 m延伸至2 380 m處，裂隙總體連通性好；高程2 200 m至坡腳剪出口2 170 m段裂隙連通性差。上游側(cè)受到橫河向Tf50長大裂隙切割，形成該區(qū)滑移失穩(wěn)破壞的側(cè)滑邊界，該組長大裂隙一般張開，充填巖塊巖屑，延伸較長，達數(shù)十米—數(shù)百米，連通性好。

(2) Ⅱ-2區(qū)。位于Ⅱ-1區(qū)上游側(cè)，由于受到近橫河向及順坡向陡傾角長大裂隙的強烈切割，邊坡巖體形成近似長柱狀的棱柱體。在Ⅱ-1區(qū)滑移破壞后，Tf50處形成Ⅱ-2區(qū)下游側(cè)新的臨空面，且在該坡面方向上呈倒坡形態(tài)。切割的塊體在該方向上將出現(xiàn)漸進式側(cè)向傾倒破壞。Ⅱ區(qū)破壞失穩(wěn)機制演化如圖6所示。

圖5 Ⅱ區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.5 Geological profile of Area Ⅱ

3.3 Ⅲ區(qū)

Ⅲ區(qū)分布高程為2 150～2 360 m，兩面臨空。斜長角閃(片)巖巖體呈塊狀—層狀結(jié)構(gòu)，橫河向陡傾裂隙發(fā)育，順坡向陡傾裂隙一般發(fā)育，強卸荷水平深度為30～40 m。該區(qū)高程2 250 m以下平均坡度為40°左右，2 250 m以上平均坡度為60°左右，受卸荷裂隙切割，局部形成潛在不穩(wěn)定塊體。受橫河向裂隙及下游側(cè)坡面控制，可能出現(xiàn)傾倒式破壞塊體；受順河向裂隙及臨河坡面控制，可能出現(xiàn)滑移式破壞塊體。Ⅲ區(qū)為順河向卸荷裂隙與橫河向卸荷裂隙組合形成，但作為整體穩(wěn)定性底滑面的順河向卸荷裂隙未貫通，因此Ⅲ區(qū)整體基本穩(wěn)定，變形破壞模式以淺層單一塊體傾倒或滑移破壞為主。

圖6 Ⅱ區(qū)破壞失穩(wěn)機制演化示意圖Fig.6 Evolution diagram of failure and instability mechanism in zone Ⅱ

4 穩(wěn)定性評價

4.1 定性評價

巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)在因素。該危巖體強卸荷帶巖體呈層狀—塊裂結(jié)構(gòu)，陡傾的順坡向的片理面卸荷呈張開狀，形成邊坡塊體滑移破壞或崩塌的邊界條件。尤其是Ⅱ-1區(qū)，形成了明確特定的滑移塊體。邊坡位于泄洪霧雨區(qū)，在霧雨作用下，巖體結(jié)構(gòu)面極易受水的作用而造成強度降低。在泄洪霧雨或暴雨作用下，降雨滲流產(chǎn)生的動水壓力及靜水壓力也對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。此外，壩址區(qū)地震作用強烈，基本地震烈度為Ⅷ度，地震波傳播產(chǎn)生的地震慣性力直接作用于邊坡巖體，加速邊坡尤其是Ⅱ-1區(qū)鎖固段的破壞。

Ⅰ區(qū)、Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)的變形破壞相互影響和制約，而Ⅲ區(qū)相對獨立。Ⅱ-1區(qū)位于危巖體中下部，若其失穩(wěn)，原有地形完整性將遭受破壞，其上方的Ⅰ區(qū)及側(cè)面的Ⅱ-2區(qū)將失去支撐，穩(wěn)定性會受到較大影響。

Ⅱ區(qū)受長大張開滑移面(Tf116)及側(cè)邊界(Tf50)控制，可能整體滑移破壞，穩(wěn)定性差；Ⅰ區(qū)受卸荷等作用坡表遍布松動危巖體，淺表部穩(wěn)定性差；Ⅲ區(qū)整體基本穩(wěn)定。

4.2 定量評價

該危巖體Ⅱ-1區(qū)以Tf116為底滑面。Tf116高程2 200 m以上至后緣貫通，且裂隙陡傾；高程2 200 m以下靠巖橋連接，呈中緩傾角。考慮帶寬、統(tǒng)計樣本選擇等因素，建議2 200 m以下底滑面連通率取值為45%，參數(shù)建議值見表2。

表2 危巖體結(jié)構(gòu)面抗剪參數(shù)建議值Table 2 Recommended shear parameters of main structuralplanes of dangerous rock mass

通過三維數(shù)值建模(圖7)計算，Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)地震工況穩(wěn)定系數(shù)為0.92、0.96，不滿足規(guī)范要求，Ⅱ-1區(qū)易沿Tf116滑動破壞。

5 處理措施建議

該危巖體緊鄰水墊塘下游，穩(wěn)定性差，且受泄洪霧雨影響較大，需要進行工程治理。由于該危巖體高差大，體積巨大，且Ⅱ-1區(qū)形成了較為貫通的底滑面，發(fā)育較多平行于Tf50的張開裂縫，所以該危巖體易破碎，建議采取開挖、錨固、排水、監(jiān)測等綜合工程措施進行治理，確保危巖體穩(wěn)定。

該危巖體的工程治理應綜合考慮各分區(qū)失穩(wěn)破壞模式與穩(wěn)定性等因素，建議Ⅰ區(qū)對淺表危巖體進行挖除或錨固，Ⅱ區(qū)采取系統(tǒng)錨固(錨索)+抗剪洞等工程處理措施，Ⅲ區(qū)進行隨機錨固。

6 結(jié)論

(1) 該特大型危巖體三面臨空，橫河向與順河向陡傾長大卸荷裂隙強烈切割，淺表逐漸解體并不斷向深部發(fā)展，部分長大卸荷裂隙切割較深、連通性好，構(gòu)成特大型危巖體變形破壞邊界。

圖7 危巖體變形穩(wěn)定計算Fig.7 Deformation stability calculation of dangerous rock mass

(2) 對該特大型危巖體按潛在破壞失穩(wěn)模式進行分區(qū)研究表明，Ⅰ區(qū)為解體崩落型，Ⅱ-1區(qū)為整體滑移型，Ⅱ-2區(qū)為漸進式解體崩落型，Ⅲ區(qū)為局部傾倒或滑移崩落型。

(3) 不同失穩(wěn)模式分區(qū)的穩(wěn)定性存在顯著差異，Ⅱ區(qū)受長大張開滑移面及側(cè)邊界控制，可能整體滑移破壞，穩(wěn)定性差；Ⅰ區(qū)坡表遍布松動危巖體，淺表部穩(wěn)定性差；Ⅲ區(qū)整體基本穩(wěn)定。