周靈

(四川省地質(zhì)工程勘察院，成都　610072)

?

西南某水電站壩址區(qū)右岸WY3危巖穩(wěn)定性研究

周靈

(四川省地質(zhì)工程勘察院，成都610072)

摘要：WY3危巖位于西南某水電站前期勘探施工臨時營地正上方，基座受風化板巖層切割，上盤巖體受層面、兩組中陡傾角側(cè)向裂隙切割成塊狀，并呈現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)，后緣沿陡壁拉裂形成典型的貼坡式傾倒體。WY3目前處于時效變形階段，一旦失穩(wěn)，將對現(xiàn)場施工人員的生命財產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。通過系統(tǒng)分析WY3危巖體的工程地質(zhì)條件后，提出了危巖體可能的破壞模式，利用離散元軟件對該危巖的破壞模式進行驗證并模擬了危巖的變形運動趨勢，采用相應(yīng)的計算公式計算危巖體在4種不同工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，最后提出了危巖處理措施。

關(guān)鍵詞：危巖；傾倒變形；破壞模式；穩(wěn)定性研究

1引言

西南某水電站位于四川省甘孜州境內(nèi)的碩曲河上游河段，擬定壩型為面板堆石壩，最大壩高150 m，水庫正常蓄水位3 405 m，總庫容2.809 ×108m3，電站裝機容量222 MW。

危巖及順層邊坡穩(wěn)定性問題是該水電站的兩個主要工程地質(zhì)問題，前期勘探對壩址區(qū)危巖及兩岸高邊坡給予了高度的重視。WY3危巖位于現(xiàn)場勘探人員所在臨時營地正上方，受底部板巖軟弱帶及兩組側(cè)向裂隙切割，使其上盤的巖體呈塊狀架空結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性極差。如果WY3危巖體發(fā)生傾倒崩塌，對現(xiàn)場施工人員的生命財產(chǎn)安全將構(gòu)成巨大威脅。本文首先分析了危巖的工程地質(zhì)條件，提出了危巖可能的破壞模式，利用不連續(xù)變形法軟件對WY3的變形及運動趨勢進行了模擬研究，進一步驗證該危巖的破壞模式，并利用靜力解析法對危巖的穩(wěn)定性進行了評價，最后對該類危巖的治理提出了建議，這對今后的設(shè)計與施工具有重要意義。

2工程地質(zhì)條件

2.1地形地貌

壩區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖大多裸露，河谷斷面成典型的“V”型谷，河流總體流向S18°E。右岸邊坡在地貌上呈陡緩相間，高程3 420 m以下谷坡自然坡度一般為30°～35°，坡腳局部為50°～65°的陡坎；高程3 305～3 315 m發(fā)育一緩坡臺地，長約60 m，寬約30 m，坡度5°～15°；高程3 420 m 以上為順基巖層面形成的斜坡，自然坡度40°～50°(圖1)。

2.2地層巖性

壩區(qū)右岸邊坡出露的地層為拉納山組下段(T3l1)灰色、灰黑色中厚-厚層狀變質(zhì)粉、細砂巖夾板巖，巖層總體產(chǎn)狀為N15°～35°W/NE∠25°～65°，走向與河流流向基本一致。其中砂巖厚度相對較大，厚度一般為0.5～0.8 m，部分達1.5～2.0 m，巖石致密、堅硬，單軸濕抗壓強度110～119 MPa，屬堅硬巖石；板巖厚度相對較小，厚度一般為0.05～0.1 m，巖性偏軟；從而構(gòu)成了軟、硬質(zhì)巖互層順層邊坡。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)位于一向斜南端翹起端，其軸向大致為N35°W。左岸巖層產(chǎn)狀：N25°～65°E/NW∠25°～42°；右岸巖層產(chǎn)狀：N30°～55°W/NE∠25°～65°。從低高程到高高程，兩岸巖層走向與河流的交角由大角度相交逐漸過渡為小角度斜交，巖層傾角則由小逐漸變大，傾向上游。

壩區(qū)沒有區(qū)域性大斷層通過，除發(fā)育一NE向緩傾角小斷層外，板巖軟弱帶較為發(fā)育，對WY3起控制作用。板巖軟弱帶主要發(fā)育于右岸坡表自里20～50 m段，寬度一般為3～20 cm，多強風化、潮濕-滲水、局部夾泥。

2.4巖體結(jié)構(gòu)特征

右岸壩區(qū)高位邊坡原生結(jié)構(gòu)面主要是厚-厚層狀變質(zhì)粉、細變質(zhì)砂巖鐘的層面及砂板巖之間的層面，陡崖上的危巖主要分布在巖層的層面之間，層面成為危巖的上下控制邊界。

構(gòu)造型節(jié)理裂隙，以中陡傾角為主，主要發(fā)育3組：N15°～30°W/NE∠40°～60°；②N30°～35°E/NW∠55°～68°；③N60°～76°E/SE∠40°～55°。裂隙發(fā)育程度與巖性、層厚和構(gòu)造部位密切相關(guān)，具有一定的區(qū)段性，裂隙在厚層狀變質(zhì)砂巖中比板巖中更為發(fā)育。右岸淺表層巖體受上述3組節(jié)理裂隙切割普遍成塊狀結(jié)構(gòu)。

2.5風化卸荷特征

變質(zhì)砂巖自身抗風化能力較強，風化作用主要沿裂隙及板巖與變質(zhì)砂巖的交界面進行，風化水平深度一般數(shù)米至數(shù)十米，具典型的裂隙式和夾層式風化特征。板巖巖質(zhì)相對較軟，巖體風化較強，多呈夾層狀風化的特點。風化夾層總體上沿斷層破碎帶和板巖軟弱帶發(fā)育，板巖軟弱帶普遍強風化成黃褐色、潮濕、局部夾泥、且延伸長大，一般厚1～5 cm，少量厚15～40 cm。

對危巖體形成和穩(wěn)定影響較大的為淺表層卸荷帶，特別是淺表層強卸荷帶。勘探數(shù)據(jù)表明，右岸強卸荷帶下限水平深度一般為11～15 m，弱卸荷帶下限水平深度一般為32～44 m。強卸荷裂隙集中張開明顯，一般小于5 cm，少量達10～12 cm，裂隙間距一般為0.5～3 m，充填風化巖屑及小巖塊；弱卸荷裂隙不發(fā)育，張開寬度一般小于0.3 cm，裂隙風化層多為微風化-新鮮。

另外，根據(jù)四川賽思特科技有限責任公司提供資料，本區(qū)的地震烈度為Ⅶ度，屬區(qū)域穩(wěn)定性較好地段。區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系孔隙含水層、基巖裂隙含水層。

3危巖體的特征

WY3危巖位于橫Ⅲ～橫Ⅳ剖面中間部位(參見圖1)，呈NE-SW方向展布，分布高程3 330～3 345 m，巖性為變質(zhì)砂巖夾板巖不等厚互層。受底部板巖軟弱帶切割，使其上盤的巖體成為一座架空堆積的貼坡式危巖體(圖2)。層面裂隙及板巖軟弱帶切割危巖體構(gòu)成底部邊界，NEE向中陡傾角裂隙與NNE向中傾角裂隙切割危巖體構(gòu)成側(cè)向邊界，危巖在上述3組節(jié)理裂隙的切割下呈塊狀架空結(jié)構(gòu)，塊體之間的空隙寬5～10 cm，局部可達20～25 cm。危巖整體沿后緣陡壁拉裂，拉裂縫呈上寬下窄，上部寬度達15～20 cm，向下逐漸變窄至閉合。

4危巖巖體的破壞模式

WY3危巖巖體變形主要表現(xiàn)為卸荷松動變形。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，WY3危巖巖體基座坐落在風化板巖上，工程性質(zhì)較差；危巖上部巖體主要為變質(zhì)砂巖構(gòu)成，在層面裂隙、NNE向中陡傾裂隙以及NEE向中傾角裂隙的切割作用下，危巖被切割成大小不一的巖塊，在長期卸荷、重力作用下，塊體之間已出現(xiàn)不同程度的蠕滑效應(yīng)。

WY3后緣緊貼陡崖，前緣臨空條件良好，陡崖下游側(cè)邊坡坡表殘留有滑痕，分析研究該段斜坡在近期的邊坡演變過程中，曾發(fā)生過一次巖質(zhì)滑坡事件，危巖前緣的巖體滑移，形成巖質(zhì)陡崖，陡崖前緣的殘留巖體失去了外側(cè)“擋墻”的屏障作用，向坡外產(chǎn)生卸荷回彈，在長期重力作用下，逐漸發(fā)生傾倒變形。 由于危巖臨空方向與巖層層面走向存在較大交角，故危巖的破壞并未沿層面方向發(fā)生，而只是受其影響產(chǎn)生輕微的滑移變形，對危巖的傾倒變形起到促進作用。綜上分析，WY3發(fā)生滑移(蠕滑)-拉裂-傾倒復(fù)合破壞模式的幾率較大。

5數(shù)值分析

為了進一步揭示W(wǎng)Y3的形成過程及失穩(wěn)破壞機理，并對危巖穩(wěn)定性提供判據(jù)，借助非連續(xù)變形方法軟件對該危巖進行數(shù)值分析。

根據(jù)WY3危巖的實際地形地貌情況，建立WY3危巖計算模型(圖3)。對模型左邊界進行橫向約束，對底面邊界進行垂向約束，在危巖模型內(nèi)部不同位置共設(shè)置8個監(jiān)測點，以便對危巖變形過程中各塊體的位移、速度進行跟蹤。計算中僅考慮巖體的自重和動力條件作用。

圖3WY3計算模型

5.1計算參數(shù)選取

根據(jù)《預(yù)可研地質(zhì)報告》，通過地質(zhì)類比法比較相似水電站結(jié)構(gòu)面參數(shù)選取值，計算參數(shù)選取見表1、表2。

表1　模型中巖體力學(xué)參數(shù)

表2　模型中結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

5.2自重工況

WY3危巖體在自重條件下，經(jīng)歷了較長的時效變形過程[1,2]，危巖塊體運動的差異性導(dǎo)致塊體之間出現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)，當變形累積到一定程度，臨空側(cè)塊體首先失穩(wěn)，并以很快的速度崩塌掉落，內(nèi)部塊體失去外側(cè)“屏障”保護發(fā)生整體傾倒破壞；危巖整體的變形失穩(wěn)力學(xué)機制應(yīng)為蠕滑-拉裂-傾倒破壞。圖4(c)為危巖現(xiàn)階段的形態(tài)，其余見圖5、圖6。

5.3動力(地震或爆破震動)工況

WY3危巖體在動力條件下，表現(xiàn)出瞬間破壞的特征，在動力作用下危巖各塊體整體滑移，塊體間的差異運動導(dǎo)致危巖體出現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)；臨空側(cè)塊體以很快的速度最先失穩(wěn)，帶動內(nèi)部塊體發(fā)生整體傾倒破壞；傾倒過程中，塊體之間發(fā)生相互撞擊，以很大的反彈力飛向空中、墜落，整個失穩(wěn)的運動過程為滑移-拉裂-傾倒-墜落-撞擊-跳躍，其危害性半徑較自重條件下有所增大(圖7、圖8、圖9)。

圖4　自然情況下不同迭代步驟下WY3的變形破壞過程

圖5　自然情況下位移-時間曲線

圖6　自然情況下速度-時間曲線

圖7　動力條件下不同迭代步驟下WY3的變形破壞過程

圖8　動力條件下時間-位移曲線

圖9　動力條件下時間-速度曲線

綜合WY3危巖體在自重和動力條件下的失穩(wěn)破壞過程，危巖的失穩(wěn)破壞過程基本相同，其失穩(wěn)破壞模式主要為滑移(蠕滑)-拉裂-傾倒的復(fù)合破壞模式。

6危巖穩(wěn)定性計算

6.1計算公式選取

WY3的穩(wěn)定性計算采用傾倒破壞模式計算方法，此類危巖計算模式見圖10，按單位長度考慮，不考慮基座抗拉強度，其穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下[3]：

圖10　傾倒式危巖計算模型

傾覆力矩為：

式中,W為單位長度危巖體重力(kN)；P為單位長度危巖體承受的水平地震力(kN)，取水平地震系數(shù)為α，則地震力為p=αW；H為危巖體高度(m)；β為破裂面傾角(°)；e為孔隙深度(m)；Q為孔隙中靜水壓力(kN)；e1為孔隙充水深度(m)；a為重力作用點距傾覆點的水平距離(m)；h為地震力距傾覆點的垂直距離(m)；[σt]為危巖體抗拉強度標準(kPa)。

6.2計算結(jié)果

計算過程中考慮了4種工況，Ⅰ天然工況、Ⅱ暴雨工況、Ⅲ地震工況、Ⅳ暴雨+地震工況。由于處于坡表面的危巖體地震波中的橫波和面波到達時振動最強烈，因此危巖體的破壞通常式水平地震慣性力的作用[3,4]，故在計算中只考慮水平地震慣性力。地震時的水平向地震加速度系數(shù)取0.1，裂隙充水深度取1～2 m水頭，計算結(jié)果見表3。

表3　WY3危巖體穩(wěn)定性計算

從表3得出，WY3在天然狀況下處于臨界狀態(tài)，安全儲備極低；在暴雨條件下失穩(wěn)的可能性很大，當暴雨在危巖后緣裂縫產(chǎn)生的充水高度>1.6 m時，危巖將失穩(wěn)；在地震條件下將失穩(wěn)；在暴雨+地震力的條件下將失穩(wěn)。

7結(jié)論

(1) 根據(jù)計算分析，WY3危巖體在自然條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨條件下可能失穩(wěn)，在地震以及地震+暴雨工況下均將失穩(wěn)。

(2) 數(shù)值模擬計算結(jié)果表明：危巖塊體運動出現(xiàn)差異，臨空側(cè)巖塊首先滑塌，繼而牽引內(nèi)部塊體發(fā)生整體傾倒崩落。自然條件下，該時效變形較為緩慢；動力條件下，危巖在極短的時間內(nèi)迅速破壞，塊體在空中相互撞擊，危巖危害性增大。從而驗證了危巖滑移-拉裂-傾倒的失穩(wěn)破壞模式。

(3) 由于WY3危巖位于現(xiàn)場勘探人員營地的正上方，且位于陡壁部位，一旦失穩(wěn)，其巨大的勢能所轉(zhuǎn)化成的動能對現(xiàn)場工作人員造成重大威脅，結(jié)合危巖邊坡防治工程，建議對WY3進行爆破清除。

參考文獻

[1]黃潤秋.巖石高邊坡的時效變形分析及其工程地質(zhì)意義[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2000,8(2):148-153

[2]黃潤秋.中國西南巖石高邊坡的主要特征及演化[J].地球科學(xué)進展,2005,20(3):292-297.

[3]陳洪凱,唐紅梅,王容.三峽庫區(qū)危巖穩(wěn)定性計算方法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004,23(4):614-619.

[4]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[5]石根華.數(shù)值流形方法與非連續(xù)變形分析.裴覺民譯.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[6]黃達，黃潤秋.錦屏一級水電站壩區(qū)右岸高位邊坡危巖體穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007,26(1):175-181.

[7]張曉科,秦四清.西龍池抽水蓄能電站下水庫BW2危巖穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2007,15(2):174-178.

E-mail：49948147@qq.com

STABILITY ANALYSIS OF AN UNSTABLE ROCK WY3 MASSES ON RIGHT BANK AT A HYDROPOWER STATION

ZHOU Ling

(Sichuan Institute of Geoleglcal Engineering Inwestigation, Chengdu610072,China)

Abstract:A unstable rock block which is named as the WY3 dangerous rock block has been identified on the top of the temporary camp construction in early stage exploration at a hydropower station. the base plate was cut by weathered slate, Hanged wall rockmass is cutted into block by strata and two groups of medium and steep dip angles, and shows void structure, tension crack along the steep face at back edge of the dangerous rock and formed the typical sticking slope toppling rock. WY3 dangerous rock is at the time-dependent deformation at present, once it failured, Which will serious threat the life property safety of worksite operators. The paper presents a systematical and detailed description of the site engineering geological conditions, Based on the analysis, it proposes the possible failure models, the Discontinuous deformation analysis method is applied to verify the failure models and simulate the deformation and movement tendency of the dangerous rocks，Then adopt the relevant calculation formulae to calculate the stability coefficient of the WY3 dangerous rock, Finally the treatment measures are suggested accordingly.

Key words：Dangerous rock； Toppling deformation； Failure model； Stability analysis

文章編號：1006-4362(2016)02-0042-06

收稿日期：2016-02-28改回日期：2016-04-19

中圖分類號：P642;TU457

文獻標識碼：A

作者簡介：周靈(1983-)，男，碩士研究生，工程師，注冊一級建造師(建筑、市政)，主要從事水、工、環(huán)、巖土工程設(shè)計、施工、項目管理。