层状岩质高位自然边坡危险源判定及处理

白 伟, 王吉亮, 李 志, 刘冲平, 杨 静

(长江三峡勘测研究院有限公司,湖北 武汉 430074)

受印度板块的挤压作用,青藏高原近百万年来持续隆升,在青藏高原到四川盆地之间形成了中国地貌上的第一阶梯,伴随着河谷的下切,形成了雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、金沙江等深切河谷,这些河谷蕴藏着丰富的水能资源,同时也形成了高山峡谷地貌特征,在该地区进行水电资源开发,高位自然边坡稳定问题是必须面对的关键工程技术难题[1]。本文以金沙江乌东德水电站的高位自然边坡为例,重点阐述高位自然边坡危险源的类型、识别、宏观稳定性判断及处理方法。

乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花—宜宾)4个梯级(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)最上一级,坝址所处河段左岸隶属四川省凉山州会东县,右岸隶属云南省昆明市禄劝县。电站上距攀枝花市213.9 km,下距白鹤滩水电站182.5 km,与昆明、成都的直线距离分别为125 km和470 km,与广州、武汉、上海的直线距离分别为1 200 km、1 250 km和1 950 km。电站设计正常蓄水位975 m,水库总库容74.05亿m3,枢纽建筑物由挡水建筑物大坝、泄洪消能建筑物、引水发电系统等建筑物组成,为大(1)型Ⅰ等工程,大坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高265 m,电站装机容量10 200 MW,多年平均发电量389.1亿kW·h,是西电东送的的骨干电源点[2]。

乌东德水电站枢纽区地处青藏高原东南边缘的川滇山地,金沙江深切于高原面之下,形成典型的深切峡谷。坝址河段长约1 800 m,河道基本顺直,峡谷两岸边坡基本对称,左岸坡顶高程1 836 m、右岸坡肩高程1 630 m,自河床起算边坡高度830～1 036 m,约为坝高的3～4倍,属超高边坡。

枢纽区高边坡岩体由前震旦系褶皱基底和后期沉积盖层组成,边坡下部褶皱基底地层走向与河流近垂直,形成陡立近横向谷;上部盖层地层走向与河流近平行,形成缓倾左岸近纵向谷,左岸呈逆向坡,右岸虽呈顺向坡,但地层厚度有限且远离河谷。故河谷类型和地质结构均对边坡稳定有利,前期地质勘察与分析研究均表明,枢纽区高边坡整体稳定状况良好。

枢纽区高边坡可分为工程边坡和自然边坡。对大坝坝肩、厂房引水洞进口、尾水洞出口、泄洪洞进出口、水垫塘、导流洞进出口等部位开挖形成的工程边坡,可采用开挖及喷锚支护为主的处理措施,保证其长期稳定性;对工程边坡开口线以上的自然边坡(即高位自然边坡),因岸坡表部存在一定数量的潜在不稳定块体、变形体、堆积体以及随机广泛分布的危石或浮石等,在卸荷、风化及降雨等自然因素与工程扰动(爆破开挖)作用下,可能产生局部失稳、崩塌与滚落、坠石,从而危及工程施工与运行安全。因此,对高位自然边坡优先采取防治措施,建立起工程施工期及运行期的安全屏障是十分必要的[3]。

1 高位自然边坡危险源类型

高位自然边坡危险源主要是指影响其局部稳定性的问题,主要有以下3类:潜在不稳定块体、变形体以及高位堆积体。

1.1 潜在不稳定块体

潜在不稳定块体是指由结构面完全或基本完全切割组合形成的相对孤立的、与母体隔离的可能产生向临空方向变形、失稳的岩体。

如何能够快速准确的识别潜在不稳定块体,首先需要熟知潜在不稳定块体的失稳模式。潜在不稳定块体的失稳模式主要有如下几种类型。

(1) 单面滑动型:主要发生在倾坡外结构面控制的岩体中,破坏方式为沿外倾结构面发生单面滑移(图1)。

图1 典型单面滑动型块体示意图Fig.1 Schematic diagram of typical single-sided sliding type block

(2) 双面(楔形体)滑动型:多发生在边坡的块状岩体中,受两组或两组以上,倾向与坡面斜交。破坏方式为沿两条底滑面组成的交棱线向临空方向滑移(图2)。

图2 典型双面滑动型块体示意图Fig.2 Schematic diagram of typical double-sided sliding type block

(3) 崩塌型:主要发生在倒悬的岩体中,底部临空,多位于陡崖顶部,表现为沿竖向结构面拉张,从而产生自由坠落,或沿陡峻斜坡滚落(图3)。

(4) 倾倒型:结构面完全或基本完全切割组合形成的孤立的可能产生变形、倾倒的岩体(图4)。

1.2 变形体

岩体变形是指岩体承受的外力不超过抗压、抗剪强度极限时表现出的结构和形态的改变。高位自然边坡常见的变形体有倾倒变形体与蠕滑变形体。

图3 典型崩塌型块体剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of typical falling type block profile

图4 典型倾倒型块体剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of the typical toppling type block profile

1.2.1 倾倒变形体

倾倒变形体一般发育在反倾和斜反倾的陡立层状结构边坡中,或被裂隙切割的岩体中。表部岩层向坡外弯曲,倾倒变形,直至岩层折断,形成变形体(图5)。

1.2.2 蠕滑变形体

蠕滑变形体多见于均质或类均质体斜坡中。潜在滑移面受坡体最大剪应力面的位置所控制,该面以上坡体为自地表向下递减的剪切蠕变带。随蠕滑进展,坡面下沉,后缘张力带发育拉裂面并向深部逐渐扩展与潜在滑移面相连,造成沿潜在滑移面剪应力集中并有利于地表水渗入,最后潜在滑移面被剪断而发展为滑坡。在高陡的斜坡中,尤其当坡体具脆性特征时,常常发展成剧冲性崩滑,甚至演变为高速碎屑流(图6)。

1.3 高位堆积体

高位堆积体是指在工程部位以上的高程第四系堆积体,它的整体稳定与局部稳定性直接影响枢纽区下方施工人员及建筑物的安全。

图5 倾倒变形体剖面示意图Fig.5 Schematic diagram of the toppling deformable body profile

图6 蠕滑变形体剖面示意图Fig.6 Schematic diagram of the creep deformable body profile

堆积体按成因类型可分为崩坡积、残坡积、洪积、冲积、冰积等。高位堆积体最常见的类型为崩坡积体,特征为碎屑物岩性成分复杂,与高处的岩性组成有直接关系,从坡上往下逐渐变细,分选性差,层理不明显,厚度变化较大,厚度在斜坡较陡处较薄,在坡脚地段较厚[4]。

2 危险源识别及稳定性宏观判断

2.1 潜在不稳定块体

这些由不连续面切割形成岩石块体,广泛存在岩质边坡上,若发生失稳或垮塌,常常在施工及后期的工程运营过程中造成灾害。因此,对潜在不稳定块体的识别尤为重要,也为后期设计提供了依据。高位自然边坡的潜在不稳定块体识别一直以来就是工程地质勘察的一个难点。如何有效准确的识别潜在不稳定块体,以判断其边界及稳定性,是工程地质勘察领域中一个重大技术难题。

识别潜在不稳定块体的方法一般有现场调查与3D照片识别。现场调查对于人可以到达的部位可近距离观察构成块体的结构面的产状及性状,从而可准确判断其边界及稳定性,而对于人无法到达的部位,则只能通过望远镜进行远距离判断。远距离观察难以准确、全面的判断潜在不稳定块体的特征,所以对于地质人员无法到达的部位,采用3D照片进行识别。该方法是利用高清照相机或者无人机对选定区域进行全方位多角度的摄像或拍照,并在该区域制作像控点并对其进行测量,然后生成3D照片。通过3D照片可多角度全方位的识别,并可以在照片上量取构成块体的结构面产状、长度等特征信息,也为后期块体稳定性计算提供可靠的基础资料。

潜在不稳定块体宏观稳定判断主要取决3个方面的因素:①结构面几何特征(产状和连通性等);②结构面的性状(粗糙起伏程度、张开度、充填物等);③卸荷松弛特征。

以上述三方面因素为原则,依照表1,将潜在不稳定块体的稳定性分为稳定性差、较差、基本稳定、稳定四级。

2.2 变形体

变形体在自然边坡中广泛存在,首先需要对其准确识别。变形体内中上部一般都会伴随有明显的张拉裂缝。此外,受岩体变形的影响,变形体内岩体层面产状与周围岩体产状不同。通过上述两点可对变形体进行识别,并确定变形体类型。之后还需要通过勘探等手段来查明变形体的范围、形态、变形速率等特征参数,进而为判断变形体的稳定性提供依据。

倾倒变形体一般不存在整体失稳,主要表现为向临空面产生逐级后退式倾倒破坏。稳定性主要取决于地表坡度与岩体层厚,这个可通过现场地质测绘来宏观判断其稳定性。

蠕滑变形体整体稳定性主要取决于软弱结构面的产状及性状,当滑动面向临空方向的倾角足以使上覆坡体的下滑力超过该面的实际抗剪强度时,则在成坡过程中该面一经揭露即迅速导致破坏,发展为崩塌型滑坡,变形过程短暂;而当滑移面倾角接近该面残余摩擦角,且其抗剪强度接近残余值时,变形可向滑动逐渐过渡,发展为使坡体逐渐解体的缓滑。滑体内不同方向裂隙被拉开成网状巷道,形成块状滑坡。

表1 潜在不稳定块体稳定性评价标准表Table 1 Stability estimate standard of potential instability block

向裂隙被拉开成网状巷道,形成块状滑坡。

2.3 高位堆积体

对工程部位以上的第四系堆积体进行地质测绘,确定堆积体的边界与形态特征。然后布置勘探钻孔及平洞进一步查明其地质结构、物质组成、基岩面形态与水文地质特征等。

在进行地质勘探过程中重点关注是否有连续的软弱结构面与基岩面形态。若存在连续的软弱结构面或者基岩面形态较陡,那么堆积体的整体稳定性可能存在问题,反之亦然。此外,堆积体坡面散布的崩坡积物在外界扰动及自然因素(如降雨、风化、地震)作用下局部可能会出现规模较小的滚落或崩落。

3 危险源处理方法

3.1 潜在不稳定块体

潜在不稳定块体的处理措施一般有4种。

(1) 清除:清除的适用条件为一般潜在不稳定块体的失稳模式为崩塌、稳定性较差—差,方量一般<20 m3的情况。

(2) 混凝土支撑:该方案主要针对倒悬块体,需要有合适的地形地基条件。

(3) 锚固:一般采用锚杆、锚索及锚筋桩进行加固,其锚杆、锚索及锚筋桩的方位角、直径及吨位等需根据潜在不稳定块体的具体几何特征确定。

(4) 柔性防护网:该方案一般针对稳定性较差—差的潜在不稳定块体,由于其他原因无法清除,为确保潜在不稳定块体锚固施工期的安全,需先将其进行兜锚预支护,然后再结合锚固一并处理。

3.2 变形体

变形体的处理措施一般有3种。

(1) 混凝土支撑:对于倾倒变形体来说,为防止脚部岩块剥落可能引起的后续岩体失稳,于变形体脚部临空部位采取固结灌浆和混凝土支撑措施,这样可以有效的阻止其继续变形。

(2) 混凝土“阻滑键”锚固:对于蠕滑变形体来说,在变形体内设置混凝土“阻滑键”对其锚固,可有效阻止其继续变形。“阻滑键”需穿过滑面,进入未变形基岩。

(3) 柔性防护网:变形体表面岩体受变形扰动影响,一般较破碎,为防止坡面发生滚石现象,需在变形体表面布置主动柔性防护网进行包裹,在变形体下方布置被动柔性防护网进行拦挡。

3.3 高位堆积体

根据高位堆积体的基本地质条件、稳定性以及危害性大小综合提出治理方案,一般的处理措施有如下几种。

(1) 地表及地下排水:水对堆积体的稳定性影响较大,做好排水措施十分必要,对地表水的处理一般采用截排水沟进行排导,地下水则采用排水洞结合排水孔进行排导。

(2) 在基覆界面附近布置混凝土“阻滑键”增加堆积体的整体稳定性。

(3) 柔性防护网:同样为了防止滚石现象发生,需在堆积体较陡坡段布置主动柔性防护网,在堆积体下方布置被动柔性防护网进行拦挡。

4 结语

(1) 潜在不稳定块体宏观稳定判断主要取决于结构面几何特征、构面的性状、卸荷松弛特征,我们一般将潜在不稳定块体稳定性分为4级:稳定、基本稳定、较差和差。潜在不稳定块体的处理措施一般有4种:清除、混凝土支撑、锚固及柔性防护网。

(2) 倾倒变形体一般不存在整体失稳,主要表现为向临空面产生逐级后退式倾倒破坏,稳定性主要取决于地表坡度与岩体层厚。蠕滑变形体整体稳定性主要取决于软弱结构面的产状及性状,结构面越陡、性状越差,稳定性则越差。变形体处理措施一般有3种:混凝土支撑、混凝土“阻滑键”锚固及柔性防护网。

(3) 高位堆积体的整体稳定性主要取决于是否有连续的软弱结构面与基岩面形态。若存在连续的软弱结构面或者基岩面形态较陡,那么堆积体的整体稳定性可能存在问题,反之亦然。高位堆积体处理措施一般有3种:地表及地下排水、在基覆界面附近布置混凝土“阻滑键”以及柔性防护网。