工程科学与技术   2020, Vol. 52 Issue (5): 79-88
西藏扎拉水电站倾倒边坡工程地质特性研究
黄振伟, 马力刚, 雷明     
长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1505006)
摘要: 倾倒边坡是一种已发生变形的特殊边坡,最终可能会发展成滑坡、崩塌等严重地质灾害。倾倒边坡工程地质特性研究是进行边坡稳定性分析评价和处理方案设计的基础,目前国内相关研究工作尚不深入、不系统,难以满足新时代工程建设和地质灾害防治需要。扎拉水电站拟建于青藏高原西藏境内怒江一级支流玉曲河,工程区边坡倾倒现象普遍发育,对工程选址和安全运行存在较大影响,区内软岩、硬岩种类多样,倾倒模式齐全,对其开展相关研究具有典型代表性。从初步调查、详细勘察到专题研究历时数年,详细论证了倾倒边坡岩体的工程地质特性。通过探索并运用多项创新技术,解决了倾倒边坡空间范围界定、工程地质分区、抗剪断强度参数取值等工程地质特性研究的难题。采用测绘、洞探、钻探、物探、测试和试验等技术,准确界定了倾倒边坡范围,提出针对性的适宜的综合勘察方法。以岩体结构、变形破坏类型为依据,首次将边坡倾倒岩体分为层状弯曲、碎裂拉张、散体坠覆等3个区,并进一步分析了各区在岩层产状、风化特征、声波波速、透水性等方面的差异。根据倾倒边坡的独特性状,提出倾倒岩体抗剪断强度可在试验值小值平均值~试验值大值平均值范围内进行取值的原则方法,对现行标准规定的取值上限进行了适当拓展。同时,补充研究了顺向坡倾倒过程,进一步完善了边坡倾倒变形破坏的力学机制。
关键词: 倾倒边坡    空间范围    倾倒机制    工程地质分区    地质模式    力学参数    
Study on the Engineering Geological Characteristics of the Toppling Slope of Zara Hydropower Station in Tibet
HUANG Zhenwei, MA Ligang, LEI Ming     
Changjiang Survey,Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China
Abstract: Toppling slope is a kind of special slope which has deformed, and may eventually develop into serious geological disasters such as landslide and collapse. The engineering geological characteristics of toppling slope is the basis of slope stability analysis and evaluation and treatment scheme design, At present, the relevant research work in China is not in-depth and systematic, which is difficult to meet the needs of engineering construction and geological disaster prevention and control in the new era. Zara hydropower station is planned to be built on Yuqu River, the first tributary of Nu River in the Qinghai-Tibet Plateau, and the slope toppling in the project area is generally developed, which has a great influence on the site selection and safe operation of the project. There are various types of soft rock and hard rock in the area, and the toppling mode is complete, which provides a representative engineering case for the relevant researches. It took several years from preliminary investigation, detailed investigation to special research to demonstrate in detail the engineering geological characteristics of the slope rock mass. Through the exploration and successful application of innovative technologies, the problems in the study of the engineering geological characteristics, such as the determination of the spatial scope of the toppling slope, the division of the engineering geological areas and the valuing of the shear strength parameters, were solved. By means of surveying and mapping, hole exploration, drilling, geophysical exploration, testing and testing, the scope of the slope was accurately defined, and the appropriate comprehensive exploration methods were proposed. Based on the rock mass structure and the type of deformation and failure, the dumped rock mass of the slope was divided into three areas, i.e., the layered bending area, fragmentation and tension area, and the area of falling and covering of loose bodies. Furthermore, the differences of occurrence, weathering characteristics, acoustic wave velocity and water permeability of rock strata at different areas were analyzed. According to the unique characteristics of the dump slope, a principle determining method of the shear strength of dump rock mass was proposed. The upper limit of value specified in the current standard was also properly extended. The mechanical mechanism of slope collapse is further improved by studying the process of slope collapse.
Key words: toppling slope    space scope    toppling mechanism    engineering geological division    geological model    mechanical parameters    

20世纪70、80年代,Goodman和Bray[1-2]提出边坡倾倒变形及其破坏特征,倾倒边坡问题在世界范围被逐渐重视起来,相关研究方法相继提出。目前,国内对倾倒边坡的研究较粗浅且不系统,对其工程地质特性的认识还不统一,在工程实践中主要体现在以下几个方面:

1)倾倒岩体堆叠于原斜坡上,一般已与周围山体融为一体,未形成如滑坡后缘陡壁、两侧冲沟、前缘剪出口等较明显的微地貌[3],后期还有各种成因类型的堆积物覆盖,更增加了倾倒边坡平面范围界定的难度。另外,倾倒边坡因未发生整体滑动,不存在如滑坡底部滑带(面)等;现今钻探技术和数量有限的平洞勘探还不能准确观察倾倒岩体与正常岩体之间的接触面,倾倒边坡剖间范围界定亦有相当难度。

2)在倾倒变形破坏机制方面,王思敬[4]、黄润秋[5]、许强[6]、程东幸[7]、左保成[8]等对反向坡开展了大量工作,研究成果认为反向坡倾倒变形破坏是重力和坡脚软化压缩效应共同作用的结果,这与现场调查的倾倒现象并不完全相符,究其原因为上述倾倒变形破坏机制忽视了应力调整卸荷回弹对边坡在初期阶段发生倾倒的主导作用,并且不分阶段地过于强调重力作用。同时,对顺向坡研究较少,如简单套用反向坡倾倒变形机制,并不能合理解释顺向坡倾倒现象。

3)倾倒边坡是一种相对滑坡而言更为复杂的岩质边坡,其复杂性还体现在边坡各部位的工程地质特征具有明显差异,需要进行工程地质分区。根据前人相关研究成果[9-13],现有倾倒边坡工程地质分区主要以倾倒变形程度或变形破坏类型为依据,如将倾倒岩体分为极强、强、弱倾倒变形区,或分为滑移破坏、倾倒座落、蠕动变形、牵引变形区等。上述分区依据缺少理论支持,对应的分区结果比较混乱,分区目的性不明确。

4)抗剪断强度是进行边坡稳定性计算最重要的参数,针对倾倒边坡的参数取值研究较晚,目前还没有公认的有效方法。在当前工程实践中,仍是采用根据少量试验结果按照相关技术标准取值的常规方法。倾倒岩体结构面大量存在,通过钻孔难以取得合适的岩样进行室内试验,只能在现场制样进行原位试验。现行相关水利水电标准规定[14-15],对岩体和结构面的抗剪断强度在试验值小值平均值~试验值平均值范围内取值。

本文以西藏玉曲河扎拉水电站为例,通过工程地质勘察探索与实践,采用创新方法解决倾倒边坡平面及空间范围界定、顺向坡倾倒变形破坏机制、工程地质分区、抗剪断强度参数取值等难题,为边坡稳定性分析评价和处理方案设计奠定了可靠的基础。

1 工程概述

扎拉水电站位于西藏境内怒江左岸一级支流玉曲河上,采用混合式开发,主要任务是发电。枢纽主要建筑物由大坝、引水隧洞、电站厂房组成。混凝土重力坝最大坝高约67 m,引水发电隧洞线路长约5 km,地面厂房主电站利用最大水头690.55 m,装机容量1 000 MW,工程规模为二等大(2)型[16],是西藏境内史首个具有开工条件的百万装机容量的水电工程。

工程区位于青藏高原东南部高山峡谷,山峰连绵耸立,河谷深切陡峻,地势总体北高南低。基岩种类多样,主要有板岩、砂岩、大理岩等层状岩石;岩性软弱相间,钙质板岩属软质岩,砂质板岩属中硬岩,大理岩、砂岩属坚硬岩。板理面、岩层面一般呈大于70°的陡倾角,走向与河谷基本一致。层状岩石分布区内山体和河谷边坡岩体普遍发育倾倒现象,这种特殊边坡为倾倒边坡。与水电站枢纽主体工程有关、分布较连续、厚度较大且具一定规模的倾倒边坡共有6处(图1),其中,水库区3处(编号QD2、QD3、QD4),坝址区2处(编号QD1、QD5),厂址区1处(编号QD6)。

图1 水利枢纽工程布置及倾倒边坡分布简图 Fig. 1 Layout of hydroproject and distribution diagram of toppling slope

2 工程勘察方法 2.1 倾倒边坡勘察的特殊性

倾倒边坡工程地质模型具有3维空间、物理力学、环境因子三大属性,描述边坡工程地质条件、水文地质条件、环境及边界条件,反映边坡各种工程地质特征,是进行倾倒边坡变形破坏机制分析和稳定性评价最重要、最关键的基础环节[17]。除环境因子属性外,3维空间和物理力学属性都是工程地质勘察的工作内容,其中,3维空间属性包括(平面、剖间)范围、底弯(断)面、工程地质分区及其岩体连续性概化、变形破坏现状等,物理力学属性包括底弯(断)面物理力学性质、工程地质分区岩体物理力学性质、正常岩体物理力学性质等。

倾倒边坡与滑坡存在类似之处,可归类于潜在滑坡,因此滑坡工程地质勘察通常采用的方法和手段也可应用于倾倒边坡勘察。但是,倾倒边坡在很多方面的特殊表现又不同于一般意义上的滑坡或潜在不稳定边坡,需要对关键勘察技术进行创新。

2.2 主要勘察方法

在工程区倾倒边坡勘察过程中,采用了地质测绘和精细地质编录、勘探、物探、测试、试验等综合勘察方法[18]。实践证明,对于具有高度特殊性、复杂性的倾倒边坡,必须采用多种勘察方法相互配合、相互校验,才能有效查明其工程地质特征。

1)地质测绘和精细地质编录

地质测绘主要目的是确定倾倒边坡的平面范围,对界线不明显的地段配合开挖坑槽以形成足够数量的人工露头。对平洞和钻孔进行精细的地质编录,平洞编录重点是结构面状况、风化分带、地层分布、地下水、变形破坏现象等,钻孔岩芯编录重点应关注结构面倾角的变化。

2)勘探

勘探主要目的是确定倾倒边坡的剖面范围和底弯(断)面位置,也是进行工程地质分区的依据。控制性勘探线沿边坡倾倒方向布置,平洞分层布置在倾倒边坡下部、中部、上部,平洞和钻孔进入正常岩体的深度为15~30 m,勘探点间距为50~100 m。

3)物探

物探主要目的是辅助确定倾倒边坡的空间范围,探测各工程地质分区地球物理特性(如波速、视电阻率等)。电法、地震法在地表进行,地震波测试在平洞中进行,声波测试在钻孔和平洞中进行,层析成像CT在平洞与地表或平洞与平洞之间进行。对含地下水且倾倒岩体厚度大于50 m的倾倒边坡,如厂址区的QD6,电测深法效果相对于地震法较好;对不含地下水的倾倒边坡如水库区QD2、坝址区QD5,地震法、层析成像CT效果较好。

4)试验

试验主要目的是了解边坡岩体的物理力学性质,也是为校验倾倒边坡空间范围分布和工程地质分区的准确性提供依据。注(压)水试验在钻孔中连续进行,原位直剪试验、原位变形试验在平洞中进行(边坡浅层的散体坠覆区岩体因结构松散无法制样而未能进行试验),对正常岩体取样送回实验室进行常规岩石物理力学性质试验。

3 倾倒变形破坏模式及其组合 3.1 倾倒空间形态特征

工程区玉曲河为纵向河,顺向坡或反向坡均发育倾倒边坡,由于地层岩性、岩石强度、岩性组合、岩层厚度等差异,形成了不同的倾倒空间形态。

1)中硬岩为主夹坚硬岩倾倒边坡

边坡为砂质板岩或砂质板岩夹砂岩,中厚层状。当砂质板岩板理转动角(倾倒板理倾角与正常板理倾角差值)大于10°~15°、砂岩层面转动角(倾倒层面倾角与正常层面倾角差值)大于5°~8°时,在倾倒岩体根部形成较明显的折断面或弯折面,倾倒岩体与其下正常岩层界面明显,板(层)理之间互相错动并伴有拉裂,形成倾倒折断岩体或倾倒弯折岩体。这类岩体在玉曲河河谷两岸顺向坡、反向坡均有分布,其中顺向坡倾倒岩体与正常岩体因板理倾向相反而更为明显,如坝址区QD1、水库区QD2。

2)软质岩为主夹坚硬岩倾倒边坡

边坡为钙质板岩或钙质板岩夹砂岩,钙质板岩呈薄层状。陡倾的软弱钙质板岩向临空方向发生弯曲,平洞揭示出倾倒岩体与正常岩体呈明显的弧形弯曲过渡,尽管板理转动角已达39°,但由于软质岩具有较强的延塑性,倾倒岩体根部为弯而未断的弯曲面,倾倒弯曲岩体板(层)理之间互相错动并伴有拉裂,裂隙充填泥及碎屑。这类倾倒弯曲岩体分布于水库和坝址右岸反向坡,如QD5,因岸坡结构不同,其分布厚度存在较大差异,当其中所夹砂岩厚度较大时,由于砂岩的支挡作用,砂岩上部边坡一般仅在坡表发生浅层的卸荷变形岩体,厚度较小;其下部边坡倾倒强烈,厚度大。

3)下部软质岩上部坚硬岩倾倒边坡

边坡下部为钙质板岩、上部为大理岩,即“下软上硬”的复合结构。边坡下部的薄层、软质钙质板岩向临空方向倾倒弯曲,由于软质岩具有较强的延塑性,倾倒后的钙质板岩与正常岩体之间呈弯而不断的形态;边坡上部大理岩这类坚硬岩一般不会轻易发生倾倒,但由于下部钙质板岩已倾倒而使上部坚硬岩进一步临空,大理岩因适应其倾倒亦发生变形。这类倾倒岩体发育的水平深度大,倾倒岩体与正常岩体之间岩层层面、板理倾角逐渐变化,缓慢过渡,呈舒缓的弧形弯曲,使坚硬岩也不会折断,形成倾倒弯曲岩体。勘察表明平洞内不能明显揭露弯曲带,只能根据声波测试成果和岩石风化程度判断倾倒岩体和正常岩体之间的分界,如厂址区QD6水平深度:边坡下部78.0 m(平洞PD14)、119.5 m(平洞PD25);中部大于117.0 m(平洞PD15);上部186.0 m(平洞PD24)。

3.2 倾倒岩体与正常岩体分界面形态特征

根据倾倒边坡的规模、发展阶段,倾倒岩体与正常岩体之间的底弯面(带)表现出不同的特征,可分为底弯面、底断面、底弯面+底断面3种形态类型。

1)底弯面:边坡岩体发生倾倒变形破坏,在倾倒岩体和正常岩体之间,岩体发生弯曲,弯曲面上有裂纹,但还未完全折断,如坝址区QD5、厂址区QD6。

2)底断面:倾倒岩体发育规模较小,但近坡表倾倒程度较大,发生弯曲变形破坏后岩体从根部折断(图2),如坝址区QD1和水库区QD3、QD4。

图2 QD1倾倒边坡底断面 Fig. 2 Bottom section of QD1 toppling slope

3)底弯面+底断面:由于边坡不同部位发生倾倒变形破坏的程度及深度不同,在坡体不同部位,弯曲折断的程度也有差异,弯曲底界呈部分弯曲、部分折断。如:水库区QD2,在边坡下部平洞PD02内,倾倒岩体底边界位于水平深度61.5 m处,表现为折断面(图3(a));在边坡中部平洞PD08内,倾倒岩体底边界位于水平深度93.0 m处,表现为底弯面(图3(b))。

图3 QD2倾倒边坡底断面、底弯面 Fig. 3 Bottom section and bottom curved surface of QD2 toppling slope

3.3 倾倒变形破坏的地质模式

根据倾倒现象及其发生、发展过程和倾倒岩体与正常岩体分界面形态特征,分以下3种地质模式。

1)倾倒弯曲

倾倒岩体与正常岩体界面弯曲,为底弯面,底弯面上有裂纹,未完全折断,如坝址区QD5、厂址区QD6。

2)倾倒弯折

倾倒岩体与正常岩体界面部分弯曲、部分折断,为底弯面+底断面,如水库区QD2。

3)倾倒折断

倾倒岩体与正常岩体界面折断,为底断面,如坝址区QD1和水库区QD3、QD4。

4 边坡倾倒变形破坏机制

工程区边坡具有不同的坡体结构,玉曲河左岸为顺向坡,右岸为反向坡,均普遍发生了倾倒。左岸顺向坡倾倒形成坝址区QD1和水库区QD2、QD3,右岸反向坡倾倒形成水库区QD4、坝址区QD5、厂址区QD6。

倾倒边坡是在复杂地质环境下,随地壳不断抬升、河谷下切的过程中经过漫长的地质时代孕育演化而成。倾倒边坡的发生和发展是受各种影响因素综合作用的结果,初始地应力、岩层产状、边坡形态是边坡发生倾倒的控制性因素、敏感因素,岩石强度和岩体结构、水的作用是边坡发生倾倒的次要因素、非敏感因素。

通过对水库区QD2顺向坡倾倒边坡(地质剖面图见图4)的研究,认为其初始启动条件是在河谷岸坡的成坡过程中,河谷快速下切,边坡产生卸荷回弹变形,然后在自身重力条件下,薄层板梁一方面向临空面弯曲变形,同时板理面、板理(或岩层面、层理)也产生剪切滑移变形,主要经历卸荷变形、倾倒变形、倾倒发展、倾倒加剧4个阶段。

图4 QD2倾倒边坡工程地质剖面图 Fig. 4 Engineering geological profile of QD2 toppling slope

1)卸荷变形(图5(a)6(a)

图5 顺向坡倾倒变形机制 Fig. 5 Mechanism of toppling deformation of consequent slope

图6 边坡倾倒变形力学分析 Fig. 6 Deformation mechanics analysis of slope toppling

由于河流逐渐下切、河谷不断加深时伴随边坡成坡过程中大面积、强烈的卸荷作用,河谷边坡岩体应力状态发生明显的分异,坡缘附近为拉应力分布区,坡体主应力迹线愈接近于临空面,最大主应力愈接近平行于临空面。在这种应力作用下,力学强度小的板理面或岩层面自坡顶向下被拉开形成卸荷裂隙,板理面间发生微量剪切错动。水渗入裂隙中存在静水压力,结冰后还有冰的作用力,对岩层倾倒起到促进作用,坡顶地带呈板状的陡倾顺层岩体将向临空面发生初始的倾倒变形。

河谷两侧的多级阶地说明玉曲河一直处于间歇性抬升中,同时伴随河谷边坡的形成,坡体因卸荷回弹沿板理面或岩层面松弛、拉裂。边坡顶部和中上部在平行于坡倾向的最大主应力作用下和在后缘卸荷裂隙中的静水压力、冰作用力的促进作用下,向临空面发生初始的倾倒变形。

2)倾倒变形(图5(b)6(b)

卸荷变形逐渐变大,板理面或岩层面倾角逐渐变陡至直立,倾向相应由顺向逐渐过渡为反向。岩体在自重弯矩和侧向卸荷的共同作用下,继续向临空方向发生悬臂梁式倾倒变形,变形由坡体浅表部逐渐向深部发展。此阶段仍属边坡倾倒的初期,由板理面、岩层面间的剪切错动派生的岩板、岩层拉张效应较弱,不具备层间拉张变形的基本应力条件,故通常不会发生宏观拉张破裂,力学性质应属塑性连续变形。

3)倾倒发展(图5(c)6(c)

随着变形的发展,坡脚附近岩体向临空面倾倒变形加大,中后部岩体在初始扰动后,在重力产生的弯矩作用下,层状岩体沿板理面、岩层面发生滑移,还有的沿板理、层理发生滑移。随着滑移的发展,岩层继续倾倒、弯曲,岩块变薄,结构逐渐变差,自坡面向内逐渐形成散体坠覆、碎裂拉张、层状弯曲3个工程地质分区。同时,由于倾倒岩体和正常岩体之间的转动角增大到一定值时,在边坡内逐渐形成比较连续、稳定的底弯面。

由于沿结构面(板理面、板理、岩层面、层理等)剪切作用增强,层内拉张效应渐趋明显,岩板、岩层承受越来越大的拉张应力。当拉张应力达到或超过岩体的抗拉强度,岩板、岩层会产生与边坡走向近平行的纵向拉张裂隙。同时,由于坡面浅层岩体的压缩、坠覆作用,岩板、岩层会产生与边坡走向近正交的横向裂隙。

4)倾倒加剧(图5(d)6(d)

因坡体前部不仅临空条件好,而且薄层状板岩在水的作用下易软化,边坡下部局部崩塌和压缩变形,进一步加剧了岩体向临空方向的倾倒。在重力作用下,弯曲变形继续发展,随着滑移—倾倒变形的进一步加剧,岩层弯曲到一定程度,板内的纵向拉张裂隙数量明显增多,其张开度也随之增加。当弯曲到一定程度后,因其弯曲变形角度很大,作用于岩板、岩层的倾倒弯矩继续增大,层间剪切作用十分强烈。当剪切力达到或超过倾倒岩体根部的抗弯折强度时,岩体在弯曲变形最强烈处破裂、折断,底弯面贯通,形成具有潜在滑动面的滑坡。

沿结构面(板理面、板理、岩层面、层理等)剪切作用加剧,除发生沿结构面的强烈剪切滑移外,也沿已有裂隙发生张性剪切破裂,表现出显著的切层发展特征,力学属于不连续脆性破裂。

反向坡倾倒变形机制与顺向坡基本一致但略有差别,顺向坡倾倒的启动作用力主要是卸荷回弹作用,而反向坡倾倒的启动力是卸荷回弹和重力的共同作用,而后均在重力作用下加剧了其倾倒变形程度和岩体结构变化。反向坡形成机制可分为卸荷倾倒变形、倾倒发展和倾倒加剧3个阶段,其中卸荷倾倒变形阶段对应于顺向坡的卸荷变形和倾倒变形阶段,这里不再赘述。

5 工程地质分区 5.1 工程地质分区原则

按岩体结构和变形破坏类型的差异,将倾倒边坡自外向内分为3个工程地质区:散体坠覆区(C区)、碎裂拉张区(B区)和层状弯曲区(A区)。

1)散体坠覆区(C区)

散体结构,部分呈碎裂结构,一般不具连续板理(层理),岩块间普遍具架空现象,强烈松弛,或充填碎石、砾石、岩屑,多在重力作用下已发生错动、坠覆。

2)碎裂拉张区(B区)

碎裂结构,表现为层内及层间拉张,板理(层理)基本连续,发育倾坡外的纵向(与岩层走向或边坡走向近平行)拉张裂隙,其中多充填碎石、岩屑或黏性土,横向(与岩层走向或边坡走向近正交)裂隙也较发育。

3)层状弯曲区(A区)

基本保持原始岩体的层状结构,板理(层理)连续,倾坡外的拉张裂隙相对不发育,拉张变形不明显或裂缝出现微量变形,岩层以弯曲变形为主。

根据平洞揭示情况(表1),各倾倒边坡倾倒岩体水平深度不同,分区也有不同,这些差异与倾倒边坡发育规模、发展过程直接相关。规模大的倾倒边坡如QD6,最大水平深度约200 m,边坡内部同时具有A、B、C 3个工程地质区。规模中等的倾倒边坡如QD2、QD5,水平深度60~100 m,边坡内部可同时具有上述3个工程地质区,也可缺少1个区。规模小的倾倒边坡如QD1、QD3、QD4,水平深度小于30 m,边坡内部一般缺少1~2个工程地质区。

表1 各倾倒边坡分区水平深度 Tab. 1 Horizontal depth of each toppling slope zone

5.2 各工程地质分区地质特征

1)结构面发育

根据平洞精细地质素描资料,倾倒岩体中发育3组裂隙:第1组为板理(层理)裂隙,顺板理(层理)裂开;第2组为纵向裂隙,裂隙面与板理(层理)面走向近平行、倾向近垂直;第3组为横向裂隙,裂隙面与板理(层理)面走向近垂直。倾倒边坡自内向外裂隙发育程度逐渐变强、性状逐渐变差,各工程地质分区地质结构具有明显差异。

散体坠覆区(C区)倾倒岩体呈散体~碎裂结构,结构面主要为板理及裂隙,受结构面切割,岩块厚度为5~30 cm、长度为10~50 cm。以第1组裂隙最为发育,其次为第2组纵向裂隙、第3组横向裂隙,裂隙宽一般1.5~3.0 cm,裂隙面呈锯齿状,多充填岩屑、泥质,迹长50~130 cm。

碎裂拉张区(B区)倾倒岩体呈碎裂结构,结构面主要为板理及裂隙,受结构面切割,岩块厚度一般10~30 cm,长度一般30~50 cm。以第1组板理(层理)裂隙最为发育;其次为第2组纵向裂隙,裂隙宽0.2~0.5 cm,起伏、粗糙,多充填岩屑,迹长50~100 cm。

层状弯曲区(A区)倾倒岩体呈薄层状结构,层厚2~8 cm,主要发育第1组板理(层理)裂隙,裂隙宽0.1~0.2 cm,局部充填岩屑,迹长5~10 cm,裂隙间距10~30 cm。

2)岩层产状

平洞揭示各倾倒边坡工程地质分区岩层产状,各分区岩体随倾倒程度变弱,岩层(板理)倾角逐渐变大;各分区内倾向变化小,顺向坡倾倒岩体层面(板理)倾向与正常岩体相反,而反向坡倾倒岩体层面(板理)倾向与正常岩体基本相同。

以水库区倾倒边坡QD2为例,倾倒岩体各区及正常岩体板理倾向、倾角变化见图78。岩体板理面产状变化明显,倾倒岩体岩层层序保持较好,板理面倾向60°~90°(倾坡内),与正常岩体(倾向250°左右,倾坡外)倾向相反;倾倒岩体板理面倾角40°~60°,与正常岩体(倾角70°~80°)相差20°~40°。

图7 QD2各区板理倾向变化 Fig. 7 Change of foliation trend in different regions of QD2

图8 QD2各区板理倾角变化 Fig. 8 Change of Inclination angle of bedding in different regions of QD2

3)风化

倾倒边坡岩体普遍遭受风化,各风化带具有不同的特征。强风化带岩石组织结构完全被破坏,裂隙极度发育,强度极低,手捏即碎;平洞用镐钎可挖,易塌顶;钻进速度快,岩芯多呈碎石土状、碎块状。弱风化带岩石组织结构基本未改变,矿物多在层面、裂隙面被风化,岩块断口新鲜,锤击声较脆;平洞掘进较困难,洞形稳定条件较差,须支护;钻孔中岩芯多呈碎块状,平均岩芯获得率10%~50%。微新岩石组织结构未变,仅沿裂隙面可见部分易风化的矿物;平洞掘进困难,洞形稳定条件较好;钻孔岩芯呈柱状–长柱状,部分呈碎块状,平均岩芯获得率40%~80%。

根据平洞揭示,倾倒边坡内部岩体呈强风化–弱风化状,未见微风化和新鲜岩石,其中,散体坠覆区(C区)主要呈强风化,碎裂拉张区(B区)呈强–弱风化,层状弯曲区(A区)主要呈弱风化。也就是说,边坡发生倾倒后,其内部岩体会遭受不同程度的风化作用,一般不存在微新岩体,这也是区分倾倒岩体和正常岩体的一个重要标志。

4)波速

以QD2为例,平洞PD02中,散体坠覆区(C区)地震波速1 000~1 199 m/s,碎裂拉张区(B区)地震波速1 830~2 250 m/s,层状弯曲区(A区)地震波速2 000~2 497 m/s,正常岩体地震波速2 973~3 399 m/s(图9)。倾倒岩体与正常岩体比较,波速明显降低,完整性差,而倾倒岩体内部,自坡外向坡内,由C区→B区→A区,波速值呈逐渐变大的趋势。

图9 QD2波速变化 Fig. 9 Wave speed change of QD2

5)透水性

根据平洞揭露倾倒边坡中地下水的情况,大多数倾倒边坡呈干燥状态,10个平洞中仅PD08、PD14、PD25局部洞段揭露地下水。地下水一般沿倾倒岩体中发育的断层破碎带出露,流量多小于1 L/min,平洞PD14洞深58 m处(断层破碎带宽约1 m)初见流量较大,为200 L/min,但随着时间的推移逐渐减少为不足80 L/min。

统计钻孔压水试验资料,散体坠覆区(C区)呈极强透水性,碎裂拉张区(B区)呈极强–强透水性,层状弯曲区(A区)一般呈中等透水性。

6 岩体抗剪断强度

岩体抗剪断强度是倾倒边坡一项重要的工程地质特性,也是边坡稳定性分析计算所需要的最主要参数。在现场进行原位直剪试验,多在平洞内制样实施,仅1组在地表取样、平洞中实施。共完成倾倒边坡岩体直剪试验14组,边坡内部倾倒岩体、底弯(断)面各7组,其中:A区直剪试验3组,B区4组;底弯面直剪试验3组,底断面4组,剪切面尺寸30 cm×30 cm~50 cm×50 cm。试验前对平洞侧壁人工扩挖形成凹槽,在凹槽内布置试验点,倾倒边坡内部岩体的试验剪切面与纵向裂隙基本一致,底弯(断)面的试验剪切面为倾倒岩体与正常岩体的接触面。

以原位试验成果和反演计算[19]为基础,考虑其他与边坡工程地质特征相关的因素并结合工程经验,提出扎拉水电站各倾倒边坡岩体抗剪断强度参数建议值(表2),其中底弯(断)面力学参数的取值,既要考虑其粗糙度、起伏度、嵌连程度对现场力学试验的加大效应,也要根据边坡重要性及危害性留有相应的安全裕度。

表2 倾倒边坡岩体抗剪断强度参数建议值 Tab. 2 Recommended values of shear strength parameters for rock mass of toppling slope

7 结 论

扎拉水电站工程区边坡普遍发生倾倒,倾倒边坡对枢纽选址和建筑物布置方案影响很大。通过对倾倒边坡进行长期勘察研究,在倾倒边坡空间范围界定、倾倒岩体工程地质分区及其抗剪断强度参数取值等方面探索出多项创新方法,补充研究了顺向坡倾倒变形破坏机制,全面系统地论证了枢纽工程区倾倒边坡的工程地质特性。

1)在工程区倾倒边坡范围界定时,平面范围界定采用以地质测绘、坑槽探为主,结合少量钻探的方法。坑槽探对部分地质界线进行修正,钻探可将坡表浅层的卸荷变形岩体剔除于范围之外。剖面范围界定采用洞探、钻探结合层析成像CT等综合方法。如水库QD2倾倒边坡上共布置两层平洞和11个钻孔;平洞内底弯(断)面形态清晰,而钻孔岩芯多难以鉴定,需根据岩芯采取率、获得率、钻孔压(注)水试验、钻孔声波测试、钻孔电视等资料综合确定;在两层平洞之间进行层析成像CT测试,准确界定了该倾倒边坡的底弯(断)面形态和剖间范围。

2)反向坡形成过程可分为卸荷倾倒变形、倾倒发展和倾倒加剧3个阶段,倾倒的启动力是卸荷回弹和重力的共同作用,而不是仅有重力作用,坡脚软化压缩效应也不占主导地位。顺向坡倾倒变形机制与反向坡基本一致但略有差别,顺向坡倾倒的启动作用力主要是卸荷回弹作用,然后在自身重力作用下,薄层板梁一方面向临空面弯曲变形,同时板理面、板理(或岩层面、层理)也产生剪切滑移变形,主要经历卸荷变形、倾倒变形、倾倒发展、倾倒加剧4个阶段,在倾倒的过程中,岩体变形程度加剧,结构完整性变差。

3)从倾倒边坡成因历史和发展现状看,其稳定性取决于结构面和结构体特征,这与南京大学罗国煜教授、中国科学院地质所孙广忠研究员提出的“岩体结构控制理论”[20]相当吻合。因此,工程区倾倒边坡的工程地质分区将岩体结构(层状、碎裂、散体结构)作为第一依据,将变形破坏类型(弯曲、拉张、坠覆)作为第2依据,具体分为层状弯曲区(A区)、碎裂拉张区(B区)、散体坠覆区(C区)共3个区(对于单个倾倒边坡,并不一定同时具有3个分区,有时缺少1~2个分区),同时制定了岩层产状(转动角)、波速、透水性、风化系数等定量指标。实践证明,这种工程地质分区方法将定性描述和定量指标相结合,既有成熟的理论支持,又继承发扬了前人研究成果,对倾倒边坡稳定性计算评价和处理措施方案设计、施工具有指导意义,目的性明确。

4)试验成果和稳定性反演计算表明,如果按照现行标准的取值原则,抗剪断强度有些情况偏小,这与样品的尺寸效应和倾倒岩体结构、底弯(断)面的独特性状相关。因此,将倾倒边坡抗剪断强度确定原则定为以试验值平均值作为基本值,根据地质条件在试验值小值平均值~试验值大值平均值范围内取值,从而对现行标准规定的取值上限进行了适当拓展。

参考文献
[1]
Goodman R E,Bray J W.Toppling of rock slopes[C]//Proceedings of ASCE Specialty Conference,Rock Engineering for Foundations and Slopes.Colorado:Boulder,1976:201–234.
[2]
Goodman R E.Methods of geological engineering in discontinuous rocks[M].Minnesota:West Publishing Co,1976.
[3]
Zhou Hongfu,Nie Dexin,Li Shuwu. Integrated analysis of formation mechanism for large-scale toppling rock mass of a hydropower station on Lancangjiang River[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2012, 32(3): 48-52. [周洪福,聂德新,李树武. 澜沧江某水电工程大型倾倒变形体边坡成因机制[J]. 水利水电科技进展, 2012, 32(3): 48-52. DOI:10.3880/j.issn.1006-7647.2012.03.012]
[4]
Han Beichuan,Wang Sijing. Mechanism for toppling deformation of slope and analysis of influencing factors on it[J]. Journal of Engineering Geology, 1999, 7(3): 213-217. [韩贝传,王思敬. 边坡倾倒变形的形成机制与影响因素分析[J]. 工程地质学报, 1999, 7(3): 213-217. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.1999.03.004]
[5]
Yan Ming,Huang Runqiu,Xu Peihua. Research on the deep-seated deformation mechanism of the left bank slope in the front of a dam,Sichuan,China[J]. Journal of Chengdu University of Technology(Science & Technology Edition), 2005, 32(6): 605-613. [严明,黄润秋,徐佩华. 某水电站坝前左岸高边坡深部破裂形成机制分析[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2005, 32(6): 605-613.]
[6]
许强,黄润秋,王士天.反倾岩层弯曲拉裂变形的CUSP型突变分析[M]//工程地质传统与未来.成都:成都科技大学出版社,1993.
[7]
Cheng Dongxing,Liu Daan,Ding Enbao,et al. Analysis on influential factors and toppling conditions of toppling rock slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(11): 1362-1366. [程东幸,刘大安,丁恩保,等. 层状反倾岩质边坡影响因素及反倾条件分析[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(11): 1362-1366. DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2005.11.027]
[8]
Zuo Baocheng,Chen Congxin,Liu Xiaowei,et al. Modeling experiment study on failure mechanism of counter-tilt rock slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(19): 3505-3511. [左保成,陈从新,刘小巍,等. 反倾岩质边坡破坏机理模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(19): 3505-3511. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2005.19.017]
[9]
丁小军,刘卫民,王佐,等.软质岩边坡倾倒变形机理及处治工程实例[M].北京:人民交通出版社,2011.
[10]
Zhang Lianghua,Xie Liangfu,Li Xingming. Spatio-temporal evolution of toppling deformation of anti-dip bedded rock slope[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2017, 34(11): 112-115. [张亮华,谢良甫,李兴明. 反倾层状岩质边坡倾倒变形时空演化特征研究[J]. 长江科学院院报, 2017, 34(11): 112-115.]
[11]
Pang Bo.Study on the mechanical mechanism and evolution characteristics of toppling deformation in thin anti-dip slate slope[D].Chengdu:Journal of Chengdu University of Technology,2017.
庞波.反倾薄层板岩边坡倾倒变形力学机理及演化特征研究[D].成都:成都理工大学,2017.
[12]
Wu Jianchuan,Zou Guoqing. Toppling deformation evolution process and treatment of rock slopes[J]. Water Power, 2015, 41(4): 19-25. [吴建川,邹国庆. 岩质边坡倾倒变形演化过程及工程治理[J]. 水力发电, 2015, 41(4): 19-25. DOI:10.3969/j.issn.0559-9342.2015.04.006]
[13]
Liu Haijun,Ju Nengpan,Zhao Jianjun,et al. Study of toppling deformation and failure characteristics of stratified rock slope[J]. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science), 2017, 40(6): 793-798. [刘海军,巨能攀,赵建军,等. 层状岩质边坡倾倒变形破坏特征研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2017, 40(6): 793-798.]
[14]
中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范:GB 50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.
[15]
中国电力企业联合会.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006[S].北京:中国计划出版社,2006.
[16]
黄振伟,张丙先,潘坤,等.西藏玉曲河扎拉水电站可行性研究报告工程地质分册[R].武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司,2018.
[17]
齐典涛. 昌马水库倾倒变形边坡特征形成机制及发育深度[J]. 西部探矿工程, 2001, 13(6): 47-49. DOI:10.3969/j.issn.1004-5716.2001.06.024
[18]
化建新,郑建国.工程地质手册[M].5版.北京:中国建筑工业出版社,2018.
[19]
中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电水利工程边坡设计规范:DL/T 5353—2006[S].北京:中国电力出版社,2006.
[20]
Luo Guoyu. Geotechnical engineering problems on urban environment and studies of geohazards[J]. Jiangsu Geology, 2002, 26(3): 161-164. [罗国煜. 城市环境岩土工程问题与地质灾害研究[J]. 江苏地质, 2002, 26(3): 161-164.]