谷江波，閔勇章

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡巖體變形特征分析

谷江波，閔勇章

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡為工程地質(zhì)條件復(fù)雜的松動(dòng)破碎巖體高邊坡，根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件、變形監(jiān)測(cè)資料，分析邊坡開挖后邊坡應(yīng)力變形規(guī)律，研究巖體破壞模式，且隨時(shí)間變化的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。巖體變形大小與變化過程、地質(zhì)條件、施工爆破、錨固等因素有關(guān)。

高邊坡；松動(dòng)破碎巖體；變形破壞模式

0 前 言

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡位于大渡河左岸山脊，上游為叫吉溝，下游為溢洪道邊坡（見圖1）。兩建筑物工程邊坡采取聯(lián)合開挖方式，平面上邊坡呈“W”分布，設(shè)計(jì)開挖坡比主要為1∶0.5。引水隧洞進(jìn)口工程邊坡開口線高程1 620 m，進(jìn)口塔基高程1 444.5 m，最大坡高約175 m，正面坡沿河長(zhǎng)約100 m；泄洪洞進(jìn)口工程邊坡軸線部位開口線高程1 570 m，上游側(cè)邊坡開口線高程1 620 m，進(jìn)口塔基高程1 415 m，最大坡高約205 m，正面坡沿河長(zhǎng)約80 m。

圖1 開挖邊坡位置

泄洪洞進(jìn)口邊坡和溢洪道邊坡開挖后，兩者中間為突出地形，由于受大渡河、叫吉溝和小型沖溝的切割，邊坡巖體三面臨空，巖體卸荷強(qiáng)烈，且強(qiáng)卸荷巖體埋深較深。

該邊坡于2010年8月開始進(jìn)行開挖，2012年8月開挖支護(hù)工作全部完成，針對(duì)邊坡開挖過程中出現(xiàn)的變形及局部失穩(wěn)現(xiàn)象，相關(guān)人員進(jìn)行了大量的地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及支護(hù)設(shè)計(jì)等工作。本文將邊坡工程地質(zhì)條件、實(shí)測(cè)巖體變形現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)展，對(duì)邊坡巖體變形特征進(jìn)行分析。

1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征

工程邊坡地層巖性主要為斜長(zhǎng)花崗巖，淺表層巖體強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化，松動(dòng)破碎巖體（分布高程1 510 m以上）水平深度0～55 m。強(qiáng)卸荷水平深度60～110 m，弱風(fēng)化、弱卸荷水平深度大于150 m。

工程邊坡主要發(fā)育有5組優(yōu)勢(shì)裂隙［1］：①SN／E∠70°；②N20°～30°W／SW∠70°～80°；③N75°～85°E／NW∠60°～85°；④N70°E／SE∠75°；⑤N10°～20°W／SW∠40°以及fy-3、fy-23、fy-14、fy-28、f9 -3等斷層中緩傾坡外，是形成滑移拉裂變形的潛在底滑面，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。上述結(jié)構(gòu)面主要為Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，無(wú)貫穿性長(zhǎng)大斷層分布。邊坡開挖面干燥，雨季有少量滲水，上方錨索實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)下方個(gè)別錨桿孔出現(xiàn)漿液，存在串漿現(xiàn)象，表明裂隙連通性較好。邊坡巖體主要呈塊裂結(jié)構(gòu)，屬Ⅳ級(jí)巖體；部分呈散體碎塊狀、碎裂結(jié)構(gòu)，屬Ⅴ級(jí)巖體。

自然邊坡位于工程邊坡開口線以上，地形坡度總體25°～40°，局部地段有陡坎。邊坡淺表地層主要為崩坡積塊碎石土，結(jié)構(gòu)稍密，水平深度一般10～29 m。下伏基巖依次為強(qiáng)卸荷松動(dòng)破碎花崗巖，松動(dòng)破碎巖帶具架空結(jié)構(gòu)（見圖2），水平深度一般70～121 m；強(qiáng)卸荷巖體，水平深度一般100～162 m；弱卸荷巖體以及新鮮巖體（見圖3）。

圖2 松動(dòng)破碎巖體

2 邊坡巖體變形特征

2011年9月在工程邊坡及自然邊坡多處均出現(xiàn)裂縫；2011年12月中旬～2012年1月上旬裂縫變形進(jìn)一步加劇，在空間上進(jìn)一步延伸。

在進(jìn)口邊坡共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)剖面。其中，4-4監(jiān)測(cè)剖面的1 540.00 m、1 510.00 m、1 481.50 m、1 460.00 m高程馬道上方各布置1套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)、1套錨桿應(yīng)力計(jì)、1套錨索測(cè)力計(jì)和1個(gè)外部變形觀測(cè)墩。在自然邊坡增加了10個(gè)外部變形觀測(cè)墩（TP01～TP10）以及4套活動(dòng)式測(cè)斜儀對(duì)自然邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，編號(hào)為INJK-1～I(xiàn)NJK-4［1］。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，巖體變形具有以下特征：

圖3 泄洪洞進(jìn)口工程地質(zhì)剖面

（1）邊坡變形具有普遍性，根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果，工程邊坡變形量集中于強(qiáng)卸荷巖體內(nèi)；根據(jù)測(cè)斜儀成果（見圖6），自然邊坡變形多集中于強(qiáng)卸荷松動(dòng)破碎巖體內(nèi)，且不具有明顯的滑移面。

（2）1-1監(jiān)測(cè)剖面處于上游開挖邊界，為半約束狀態(tài)，水平位移和垂直位移均小于其它監(jiān)測(cè)剖面。2-2、3-3、4-4監(jiān)測(cè)剖面變形均較大，水平位移最大值300.07 mm（TP JK-6），垂直位移最大值198.55 mm（TP JK-5）。

（3）外觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，工程邊坡總體水平位移大于垂直位移，其中1 570 m高程以下水平位移一般280 mm左右，垂直位移一般170 mm；1 570 m高程以上水平位移和垂直位移差距較小，一般4～8 mm；外觀測(cè)點(diǎn)變形方向基本朝向開挖臨空面。自然邊坡外觀墩平面合位移1.94～458.98 mm，垂直位移12.08～544.28 mm，表明垂直位移大于水平位移，且變形大于工程邊坡。

（4）自然邊坡裂縫最高發(fā)展至高程1 735 m，上游側(cè)邊界裂縫最低高程1 664 m，下游側(cè)最低高程1 626 m，向下至工程邊坡開口線之間無(wú)明顯變形跡象；邊坡裂縫向高高程和兩側(cè)沒有發(fā)展，但向低高程有緩慢延伸趨勢(shì)。

（5）從低高程至高高程，位移逐漸增大，變形越明顯，裂縫后緣變形最大。

（6）外觀測(cè)點(diǎn)變形方向基本朝向開挖臨空面泄洪洞與溢洪道交匯部位，與凸出山脊基本一致。

（7）2012年3月以后，隨著施工爆破開挖的結(jié)束以及深層錨固的逐步實(shí)施，引水隧洞和泄洪洞進(jìn)口邊坡（含自然邊坡）沒有發(fā)現(xiàn)新的變形跡象；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，工程邊坡最大變形0.185 mm／d，自然邊坡最大變形0.151 mm／d，邊坡變形速率逐漸減小，趨于收斂。

（8）邊坡巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面以剛性結(jié)構(gòu)面為主，但所有變形與開挖進(jìn)度之間都表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象，即流變變形具有普遍性。開挖高程1 420 m時(shí)（2011年11月），即邊坡開挖完成后，邊坡上部全強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化巖體水平位移仍在繼續(xù)發(fā)展，大多測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了較明顯的位移加速現(xiàn)象（見圖4）。變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間一般7～8個(gè)月，4個(gè)月左右完成總時(shí)效變形量的約80%。但變形持續(xù)過程隨不同部位巖體結(jié)構(gòu)而差異，且時(shí)效變形量值也不同。

圖4 TPJK-18位移時(shí)間過程線

3 邊坡巖體變形機(jī)理分析

3.1 邊坡巖體可能的破壞模式

根據(jù)前期地表調(diào)查，勘探平洞及施工開挖揭示的地質(zhì)條件綜合分析，邊坡巖體可能的破壞模式包括［2］：

（1）楔形滑移拉裂型：主要由2～3組結(jié)構(gòu)面與開挖坡面構(gòu)成不利組合，而形成楔形滑動(dòng)。根據(jù)控制性結(jié)構(gòu)的規(guī)模，該模式可分為兩種情況：一是邊坡深部一些特定結(jié)構(gòu)面與開挖坡面構(gòu)成不利組合，或特定結(jié)構(gòu)面與隨機(jī)結(jié)構(gòu)面及開挖面構(gòu)成不利組合，形成規(guī)模較大的楔形塊體；二是邊坡表部一些裂隙與開挖坡面構(gòu)成不利組合（見圖5），形成規(guī)模較小的隨機(jī)楔形塊體。工程區(qū)內(nèi)主要為第二種情況。

圖5 各優(yōu)勢(shì)面與坡面組合的赤平投影

（2）平面滑移拉裂型：一般由順坡或順溝谷側(cè)壁緩傾臨空面的結(jié)構(gòu)面為主滑面，后緣卸荷張裂隙等中陡傾結(jié)構(gòu)面組合為后緣拉裂面或頂部切割面，隨機(jī)發(fā)育的其它結(jié)構(gòu)面為側(cè)向切割面，發(fā)生平面滑移拉裂。

（3）蠕滑拉裂破壞：散體結(jié)構(gòu)、塊裂（碎裂）結(jié)構(gòu)巖體受力條件變化時(shí)產(chǎn)生的巖體壓縮、蠕變而發(fā)生不均勻沉降，形成張裂縫。

由于進(jìn)口邊坡沒有特定結(jié)構(gòu)面組合滑移模式，通過對(duì)地質(zhì)資料分析研究，前期提出了4種邊坡失穩(wěn)模式，其中一種或多種模式可能引起邊坡變形。邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要考慮以下5種計(jì)算模式：

（1）覆蓋層沿基覆界限發(fā)生滑移；

（2）沿fy-3斷層發(fā)生滑移；

（3）沿強(qiáng)卸荷巖體底界與f09-3、fy-28等斷層組合發(fā)生滑移；

（4）沿強(qiáng)卸荷外側(cè)松動(dòng)破碎巖體分界線與fy-14、fy-23斷層組合發(fā)生滑移；

（5）沿強(qiáng)卸荷外側(cè)松動(dòng)破碎巖體發(fā)生滑移。

從測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果（見圖6）可以看出，自然邊坡變形垂直深度超過40 m，而覆蓋層垂向厚度約15 m，fy-3斷層出露于高程1 580 m的工程邊坡，且向上延伸，而此高程以下巖體變形量依然較大，因此，上述（1）、（2）可能的滑移模式未得到監(jiān)測(cè)成果的證實(shí)。

由于強(qiáng)卸荷巖體底界和強(qiáng)卸荷外側(cè)松動(dòng)破碎巖體分界線成為規(guī)則的幾何線的可能性較小，使用這兩種模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，臨近剪出口使用f09-3、fy-23、fy-28等作為固定滑動(dòng)面，其它部位則采用搜索方式確定較為合適?？紤]巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用圓弧逼近是一種可行方案，搜索范圍根據(jù)邊坡的變形范圍確定。

3.2 邊坡巖體變形機(jī)理

黃金坪水電站引水隧洞及泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡在開挖之前的地形是經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，巖體內(nèi)的應(yīng)力處于一種自然的平衡狀態(tài)［4］。邊坡開挖引起的巖體應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致巖體變形。在邊坡開挖階段，開挖荷載對(duì)巖體變形起主導(dǎo)作用。由于巖體結(jié)構(gòu)面普遍存在，巖體變形并不完全是隨開挖荷載瞬時(shí)產(chǎn)生、立即穩(wěn)定的彈性變形，開挖引起的巖體變形趨勢(shì)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間［3］。在開挖完成一段時(shí)間后，結(jié)構(gòu)面的存在使邊坡巖體二次應(yīng)力場(chǎng)分布不連續(xù)，在結(jié)構(gòu)面切割的塊體中，巖體自重的作用可以比較突出。開挖結(jié)束一段時(shí)間后巖體在垂直方向上的下沉變形與塊體自重作用密切相關(guān)。

引水洞及泄洪洞進(jìn)口邊坡（含自然邊坡）天然狀態(tài)下整體基本穩(wěn)定，由于地形相對(duì)單薄，卸荷強(qiáng)烈，巖體較破碎，下部連續(xù)開挖高陡邊坡，支護(hù)相對(duì)滯后，卸荷松動(dòng)破碎坡體因開挖應(yīng)力調(diào)整產(chǎn)生向臨空方向變形，牽引影響到上部自然邊坡，且有向邊坡下方推移變形趨勢(shì)。變形機(jī)制為在重力作用下的蠕滑—拉裂變形。

圖6 測(cè)斜孔INJK-2 A向、B向監(jiān)測(cè)成果

4 結(jié) 論

（1）對(duì)高山峽谷地區(qū)引水隧洞、泄洪洞高陡邊坡前期工程地質(zhì)勘察在不同高程布置勘探平硐，查明影響山體穩(wěn)定的控制性結(jié)構(gòu)面，風(fēng)化、卸荷松動(dòng)巖體深度、范圍，為分析邊坡巖體穩(wěn)定提供評(píng)價(jià)的地質(zhì)依據(jù)。

（2）對(duì)巖質(zhì)高陡邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用“少開挖、強(qiáng)支護(hù)”的原則設(shè)計(jì)。

（3）引水隧洞和泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡（含自然邊坡）所在的山脊巖體在邊坡大面積開挖、削腳后，沒有及時(shí)支護(hù)，對(duì)邊坡應(yīng)力狀態(tài)改變較大，邊坡內(nèi)部松動(dòng)破碎巖體產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為向臨空方向蠕變，自然邊坡上的覆蓋層則因下部松動(dòng)破碎巖體壓縮、蠕變而發(fā)生不均勻沉降，形成張裂縫。

（4）邊坡的變形破壞模式屬于在重力作用下的蠕滑—拉裂變形和滑移，這是由于邊坡淺表部存在強(qiáng)卸荷巖體以及其外側(cè)的強(qiáng)卸荷松動(dòng)破碎巖體組合所形成的復(fù)雜工程地質(zhì)條件所決定的。

（5）邊坡巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面以剛性結(jié)構(gòu)面為主，但所有變形與開挖進(jìn)度之間都表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象，即流變變形具有普遍性。

（6）由于強(qiáng)卸荷巖體底界和強(qiáng)卸荷外側(cè)松動(dòng)破碎巖體分界線成為規(guī)則的幾何線的可能性較小，使用這兩種模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，建議使用圓弧逼近的方法，搜索范圍根據(jù)邊坡的變形范圍確定。

（7）對(duì)引水隧洞和泄洪洞進(jìn)口區(qū)的變形邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)采用了大噸位、長(zhǎng)錨索（P＝2 500 kN、3 000 kN，L＝100 m）的支護(hù)處理方案，效果明顯。

［1]中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.四川省大渡河黃金坪水電站引水及泄洪洞進(jìn)口區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理方案報(bào)告［R］.2014.

［2]四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川大學(xué)工程科學(xué)與災(zāi)害力學(xué)研究所.四川省大渡河黃金坪水電站引水、泄洪進(jìn)口邊坡穩(wěn)定分析及加固措施研究［R］.2014.

［3]朱煥春.三峽臨時(shí)船閘及升船機(jī)高邊坡巖體變形特征［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（3）：281-284.

［4]石安池，趙明華，薛果夫.三峽工程永久船閘高邊坡巖體變形特征與機(jī)理分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（5）：638 -642.

TV223.3，TV651.3，TV672.1

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1003-9805（2015）04-0073-04

2015-07-21

谷江波（1976-），男，山西芮城人，高級(jí)工程師，從事水電工程地質(zhì)勘察工作。