張正清

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某水電站位于中國(guó)西南N江下游干流上，水庫壩址控制流域面積11.56萬km2，多年平均流量1 810 m3/s。水庫正常蓄水位665 m，相應(yīng)庫容4.85億m3，死水位660 m，調(diào)節(jié)庫容0.92億 m3，水庫回水長(zhǎng)度81.9 km。利用落差49.3 m，裝機(jī)容量1 300 MW(5臺(tái)260 MW機(jī)組)，保證出力314 MW，年發(fā)電量59.99億kW·h。水電站推薦的壩型為重力壩，最大壩高97 m，主要建筑物由混凝土壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，為大(1)型水電工程。

1.2 基本地質(zhì)條件

(1)工程區(qū)屬中山峽谷地貌，河谷狹窄，河流由240°方向流入壩址區(qū)，至雞翹石一帶呈南東94°方向流出壩址區(qū)，形成轉(zhuǎn)向146°的大拐彎，并在左岸形成河灣地塊，枯水期水位606～607 m，相應(yīng)江面寬75～112 m，水深10～15 m。

壩址區(qū)地形大致以河流轉(zhuǎn)折部位為界劃分為兩個(gè)不同的地貌單元。河流轉(zhuǎn)折段以上為峽谷段，為侵蝕剝蝕地形，岸坡陡峻，河谷呈對(duì)稱“V”字型，兩岸山體連續(xù)完整。以下為寬谷段侵蝕剝蝕堆積地形，河谷相對(duì)開闊，河谷為不對(duì)稱“V”字型，左岸河灣地段岸坡地形較完整，總體為一上陡下緩的“圈椅”狀地形，傾倒變形體位于其上。

(2)工程區(qū)出露地層為下古生界寒武系上統(tǒng)第一段(?3b1)及第二段(?3b2)。其中第一段分三層，?3b2－3層分布在傾倒變形體北東側(cè)后緣陡崖，巖性為灰—灰白色大理巖化灰?guī)r，層面結(jié)合緊密，似厚層狀為主，質(zhì)堅(jiān)硬，形成雞冠山;?3b2－2分布在傾倒變形體后部，巖性上部為中厚層狀砂巖，中部為淺灰—青灰色中—厚層狀變余粉晶灰?guī)r，下部為淺灰綠色砂巖與板巖互層，零星夾有灰?guī)r透鏡體。?3b2－1分布在傾倒變形體后部中下部，為淺灰—青灰色變余粉晶灰?guī)r、劈理化灰?guī)r夾少量大理巖化灰?guī)r，中夾兩層厚4～6 m的板巖。灰?guī)r呈似厚層狀結(jié)構(gòu)，左岸下部及底界各見一層厚5～6 m擠壓破碎帶，巖石多呈片狀。

?3b1分布在傾倒變形體下部近河邊，主要巖性以灰綠、黃綠色薄—中厚層狀板巖為主，夾砂巖及少量變余粉晶灰?guī)r、劈理化灰?guī)r。

(3)工程區(qū)處于N江南北向斷裂帶的東支斷裂帶南端，區(qū)域上表現(xiàn)為一系列近南北向分支斷裂穿越本區(qū)。受上述斷裂影響，其褶皺構(gòu)造形態(tài)已難以辨認(rèn)，在構(gòu)造力場(chǎng)的作用下雞冠山一帶的巖層受到擠壓，劈理極發(fā)育，壩址區(qū)大部分地層產(chǎn)狀被劈理置換，總體上巖層走向與主要斷層走向基本一致，傾角近直立，部分地段地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)。除傾倒變形體上部雞冠山陡崖及底部N江岸邊狹長(zhǎng)分布巖層，傾向?yàn)?50°～275°，傾角為75°～90°，與工程區(qū)巖層總體產(chǎn)狀一致。

圖1 左岸傾倒巖體分布地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Distribution of left bank toppling rock mass

2 傾倒變形體形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征［1］

2.1 形態(tài)特征

傾倒變形體分布區(qū)平面上呈紡錘形，橫長(zhǎng)1 404 m，縱長(zhǎng)582 m(圖1、照片1)。在左岸河灣地段岸坡總體為一上陡下緩的“圈椅”狀地形，從雞冠山以南陡崖底部到江邊，即高程為950 m左右至靠近江邊的605 m之間的斜坡，坡向傾向西南，坡度總體為38°～41°。坡體中有兩處緩坡地帶，一處為高程800～860 m的諸葛大地一帶，地形坡度15°～20°，另一處為高程660～700 m的大窩子一帶，地形坡度約15°。傾倒變形體地表嚴(yán)重覆蓋，主要為碎石土組成，在傾倒變形體內(nèi)地形相對(duì)平緩的兩處外側(cè)(西南側(cè))均發(fā)育產(chǎn)狀異常巖體。一處是中后部諸葛大地—老洞子一線，調(diào)查發(fā)現(xiàn)3處較大的產(chǎn)狀異常巖體，巖性多為灰—灰白色大理巖化灰?guī)r，中厚狀，巖層產(chǎn)狀總體傾向山體內(nèi)(傾向E)，傾角一般35°～45°;另一處在近河邊箐頭地—大窩子發(fā)育2處產(chǎn)狀異常巖體，上游側(cè)為中厚狀灰?guī)r，下游側(cè)以薄—中厚層狀板巖為主，傾向山體內(nèi)，傾角多＜30°。產(chǎn)狀異常巖體出露面積約占傾倒變形體面積的20%，后緣高程950 m以上陡崖(基巖)與其下斜坡有明顯錯(cuò)位感，根據(jù)地表調(diào)查初步分析為崩滑形成的堆積體。

2.2 結(jié)構(gòu)特征

隨著勘察工作的進(jìn)一步深入，根據(jù)傾倒變形體上勘探鉆孔揭示，地層受構(gòu)造影響較大，普遍存在石英脈充填的現(xiàn)象，巖芯總體上采取較低，鉆孔壓水試驗(yàn)多不起壓，地下水位埋深大，揭示巖芯上地層傾角變化大，但存在一定規(guī)則。

2.2.1 鉛直結(jié)構(gòu)特征

對(duì)分布在前部的鉆孔，如 ZK327、ZK328、ZK332等孔揭示地層傾角統(tǒng)計(jì)，孔深18～24 m以上地層傾角在15°～40°之間變化，與近江邊出露變位巖體傾角一致，孔深41～59 m地層傾角在50°～70°之間變化，以下巖芯揭示地層傾角與正常地層傾角相近。

對(duì)分布在中后部的各鉆孔，如ZK67、ZK100、ZK105、ZK329、ZK330 等揭示地層傾角統(tǒng)計(jì)，孔深70～90 m以上地層傾角基本上為35°～45°，孔深91～134 m 地層傾角在45°～65°之間變化，基本上與地表變位巖體產(chǎn)狀有相似性，以下巖芯提示地層傾角多在65°～75°范圍變化，與正常地層傾角相近。

照片1 左岸傾倒巖體地貌圖Photo 1 Geomorphology of left bank toppling rock mass

對(duì)兩者之間的鉆孔進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，介于上述兩者之間，鉛直分帶比較明顯，表層地層傾角緩，向深部漸變?yōu)檎．a(chǎn)狀，從平面上由陡崖底部至其下江邊，不同的分帶地層傾角向江變緩。厚度上鉛直方向中上部厚度大，呈過渡相，在近江邊厚度漸小。

2.2.2 水平結(jié)構(gòu)特征

勘探平洞揭示水平方向傾倒變位情況如下:

PD16平洞位于上游近河邊，高程636.0 m，洞深0～21 m段巖體呈碎裂鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀傾向E，傾角多＜20°，洞深21～54.6 m 巖體破碎，呈次塊狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀傾向E，傾角變化為40°左右;洞深66 m附近，巖體呈次塊狀，傾向總體未變，但傾角變?yōu)?5°左右;以后平洞內(nèi)地層傾向260°～280°，傾角 80°，巖體呈塊狀，與正常產(chǎn)狀相近。

HPD7-1平洞位于下游中部，高程702.94 m，平洞揭示洞深0～16 m段為第四系崩坡積物，巖性為碎塊石夾大塊石，大塊石含量30% ～40%，成分主要為泥質(zhì)粉砂巖，風(fēng)化成半疏松—半堅(jiān)硬狀，塊徑一般20～50 cm，碎石含量約30% ～40%;洞深16～34 m巖體較破碎，呈碎塊狀、半解體狀，巖性主要為砂巖，局部夾有灰?guī)r，塊徑一般30～80 cm，原巖成分主要為中厚層灰?guī)r，層面清晰，產(chǎn)狀115°∠30°;洞深34 ～170.5 m 段巖體破碎，呈次塊狀，層面較清晰，地層傾向70°～130°，傾角在40°～50°左右變化，巖性以砂巖為主夾板巖，其中洞深44～87 m為灰?guī)r，溶蝕較嚴(yán)重。洞深170.5～191 m巖體結(jié)構(gòu)完整，主要為中厚層狀砂巖、板巖夾少量灰?guī)r，地層傾向230°～240°左右，傾角 75°～80°，與正常產(chǎn)狀相近。

3 成因分析及傾倒變形程度劃分

3.1 影響因素

影響斜坡變形破壞的內(nèi)在因素有地形、地層巖性、構(gòu)造特點(diǎn)、地應(yīng)力等，外在因素主要有風(fēng)化卸荷、地下水活動(dòng)、重力作用、地震及人類工程活動(dòng)等，斜坡變形破壞是聯(lián)合作用的結(jié)果。根據(jù)自然歷史分析法主要從河流演變史、區(qū)域地質(zhì)背景、巖性及結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行分析。

3.1.1 河流演變史

工程區(qū)上游河段為寬谷期，表現(xiàn)為河谷寬闊，兩岸地形相對(duì)較緩，河谷大面積由第四系河流沖積物覆蓋，發(fā)育Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，二元結(jié)構(gòu)明顯，其中Ⅰ級(jí)階地高于河床10 m，Ⅱ級(jí)階地高于河床50～70 m。河段內(nèi)兩岸岸坡沒有發(fā)現(xiàn)滑坡或崩塌現(xiàn)象，地質(zhì)構(gòu)造的影響不明顯。下游河段為峽谷地段，河流下切明顯，表現(xiàn)為河谷較平直狹窄，僅發(fā)育少量低漫灘，兩岸地形高差大，基巖出露，地形陡峻，滑坡與傾倒變形體也開始交替呈現(xiàn)，河流演變過程中的下切運(yùn)動(dòng)對(duì)兩岸巖體應(yīng)力條件、斜坡穩(wěn)定性影響較大。

3.1.2 區(qū)域構(gòu)造背景

大的構(gòu)造背景影響本區(qū)處于N江南北向斷裂帶(N江斷裂)的東支斷裂帶南端，區(qū)域上表現(xiàn)為一系列近南北向分支斷裂穿越本區(qū)，后期受北東向斷裂所切割，構(gòu)造背景復(fù)雜，受上述斷裂影響，其褶皺構(gòu)造形態(tài)已難以辨認(rèn)，地層產(chǎn)狀左、右岸及河床傾向及傾角略有不同，即右岸及河床產(chǎn)狀近一致，左岸產(chǎn)狀整體向東轉(zhuǎn)約12°。

這些斷裂附近或多或少分布有滑坡及堆積體，其中與滑坡、傾倒變形體關(guān)系密切的是F222、F223、F225三條斷層。受F223及F225斷層所夾持，沿F225斷層一壁向江邊發(fā)育庫首較為著名的傾倒變形體群;而F291與F222將雞冠山變形體夾持其間。因此說明河段內(nèi)滑坡、傾倒變形體與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系十分密切。

3.1.3 巖性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

工程區(qū)出露地層為下古生界寒武系上統(tǒng)第一段(?3b1)及第二段(?3b2)地層，地層傾向 250°～275°，傾角75°～85°，為傾向坡外，傾角高傾的順向坡斜坡結(jié)構(gòu)。

從組成岸坡的地層結(jié)構(gòu)上分析，近河邊由薄—中厚層狀板巖為主，中間過渡為薄—中厚層狀板巖夾砂巖、似厚層狀灰?guī)r，至組成雞冠山陡崖的厚層似塊狀灰?guī)r。傾倒變形體受F291與F222斷層夾持，其間地層受斷層影響存在擠壓破碎帶。

較軟巖組抗風(fēng)化能力差，一般地形相對(duì)較緩;堅(jiān)硬巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)，一般形成陡崖，中間過渡帶地層風(fēng)化后為陡崖及槽狀地形相間?？傮w上傾倒變形體為上陡下緩的地形，陡傾坡外的地層結(jié)構(gòu)，為其后斜坡變形提供空間。

3.2 形成機(jī)理

在庫首區(qū)一帶出現(xiàn)大面積的彎曲—拉裂傾倒變形現(xiàn)象，從圖1中可以看出工程區(qū)下游是一個(gè)河流的大回灣，在大回灣由近東西流向轉(zhuǎn)向南東流向的拐角處有一支流與上下壩址之間N江的流向相近，這就構(gòu)成了上壩址到三江口下游大河灣之間形成一個(gè)NNE走向的長(zhǎng)條塊體，該長(zhǎng)條形塊體三面臨空，因此導(dǎo)致了這一帶巖體產(chǎn)生顯著的大面積岸坡臨空面卸荷，這是產(chǎn)生傾倒變形的重要條件。

組成岸坡的主要巖性由近河邊的較軟巖—中部的軟巖夾堅(jiān)硬巖—雞冠山陡崖的堅(jiān)硬巖組成，受斷層影響各地層存在擠壓破碎帶;由于巖性、風(fēng)化型態(tài)不同，呈緩坡向陡坡至陡崖過渡地形，坡面傾向西南，與地層呈小角度相交，岸坡結(jié)構(gòu)為軟硬相間陡傾順向坡結(jié)構(gòu)，

由于地形上三面臨空，巖層走向與岸坡走向間的交角＜30°，巖層較陡，巖坡巖體中部為軟硬相間巖體組成，裂隙不發(fā)育，沒有剪出的可能，巖層在重力及卸荷作用下只能向臨空側(cè)產(chǎn)生彎曲拉裂傾倒的地質(zhì)現(xiàn)象。

當(dāng)然，除了卸荷回彈與重力傾倒變形之外，還應(yīng)當(dāng)考慮該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，以及降雨量豐富的區(qū)域特點(diǎn)，地震與暴雨觸發(fā)因素也是傾倒變形體形成的重要因素之一。

3.3 傾倒變形程度劃分

根據(jù)傾倒變形體內(nèi)變位巖體產(chǎn)狀變化，尤其是傾角變化，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，將巖體傾倒變形程度劃分為三級(jí):強(qiáng)烈傾倒變形、較強(qiáng)烈傾倒變形和弱傾倒變形。

3.3.1 強(qiáng)烈傾倒變形

巖體呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎—較破碎，強(qiáng)風(fēng)化，強(qiáng)卸荷，局部架空，鉆探巖芯呈碎塊石夾土狀。局部可見層理，層理不連續(xù)，巖層傾倒角75°～105°，巖層傾角由正常傾角變化為0°～30°。

3.3.2 較強(qiáng)烈傾倒變形

巖體總體呈塊裂結(jié)構(gòu)—局部碎裂結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，巖體較破碎，完整性差，弱風(fēng)化，強(qiáng)卸荷，局部架空，鉆探巖芯呈短柱狀和碎塊石狀。巖層傾倒角30°～75°，巖層傾角變化為 30°～65°。

3.3.3 弱傾倒變形

巖體總體呈層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，弱風(fēng)化—微風(fēng)化，弱卸荷—無卸荷，鉆探巖芯呈柱狀。巖層傾倒角0°～30°，巖層傾角變化不大，為65°～75°。

根據(jù)上述原則，地表調(diào)查平面上大部分以較強(qiáng)傾倒變位體為主要分布，近江邊分布少量強(qiáng)烈傾倒變位巖體，弱傾倒變位體主要在后緣分布，地表不明顯。工程區(qū)平洞揭示強(qiáng)烈傾倒變位巖體分布較小，主要分布在下部近江邊，水平厚度一般5～50 m不等，較強(qiáng)傾倒變位巖體厚度較大，平洞揭示水平厚度136.5～199 m，弱傾倒變形主要分布在平洞底部，揭示水平厚度11～19 m(未完全揭示)。

4 穩(wěn)定分析及對(duì)工程的影響

4.1 穩(wěn)定性分析

傾倒變形體表層為厚20 m左右的碎石土，結(jié)構(gòu)緊密，其間無軟弱層面，底面為一個(gè)綜合面，而實(shí)際上是一個(gè)呈臺(tái)階(或起伏)狀粗糙的不連續(xù)面;傾倒變形體內(nèi)巖體較為干燥。

傾倒變形巖體主要呈塊裂狀，越深巖體完整性相對(duì)越好;勘探揭示斜坡巖體中有少量順坡向中緩傾角裂隙，連續(xù)性貫通性差，亦未發(fā)現(xiàn)性狀較差的軟弱夾層及結(jié)構(gòu)面;優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育方向與邊坡呈大角度相交，優(yōu)勢(shì)裂隙組合交線反傾坡內(nèi)，傾倒變形體的地質(zhì)特征均有利于自身的穩(wěn)定。

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，傾倒變形體地表未見到明顯的變形裂縫、坡體鼓脹、下錯(cuò)滑移等變形破壞跡象;平洞內(nèi)亦未見到巖體滑移錯(cuò)動(dòng)跡象(如滑面等)，宏觀判斷傾倒變形體穩(wěn)定性較好。

4.2 對(duì)工程的影響

原設(shè)計(jì)方案為長(zhǎng)尾水+地面明廠房方案及短尾水+地下廠房方案。其中長(zhǎng)尾水+地面明廠房方案的地面明廠房就位于傾倒變形體的下游側(cè)近江邊高程640～710 m坡段;地面坡度28°～42°，下部緩、上部較陡，表層為碎石土覆蓋，厚度3～5 m。出露傾倒變位巖體，產(chǎn)狀一般為傾向 40°～65°、傾角 40°～55°，反傾坡內(nèi)，為較強(qiáng)烈傾倒變位巖體。巖性以砂、板巖為主，中夾少量灰?guī)r。

勘探揭示較強(qiáng)烈傾倒變位巖體鉛直深度約20 m，其內(nèi)淺變質(zhì)砂巖、板巖層強(qiáng)風(fēng)化，砂板巖與灰?guī)r互層部位強(qiáng)風(fēng)化厚度稍薄，灰?guī)r表現(xiàn)弱溶蝕風(fēng)化;其下至高程605 m為弱傾倒變位，巖體呈微風(fēng)化，為較完整—完整巖體。

根據(jù)地面廠房布置需要，廠房后邊坡將形成220 m人工高邊坡，廠房邊坡開挖后，坡體中存在少量順坡向中緩傾角結(jié)構(gòu)面，對(duì)局部坡段穩(wěn)定控制性滑動(dòng)面，加之壩址區(qū)處于高地震烈度帶，廠房高邊坡穩(wěn)定問題突出，且工程區(qū)降雨強(qiáng)度大及時(shí)間長(zhǎng)，又處于地震頻發(fā)地帶，將對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。諸如長(zhǎng)尾水+明廠房存在的工程地質(zhì)問題，本工程項(xiàng)目在方案比選時(shí)從地質(zhì)角度推薦短尾水+地下廠房方案。

5 結(jié)語

(1)傾倒變形體成因諸多，從地形地貌特點(diǎn)分析判斷傾倒變形體的邊界，從物質(zhì)組成及厚度特點(diǎn)、宏觀構(gòu)造特點(diǎn)、地下水分布埋藏特點(diǎn)分析傾倒變形體的形成機(jī)理，準(zhǔn)確把握對(duì)不良地質(zhì)體的認(rèn)知;科學(xué)工作方法從宏觀到微觀，從已知推未知，隨工作深度的加深，不斷提高認(rèn)識(shí)，這是地質(zhì)工程師必須掌握的基本工作思路及方法。

(2)壩址區(qū)上游河段地勢(shì)陡峻，水庫樞紐工程沒有合適的位置布置，而河灣地段左岸的下游地形相對(duì)平緩，天然河灣及相對(duì)平緩的地形有利于水工布置及施工組織設(shè)計(jì)，是布置水庫樞紐工程較理想的位置。

傾倒變形體位于壩下游側(cè)不足500 m，其穩(wěn)定性較好，對(duì)擬建工程的相關(guān)建筑物布置部位不構(gòu)成制約性影響，但卻是工程設(shè)計(jì)方案比選的主要工程地質(zhì)因素之一。

根據(jù)傾倒變形體巖土特性研究，強(qiáng)烈傾倒變位巖體呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎—較破碎，局部架空，巖體基本質(zhì)量為Ⅴ類，為不可利用巖體，較強(qiáng)傾倒變位巖體，巖體基本質(zhì)量為Ⅲ類或Ⅳ類，可根據(jù)建筑物等級(jí)、重要性來確定可利用性，弱傾倒變位巖體基本質(zhì)量為Ⅲ類，一般可直接利用。因此分析研究?jī)A倒變形體的成因機(jī)制、穩(wěn)定性、巖土體的工程特性，對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的安全、建設(shè)方案的選擇及巖土體工程的利用具有重要的意義。

［1］ 孫云志，張正清，劉基華，等.N江某水電站樞紐布置格局專題工程地質(zhì)勘察報(bào)告(預(yù)可研階段)［R］.武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2012.