某水电站库区倾倒变形体稳定性研究

马德林，杨绍平，许荣刚

(1中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2 四川水利职业技术学院，四川 都江堰 611830；3 四川省凉山州国土资源局，四川 西昌 615000)

某水电站库区倾倒变形体稳定性研究

马德林1，杨绍平2，许荣刚3

(1中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2 四川水利职业技术学院，四川 都江堰 611830；3 四川省凉山州国土资源局，四川 西昌 615000)

受早期地壳抬升及岩体卸荷作用，雅砻江某水电站库区右岸近坝库段存在大规模的倾倒变形体。在电站施工和水库蓄水过程中，变形体可能受扰失稳，对大坝等水工建筑物安全构成威胁。通过研究变形体工程地质特征及形成机制，结合对变形体的影响因素，分析了变形体可能的失稳模式，并分别采用极限平衡法和离散元法进行计算分析，对变形体在蓄水前后的天然、暴雨、地震及水位骤降等不同工况下的稳定状况进行了深入的研究和可靠的评价。

水电站库区；倾倒变形体；稳定性；雅砻江

倾倒变形是层状岩质斜坡常见的变形破坏形式。受早期地壳抬升及岩体卸荷作用，雅砻江某拟建水电站近坝库段右岸倾倒变形体规模巨大。电站建成蓄水后，受地下水位升高及库水浸泡影响，倾倒变形体的抗剪强度指标降低，易导致边坡失稳，对大坝及近坝水工建筑物安全构成威胁。因此，调查研究倾倒变形体工程地质特征和形成机制，分析其在电站建成前后的稳定性十分必要。

表1 某水电站变形体强、弱倾倒变形划分标准简表

1 变形体工程地质概况

1.1 基本地质条件

该倾倒变形体位于雅砻江右岸。河谷为顺向谷，坡面走向近南北，与岩层面走向近平行。变形体顺河长约1 400m，横河宽约410m，前后缘高差约300～310m，水平分布深度20～80m，一般40～60m，方量约1 700 ×104m3。地形上缓下陡，后缘坡度10°～20°，中前部坡度40°～60°。出露地层岩性为两河口组下段（T3lh1）板岩夹砂岩。第四系覆盖层主要为河流冲积物及崩坡积物，分布于前后缘及坡脚。正常岩体产状N10°W～N20°E／NW（SE）∠70°～90°，未见大规模褶皱、断层。研究区强风化及强卸荷岩体水平深度一般40～80m，弱风化上段及弱卸荷岩体水平深度70～100m，弱风化下段岩体水平深度100～120m。地下水类型为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水，松散堆积层孔隙水主要分布在阶地和坡积物内，受季节变化较大；基岩裂隙水主要受大气降水补给，排泄于雅砻江。变形体内未见泉水出露，所有平硐均干燥，地下水位较低。研究区属于区域构造稳定性较差的地区，其50年超越概率10%基岩水平峰值加速度为148gal，对应的地震基本烈度为Ⅶ度。

1.2 工程地质特征及变形破坏机制

变形岩体岩层倾角变缓直至近水平，岩层可见明显弯曲、折断现象，楔形缝发育，局部贯通性较好，岩体普遍松弛～松动，块体自稳能力较差，岩体结构主要为碎裂结构，部分散体结构[2]。岩体呈弱上风化～强风化，强卸荷，各方向裂隙普遍锈染及张开，局部充填岩块岩屑及次生泥。根据倾倒体强、弱变形划分标准（表1），强变形体体积为626×104m3，弱变形体体积1 055×104m3。倾倒变形体节理裂隙发育，优势裂隙有4组：①N10°W～N20°E／NW（SE）∠70°～90°（层面）；②N35°～55°W／NE∠35°～55°（楔形缝）；③近EW／S（N）∠65°～90°；④近EW／S（N）∠10°～30°。裂隙②（楔形缝）较发育，普遍张开1～3cm，个别张开10～15cm，局部贯通性较好。①（层面）、②（楔形缝）、③组中～陡倾裂隙与④中～缓倾裂隙易形成不稳定块体，对边坡的稳定不利，局部已出现小规模边坡失稳。

变形体所在部位以砂、板岩为主，板岩板理极为发育，岩性较为软弱，岸坡岩体陡立，且河谷走向多与岩层走向小角度相交，为顺向谷。随着雅砻江下切、地壳相应抬升，使得岸坡岩体向临空面方向发生倾倒—弯曲—拉裂—折断[3]，折断面逐渐贯通形成潜在的底滑面（图1）。

图1 变形体演变模式示意图

图2 倾倒变形体分区平面图

1.3 工程分区及物理力学参数

根据倾倒变形体发育特点、对枢纽建筑物影响程度及岸坡现状稳定性，可分为A1、A2及B三个区（图2），本文主要对A1、A2区的稳定性进行研究。根据坝址区岩体质量分级及其配套参数，采用极限平衡法对各区的变形体底滑面内聚力、内摩擦角取值进行反复试算反演，再进行因素敏感性分析，最终确定各分区合理的计算参数（表2）。

1）A1区基本特征。A1区分布于变形体下游段，顺河长度约330m，上游以一冲沟为界，下游为枢纽建筑物。其主要特点是：强变形分布于整个坡体表面，岩体以散体结构为主，局部为碎裂结构。弱变形分布较少，仅发育于低高程。地形相对稍缓（坡度在35～40°），坡脚分布崩坡积块碎石土。该区为早期强变形体表层剥落后的残留体，整体稳定性一般～较差，局部稳定性差。

2）A2区基本特征。A2区分布于变形体中段，顺河长度约470m，其主要特点是：强变形分布于公路以上一定高度，以下至河边发育弱变形，岩体以碎裂结构为主，局部为散体状。地形相对较陡（坡度在45°～55°），大部基岩裸露。该区在早期曾经发生过较大范围的滑塌，因此表现出强变形在中下部无出露。A2区表部强变形体整体稳定性一般，局部稳定性较差。

3）B区基本特征。B区分布于变形体上游段，顺河长度约620m，在该区中高程保留早期阶地堆积。经调查此区曾经发生过较大范围的滑塌后，受雅砻江河道凸岸影响，堆积了早期（Ⅳ级阶地）冲洪积堆积（明显可见磨圆度良好的卵砾石层），变形体整体稳定性较好。

表2 倾倒变形体A1、A2区稳定性计算岩土体参数取值

2 变形体稳定性研究

2.1 极限平衡法稳定性分析

在稳定性计算时，潜在滑面根据变形体强、弱底界线考虑，宏观上呈折线～弧形形态，分别选取A1区（图3）和A2区（图4）的代表型剖面进行极限平衡稳定性计算（表3）。

蓄水前，A1区X斜剖面强变形体在暴雨工况和地震工况下处在欠稳定状态；A2区JD3剖面所在的强变形体在天然状态下处于稳定状态，而在地震及持续暴雨作用下都处于欠稳定状态。两区剖面的弱变形体在天然、地震及暴雨作用下都处于稳定状态。

表3 极限平衡法稳定性计算结果

图3 A1区变形体稳定性系数计算X斜剖面

图4 A2区变形体稳定性系数计算JD3剖面

蓄水后，A1区X斜剖面所在强变形体在持续长时间降雨及地震状态下处在欠稳定状态且稳定性系数较蓄水前均有降低，但其弱变形体在各种工况下仍处在稳定状态；表明蓄水对该区变形体稳定有影响，但不突出。与蓄水前相比，蓄水后A2区JD3剖面在各种工况下稳定性系数均有所降低，所在的强变形体在叠加持续暴雨及地震情况下处于整体极限平衡状态～不稳定，发生整体下滑的可能性较大；对弱变形体而言在叠加暴雨工况下整体处于基本稳定状态，但在叠加地震后整体基本处于极限平衡～不稳定状态。表明A2区不论是强、弱变形体在正常蓄水后的暴雨等叠加作用下，稳定性变差，整体失稳可能性大。2.2 二维离散元稳定性分析

本文采用二维离散元数值模拟（UDEC）计算方法，选取了2个代表性剖面（A1区的X斜剖面和A2区的JD3剖面），在概化边坡地质模型的基础上，给定边界条件及布置监测点（图5、6），模拟了两个剖面分别在蓄水前和蓄水后的天然、暴雨、地震及水位骤降（5m）共计7种工况下边坡的变形及稳定性情况。

图5 A1区X斜剖面地质材料模型

图6 A2区JD3剖面地质材料模型

蓄水前天然工况下系统最大不平衡力均趋于0（图7），变形体位移小（图8），强变形体的顶部发生崩塌落石形式的浅表层破坏，但整体处于基本稳定状态；在蓄水前暴雨工况下，系统最大不平衡力不再趋于0（图9），边坡最大变形量为6.6～10.2cm（图10），系统处于欠稳定状态。

蓄水后天然工况下系统最大不平衡力不再为0，单相对系统内部力较小且位移量小，仅为几厘米，变形体处于基本稳定状态；在蓄水后暴雨工况下，系统最大不平衡力较大（图11），边坡最大变形量为8.9～16.6cm（图12），处于欠稳定状态；在水位骤降5m工况下，系统最大不平衡力未趋近于0，最大位移量为3.2～7.8cm，强变形体破坏形式为沿着强、弱倾倒体分界线蠕动，表现出滑坡性质，边坡处于基本稳定～欠稳定状态。

蓄水前后地震工况下，受地震力的作用后系统最大不平衡力均出现突然增大且不收敛（图13、14），边坡位移较大，处于不稳定状态。从模拟结果看（图15、16），主要为强变形体失稳，处于溃屈状态；而弱变形区只发生蠕动，变形量较小。地震不同时刻（0.5s1.0s2.0s3.0s）边坡破坏过程模拟显示，强倾倒变形体先是坡脚及顶部发生剪切破坏，中间形成锁固段，后剪切贯通整体下滑。其破坏模式可归纳为“地震作用引发坡脚崩落、中部段锁固→边坡表层剥落及滑面逐渐贯通→变形体加速变形→边坡变形体发生溃屈及整体滑移破坏”。

由于地形原因，A2区的变形较A1区大，稳定性A2区较A1区略差一些。从变形部位看，不管是A1区、还是A2区，变形均主要发生在强倾倒变形体内。

2.3 稳定性分析结论

通过极限平衡法和离散元数值计算分析，变形体在各工况下蓄水后的稳定性较蓄水前都有一定程度下降。在蓄水前后的天然工况下整体都处于基本稳定状态；在暴雨及水位骤降工况下，变形体边坡处于基本稳定～欠稳定状态；在地震工况下变形体稳定性明显变差，处于失稳状态。数值模拟结果揭示变形体主要沿强变形区失稳破坏，地震作用下破坏模式为“地震作用引发坡脚崩落、中部段锁固→边坡表层剥落及滑面逐渐贯通→变形体加速变形→边坡变形体发生溃屈及整体滑移破坏”。

图7 蓄水前天然工况JD3剖面最大不平衡力

图9 蓄水前暴雨工况JD3剖面最大不平衡力

图10 蓄水前暴雨工况JD3剖面整体位移

图11 蓄水后暴雨工况JD3剖面最大不平衡力

图12 蓄水后暴雨工况JD3剖面整体位移

图13 地震1S工况JD3剖面最大不平衡力

图14 地震3S工况JD3剖面最大不平衡力

图15 地震1S工况JD3剖面整体位移

图16 地震3S工况JD3剖面整体位移

3 结语

层状岩体总体岩性较软弱，当岩层陡立，走向与河谷小角度相交形成顺向谷时，随着河谷下切、地壳相应抬升，易发生倾倒变形。变形机制为倾倒—弯曲—拉裂—折断，折断面逐渐贯通形成潜在底滑面，对边坡形成破坏。首先应通过地质测绘及勘探，查清倾倒变形体强、弱变形的空间分布范围，发育特征，再根据其对工程的影响程度分区进行稳定性分析、评价。根据实验成果、计算反演、工程类比及工况，确定计算参数。通过极限平衡法计算，并结合有限元和离散元数值计算分析，对各工况（天然、蓄水、暴雨及地震）下倾倒变形体进行稳定性分析计算，为边坡的开挖及支护设计提供相关依据。

[1] 张倬元，王士天，王兰生. 工程地质分析原理(2版)[M].北京：地质出版社，1994：315～338

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Study of Stability of Toppling Rock Mass of a Hydropower Station

MA De-lin YANG shao-ping XU Rong-gang
（1-Chengdu Hydroelectric Investigation & Design Institute Co., Ltd., CHECC, Chengdu 610072; 2- Sichuan Conservancy Technical Institute, Chengdu 611830; 3-Lianshan Bureau of Land and Resources, Xichang, Sichuan 615000）

Large-scale toppling rock mass comes into existence at a hydropower station on the Yalong River bank. This paper deals with engineering geological features, deformation mechanism and instability model for the toppling rock mass and assesses its stability under various conditions by means of calculation using limit equilibrium method and discrete element method.

hydropower station; toppling rock mass; stability; Yalong River

P642

A

1006-0995（2014）04-0599-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.029

2014-07-04

马德林（1963-）男，四川成都人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作