傾倒變形體成因機制及穩定性

孫建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理處，新疆 博樂833400）

傾倒變形體成因機制及穩定性

孫建明

（新疆博州阿拉山口供水工程管理處，新疆 博樂833400）

陡傾產狀巖體傾倒變形是自然界常見的一種地質災害，對工程建設存在一定的危害。根據傾倒變形體的特征，進行邊坡破壞模式和穩定性計算分析，并綜合考慮傾倒體所處部位、規模、工程地質條件，計算出安全系數并提出處理方案。

傾倒變形體；成因機制；破壞模式；穩定性分析

1 工程概況

阿克肖水庫工程是流域規劃推薦阿克肖河上的控制性水利樞紐工程，最大壩高57.5m，為中型Ⅲ等工程，由擋水壩、導流兼沖沙泄洪洞、溢洪道等組成。水庫具有年調節性能，灌溉、防洪等綜合利用效益。工程建成后，替代下游灌區調蓄水庫工程，減少水庫損失，提高水資源利用效率，可改善流域灌區灌溉面積1.95萬hm2灌溉條件，擴大流域灌區灌溉面積0.66萬hm2；下游河道防洪標準從5年一遇提高到20年一遇。

水庫壩址區河谷右岸局部為高陡斜坡，與陡立的巖體片理呈小角度相交。巖體在自重彎矩作用下，由前緣向臨空方向作懸臂彎曲，并逐漸向坡內發展；傾倒彎曲的片理相互間錯動并伴有拉裂，使巖體傾倒進而形成不穩定傾倒體。

2 傾倒體位置和規模

傾倒體位于壩軸線右岸坡，底部位于Ⅳ級階地后緣，高程2425m，頂部高程2500m，底部1/3位于正常蓄水位下；高差70m，順河寬100～170m。傾倒體厚20～36m，估算方量26.0萬m3；傾倒巖體變形后，產狀由65°～70°SE∠60°～80°傾倒形變為65°NW∠5°或55°NW∠15°，傾倒巖體破碎，呈碎塊狀結構，傾倒體表層片理面張開，多充填有黃色粉土。該傾倒體自然坡度34°，目前處于穩定狀態。水庫蓄水后，僅坡腳處高45m的局部段浸泡于水下。由于距壩址較近，壩趾板開挖時可能受影響，致使該傾倒體結構改變，產生局部失穩滑動。

3 右岸坡卸荷傾倒變形體自然組成條件及破壞模式

3.1 自然組成條件

傾倒變形體處邊坡巖體卸荷傾倒強烈，主要受到壩址區地形地貌、巖體結構、構造環境影響。

3.1.1 構造環境因素［1］

該變形體范圍內和周邊發育多條EW向及NWW向中、小規模斷層和裂隙，有較高的應力環境下，構造作用強烈，順層片理發育，且主壓應力方向平行于變形體主軸線，與目前主河床78°斜交。長期的河流自然掏刷以致變形體“腳部”失穩，較高巖體在自重條件下沿著不利結構面下滑，導致巖體上部或下部開裂，原先的自穩能力削減，最終卸荷。

3.1.2 原始地形地貌的影響

傾倒變形體處邊坡走向近東西向，岸坡陡立。在Ⅳ級階地后期，地殼大幅抬升，河流急速下切，抬升幅度達50m。垂直坡面發育沖溝，不斷侵蝕山體，并在較大高差的地形條件下，有利于卸荷傾倒作用的產生。

3.1.3 地層巖性及結構面的影響

邊坡基巖為綠泥石石英片巖，片理走向與邊坡呈小角度相交，片理陡傾坡外，順層片理發育，易造成巖體向主河床方向張裂［2-3］和卸荷傾倒而進行地貌上的蠕變。岸邊巖體在日常自然環境中風化下，沿片理面間拉裂變形，向臨空面彎曲；進一步發展，巖石沿片理面折斷傾覆于山坡上。

3.1.4 河流沖蝕的影響

傾倒變形體底部為Ⅳ級階地后緣，河流在主河床的演變過程中對右岸巖體邊坡坡腳進行掏蝕，導致邊坡巖體卸荷作用得以充分發展。

因此巖體卸荷傾倒的影響因素是相互作用、彼此牽制的。自然的地形地貌和主河道的演變對傾倒體形成提供了先決條件，巖體的巖性和發育結構面是傾倒體形成的內在因素。

3.2 邊坡破壞模式

邊坡的破壞強度，各個時期有所不同，邊坡形成初期，受河流快速下切影響［4］，地形陡峻，巖體自穩能力減弱，表層巖體從上部逐漸崩塌和崩落。隨著崩塌的進行，邊坡坡度逐漸變緩，當崩塌變形體的自重和下側的阻礙力相平衡時，該傾倒體基本處于穩定。

4 傾倒體穩定性評價

4.1 穩定性宏觀分析

根據現場情況，傾倒體表層為綠泥石石英片巖的碎塊體，淺灰色碎塊、碎石，塊徑3～20cm，少量碎渣，人工可以刨動，下部基巖多呈干砌石狀，屬碎塊狀結構，工程性狀差。傾倒體表層覆蓋的0.3～0.5m厚的風積粉土判斷，未見有變形跡象，說明該傾倒體已長時間（Q4以來）處于穩定狀態。

4.2 穩定性計算

根據當前變形傾倒體形態及其范圍內的斷層、裂隙發育情況，考慮平面型滑面滑動分析［5-6］，采用剛體極限平衡法進行初步穩定性計算。計算公式如下：

式中 Fs為安全系數；W為滑體的重力 （kN）；C為滑面黏聚力（kPa）；φ為滑面的內摩擦角（°）；L為滑體長度（m）；β為結構面傾角（°）；Pb為地震力；KH為地震系數，根據7°烈度確定為0.1。

傾倒變形體主軸線方向為計算剖面，主要是確定邊坡的滑移面。傾倒體呈碎塊石狀，推測可能的滑移面沿傾倒變形體下限界面產生滑移。

該傾倒體緊臨壩址，一旦失穩對樞紐建筑物影響巨大。根據該變形體的形態、規模和相關規范，確定邊坡級別為A類1級。穩定計算過程中考慮到運行期間不同的工況，以確保安全系數達到要求，穩定性計算工況如表1。

表1 工況、荷載組合及安全系數

因工程區干旱，降雨少，坡體無穩定的地下水，故計算中不考慮地下水壓力的影響。傾倒體巖體破碎，多呈現碎塊狀鑲嵌結構。天然狀態下抗剪強度取黏聚力C=0.05MPa，摩擦系數f′=0.78；庫水作用下取C=0.02MPa，f′=0.73。巖體天然重度取26.6kN/m3，飽和重度27.0kN/m3。由于變形體根部為臨空河谷，所以不存在變形體的阻滑力。

考慮到各種不同工況，天然狀態（持久狀況）裂隙無水以及庫水位高程以下裂隙充水情況；偶然狀況為天然狀態與7°地震的荷載組合。計算結果如表2。

表2 傾倒體邊坡穩定性計算結果表

4.3 變形體穩定評價

由傾倒變形體當前狀況結合不同工況下的穩定性計算：

（1）當前，工程區不進行爆破、開挖等一些行為，邊坡不存在失穩現象；但在7°地震條件下，傾倒巖體會產生崩塌為主的變形破壞，邊坡處于不穩定狀態。

（2）施工期間，對坡腳覆蓋層開挖，傾倒體可能產生局部塌滑或蠕動變形，其破壞特征為表部逐步的、小規模的塌滑及掉塊。

（3）運行期間，在自重及庫水的作用下，傾倒體可能產生塌滑或蠕動變形［7-8］。由于傾倒體底部位于庫水以下，初步分析，其產生大的涌浪可能性不大。

5 結語

右岸壩肩邊坡保持現狀不會失穩而滑塌，僅存在小規模的掉塊現象。但是由于變形體已基本無“腳部”進行支撐和阻滑。因此根據目前勘探成果，需對該卸荷傾倒變形體進行處理：

（1）該傾倒體由于卸荷裂隙發育，多張開，巖體整體呈塊碎狀，結構松弛，工程性狀較差，不宜作為趾板及心墻基礎，建議清除處理。

（2）傾倒體巖石多呈鑲嵌碎裂結構，在現狀下整體穩定，但是依然會產生小規模的塌滑及掉塊，對大壩、導流洞進口等水工建筑物的安全構成威脅。

（3）水庫蓄水后，該傾倒體下部1/3浸泡于水下，坡腳為風積低液限粉土，由于導大壩右壩肩開挖會斜切傾倒體下游坡腳，將使傾倒體失穩產生塌滑。因此應結合壩肩開挖，將傾倒體全部清除后采取護坡，清理的棄渣可作為后壩坡的填筑料。

（4）該傾倒體緊臨壩址，若處理不及時或不到位，一旦失穩對樞紐建筑物影響巨大。因此，根據傾倒變形體形態、規模、工程地質條件，根據施工期和運行期間可能發生的工況進行穩定性計算。

（5）為提高大壩安全儲備，需結合大壩右壩肩開挖時，將變形傾倒體進行清除，以免后患［9］。

［1］張正清.N江某水電站左岸傾倒巖體成因分析［J］.資源環境與工程，2015（5）：574-577，597.

［2］魯博，游小偉.某水電站工程1號傾倒變形體成因機制分析［J］.西北水電，2014（5）：10-13.

［3］周洪福，聶德新.瀾滄江某水電工程大型傾倒變形體邊坡成因機制［J］.水利水電科技進展，2012（3） ：48-52.

［4］王磊，李濱，馮振.武隆縣羊角場鎮厚層灰巖山體大型危巖體破壞模式及成因機制研究［J］.地質學報，2015（2）： 461-471.

［5］張菊明，王思敬 .邊坡巖體結構的三維失穩形式及穩定性分析研究［J］.工程地質學報，1997（3）： 242-250.

［6］陳健云.復雜環境下傾倒式危巖體的動力穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2016（8）：57-62.

［7］向賢友 .下爾呷水電站阿覺利傾倒變形體穩定分析［J］.水電站設計，2015（4）：52-54.

［8］馬德林，楊紹平.某水電站庫區傾倒變形體穩定性研究［J］.四川地質學報，2014（4）：599-602.

［9］王志強.烏魯瓦提水利樞紐工程左壩肩高邊坡不穩定巖體處理［J］.水利建設與管理2010（8）：19-21.

Dumping deformation causes mechanism and stability

SUN Jian-ming
（Xinjiang Bozhou Ala-shankou Water Supply Project Management Office,Bole 833400,China）

Toppling deformation of steeply dipping rock mass is a common geological disaster in nature,which is harmful to engineering construction.According to the characteristics of the dump deformation body,the slope failure mode analysis and stability calculation are analyzed.According to the load combination under various working conditions,considering the location,scale and engineering geological condition of the toppling body synthetically,the safety factor is calculated and the treatment scheme is proposed.

dumping deformation； genetic mechanism； failure mode； stability analysis

P64 文獻標識碼：B 文章編號：1672-9900（2017）06-0092-03

2017-10-17

孫建明（1965-），男（漢族），山東青島人，工程師，主要從事水利水電工程建設與管理工作，（Tel）13579876484。

王艷肖）