水电站进水口高边坡稳定性分析.doc

水电站进水口高边坡稳定性研究分析

对 进水口高边坡工程地质特点的分析，采用多种分析方法对高边坡的稳定性进行计算，提出对其处理方案。其分析思路和成果供其他类似的边坡治理提供了一定的经验和思维方法。
关键词：堰塞湖、高边坡、高烈度区、稳定安全系数
1.前言
水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州茂县较场乡(现为叠溪镇)境内，岷江上游太平至两河口河段，是该河段梯级开发方案规划的第二级电站。该电站设计装机容量18×104KW。电站主要建筑物有大坝、引水隧洞及厂房等。电站大坝即为1933年叠溪地震所形成的小海子天然堰塞坝，引水隧洞进水口位于小海子天然坝址上游右岸，距坝址约150m。隧洞总长6.76km，进水口底板高程2130m，为园形有压隧洞，设计洞径6.0ｍ。
引水隧洞进水口地段边坡总高度达700m以上，由于断层和裂隙发育，岩体风化卸荷强烈，加之又处于高地震烈度区，因此，进水口边坡的稳定问题一直是本工程从可研到技施阶段所研究的重大工程地质问题之一。
2.边坡所处地质环境
2.1 地形地貌
进水口位于坝址区右岸，边坡总体走向N40~50°W，倾向NE，坡脚高程2130m，坡顶高程2860m。其中高程2130~2300m段坡高170m，坡角50~60°，局部达70°；高程2300~2540m段坡高240m，坡角20~30°；高程2540~2860m段坡高320m，坡角30~50°。边坡坡角总体趋势上、下部较陡，中部平缓。缓坡段高程2350~2540m相当于岷江Ⅳ~Ⅴ级阶地，阶地后缘发育一宽缓冲沟，切深20~30m，长200~300m。见平面地质图1。
2.2 地层岩性
进水口边坡除缓坡地段分布有第四系覆盖层外，其余地段基岩裸露，出露地层为T2z及C+P层结晶灰岩、变质砂岩夹千枚岩。第四系覆盖层厚20~50m，上部为粘土厚5~10m，下部为孤块碎石夹亚砂土。
2.3 地质构造与地震
工程区处于松潘—甘孜褶皱带之较场弧形构造带内，褶皱及断裂构造发育。进水口边坡位于较场倒转向斜核部，岩层产状N60~90°W/SW∠30~40°~N55~90°E/SE∠30~60°，
图1取水口平面地质图
其岩层走向与边坡走向呈小角度相交，倾向坡内，构成层状结构反向岩质边坡。
由于进水口边坡段位于较场弧形构造带中心部位，且位于1933年叠溪地震震中位置，因此，其地质构造复杂，断层及裂隙发育，进口岸坡岩体中分布断层共5条，均为逆断层，挤压紧密，少见架空现象，其特征见表1。其中规模较大的断层有F1和F8两条，经取样测龄鉴定，两断层均属中更新世活动断裂。
断 层 特 征 一 览 表
表1
断层编号
产状
厚度（m）
破碎带物质
可见长度（km）
F1
N70~80°W/SW∠55~70°
10~15
断层糜棱岩、角砾岩
9.0
F8
N60~80°W/SW∠30~40°
39
断层碎裂岩、角砾岩夹糜棱岩
1.6~2.0
f9
N55~80°E/SE∠30~50°
8
断层碎裂岩、角砾岩
0.3~0.5
f10
N55~80°E/SE∠30~60°
11
断层碎裂岩、角砾岩
0.3~0.5
f11
N60~80°E/SE∠40°
11
断层碎裂岩、角砾岩
0.3~0.5
边坡岩体除层面裂隙外,构造裂隙主要发育下列两组：①N71~80°E/NW∠64~72°；②N70~80°W/NE∠62~78°，其中①组与岸坡斜切，②组与岸坡走向近于一致，倾向坡外，倾角大于岸坡坡角。
历史地震对工程区的最大影响烈度为Ⅹ度，根据四川省地震局对本工程区地震安全性评价报告，确定本区地震烈度50年超越概率10%为Ⅸ度，故地震基本烈度为Ⅸ度。
2.4 岩体风化卸荷特征
进口边坡岩体风化卸荷作用强烈，岩体完整性差。据钻孔及平硐揭示，岩体强风化带厚7~20m，岩体多呈碎块状散体结构，纵波波速Vp一般2000~2100m/s；弱风化带厚20~30m，岩体呈碎裂结构，纵波波速Vp一般2100~2300m/s。卸荷带水平宽度40~60m，其强、弱卸荷带下限与强、弱风化带下限基本对应，卸荷裂隙多顺坡展布，开口0.1~1.0cm，充填泥质及碎屑，可见延伸长度3~5m据天PD7、天PD8平硐揭示，在边坡高程2240~2300m分布卸荷松动变形体，水平宽度30~60m，该段属卸荷倾倒—松动型蠕动变形边坡，且在后期强震作用下已产生明显位移，致使变形体下部挤压紧密，上部架空明显，覆盖在变形体之上的湖相层理状粘土亦随之变位(粘土层纹倾角10~15°不等)。
2.5 水文地质
边坡地段由于断层及构造裂隙发育，岩体破碎，富水性差，致使山体内地下水位较低，据天ZK1、天ZK4及天ZK29钻孔资料，地下水位高程2145.71~2146.52m，低于同期小海子水位(2147.85m)1.33~2.14m，表明右岸岸坡属地下水低洼带。

3.边坡稳定性分析
3.1 边坡分区及潜在滑移面的确定
根据边坡地形、岩体风化卸荷特征及结构面组合情况，将边坡从上到下大致可分为A、B、C、D四区(见图2)。
A区：高程2540m以上至坡顶，该段坡高320m，地形坡角30~50°，边坡为层状结构反向岩质边坡，边坡岩体由C+P层结晶灰岩夹千枚岩组成，坡脚高程2540~2640m分布有厚20~30m之块碎石夹亚砂土。岩体强、弱风化带厚度分别为15~20m与20~25m，风化带内岩体呈碎裂—散体结构。边坡下部为F1断层破碎带，F1断层倾向山内，构成本段边坡底座。岩体卸荷带下限(相当于弱风化带下限)及基岩与覆盖层界面构成边坡的潜在滑移面，NWW向及NEE向两组构造裂隙构成边坡的横向与侧向切割面。
B区：高程2540~2240m，该段坡高300m，地形坡度上缓下陡，缓坡段坡角20~30°，陡坡段坡角50~60°，局部达70°。边坡底界以倾向山内的f11断层为界。边坡组成物质为崩坡积之粘土、孤块碎石夹亚砂土及卸荷松动变形之岩块夹岩屑，厚30~50m，其下为T2z层结晶灰岩、变质砂岩夹千枚岩，岩层产状N80~90°W/SW∠30~50°，倾向坡内，岩体强、弱风化带厚8~10m与20~25m。该段基岩卧坡坡角25~40°，倾向坡外，因此，边坡基岩与覆盖层界面以及卸荷松动变形体下界面均构成边坡潜在滑移控制面。
C区：高程2240~2170m，该段坡高70m，地形坡度50~60°。边坡顶、底界分别以f11断层上界面及F8断层下界面控制，边坡组成物质为F8、f9、f10、f11断层破碎带及其影响带。断层破碎带以断层碎裂岩、角砾岩为主，夹断层糜棱岩及少量断层泥，多呈碎块—碎屑状散体结构，部分地段呈半胶结状。F8断层物质取样试验结果表明：天然干密度2.27g/cm3、含水量3.1%；级配：>200mm、200~100mm、100~5mm、5~2mm、<2mm、<0.005mm分别占4.0%、10.3%、55.7%、4.8%、25.2%、4.0%；不均匀系数492.7、曲率系数12.8；试验资料表明，F8断层破碎带物质级配不均匀，结构密实；抗剪强度φ=38.46~43.2°，C=0.103~0.220MPa。断层影响带岩体为T2z层结晶灰岩、变质砂岩，岩体破碎，多呈碎裂结构，部分散体结构。四断层均为层间挤压逆断层，断层产状N60~70°W/SW∠30~40°~ N55~85°E/SE∠30~64°，与岩层产状基本一致，倾向坡内。据天PD1、天PD6平硐揭示，该段岸坡岩体卸荷裂隙不甚发育，且多受断层控制，卸荷带水平宽度大致在70~80m之间，纵波波速VP一般2000~3000m/s，属低波速带，因此，其卸荷带界面可作为控制边坡失稳的潜在滑移面，而NWW向及NEE向两组构造裂隙为边坡的横向与侧向切割面。
D区：高程2170~2130m，该段坡高40m，地形坡度50~60°。组成边坡岩体为T2z层结晶灰岩、变质砂岩，岩层产状N60~70°W/SW∠30~40°，倾向山内，属层状结构反向岩质边坡。此段属进水口开挖区，施工中卸荷松动带将全部被挖除，岩体中发育的两组构造裂隙无不利组合，因此，边坡稳定性好。
3.2边坡稳定性验算
基于进水口高边坡的工程地质特征，按图2所示剖面进行天然状态和Ⅸ度地震时的稳定性验算。根据F8断层破碎带的物质组成和岸坡岩体风化卸荷严重多呈散块状的结构特征，可以采用均质土坡稳定分析方法进行计算，因此，分别采用陕西院土石坝分析软件包的STAB稳定计算程序和北京水科院陈祖贻教授编制的边坡稳定分析程序对高边坡作了验算。稳定计算所采用的参数根据试验指标和工程类比选取，计算参数见表2。
稳定分析计算参数表
表2
物质成分
天然密度(g/cm3)
抗剪强度指标
内摩擦角φ(°)
凝聚力C(MPa)
断层破碎带
2.27
38.0
0.015
变质砂岩
2.45
56.0
0.1
两种方法都是假定若干滑动圆弧并一一进行稳定验算，最后自动搜寻最危险滑弧(即稳定安全系数最小)。计算分析结果见表3。

进水口高边坡稳定分析成果表
程
序
方
法
稳
定
安
全
系
数
工
况
表3

陕西院STAB程序
北科院计算程序
瑞典法
毕肖普法
改良圆弧法
圆弧法
天 然 状 态
2.070
2.382
2.275
2.35
Ⅸ 度 地 震
1.197
1.505
1.575
1.150
最危险滑弧
形态(m)
圆心座标
平距
591.2
593.02
高程
2303.8
2300.4
半径
186.8
172.4
3.3稳定性评价
通过上述稳定性计算，进水口高边坡在天然状态和发生Ⅸ度地震时整体均是稳定的。鉴于本工程区属高烈度地震区，而该边坡高陡，各个高程的自然坡角差异性较大，根据烈度的地形、地貌效应判断，在斜坡地形的陡坎部位灾害高于缓坡的特点，建议在陡、缓交界处进行工程防护处理措施，以防止地震引起局部崩块。
作者简介：杨其国(1969-)男，四川巴中人，四川省水利水电勘测设计研究院工程师，从事水利水电勘察技术工作。