对古洞口Ⅱ2级电站厂房后边坡蠕变体的几点认识.docx

对古洞口Ⅱ2级电站厂房后边坡蠕变体的几点认识

1 概述
古洞口Ⅱ2级水利水电工程位于湖北省兴山县境内，首部枢纽置于香溪河上游古夫河麦仓峡谷满天星处，下距兴山县现城高阳镇8.7km，上距兴山县新县城古夫镇7.3km。控制流域面积1155km2，多年平均流量23.8m3/s，年径流量75.1亿m3，正常蓄水位201m，坝高19m，总库容274.3万m3，厂房置于首部枢纽下游3.31km右岸岸边（深渡河），总装机容量10MW，年发电量3740kw·h，保证出力2.37MW，为古夫河梯级开发的最下游一级。在初步设计阶段工程地质勘察中，有关设计工作者对厂房后边坡蠕变体的规模、特征及其稳定性等问题十分关注，为此，我想就此蠕变体谈几点认识。
2 工程地质背景
工程区属神农架南部边缘鄂西山地的一部分，位于黄陵背斜、神农架穹窿、秭归—兴山向斜三大褶曲之间，新华夏系一级大型隆起带上，主要构造线方向为NNE，NE及近EW向。
厂址区位于红岩尖—水田坝断层末端的南东侧，上距孙家湾约700m，为岸边式地面厂房。厂房后边坡顶高程约600m，相对高差400余m，山坡坡角25°~30°，局部稍陡约40°。坡面为少量旱地及民房，高程500m以上为30~40m高的陡壁。出露的地层为志留系上统纱帽群灰绿色薄层状泥质粉砂质页岩，岩层走向35°~40°，倾向NW（山内），倾角35°~42°，与坡面构成反向坡。
厂址构造简单为单斜地层，未见较大规模的断层，页岩中节理比较发育，一般比较短小，主要有以下几组：
1 30°~40°/ SE∠45°~58°
2 150°~170°/ NE∠65°~73°
地下水主要为基岩裂隙水，水量不丰，活动微弱；地下水埋深在地表以下10~20m，地下水位随季节变化明显。
3 蠕变体的特征
厂房后山坡高程192~238m，长68m，宽48m范围内，未见基岩出露，表层为页岩的残坡积覆盖（见图1）。而该处周围坡体均可见志留系纱帽群砂页岩，岩层走向顺河向，倾向山内，倾角35°~42°，PD7平洞从覆盖层掘进，至9.5m未见到完整岩基，其中0~3.5m为明显强风化的母岩残坡积物；3.5~6.5m为砂页岩块石、碎石夹少量粘泥，不具备基岩外部特征；6.5~9.5m段甚似基岩，但岩块排列有倾向山坡外的趋势，与周围正常基岩走向一致而倾向相反。由于平洞塌顶严重，至洞深9.5m时被迫停止掘进，未能穿过岩层蠕变体，但根据已揭露的岩层变形情况和地形特征分析，蠕变体的最大厚度不会超过15m。因此可以推断在9.5~15m之间为岩层的弯曲段，岩层走向不变，倾向由正常倾向山内逐渐变为倾向山外，岩层仍保留有母岩的特征。（见图2）
4 蠕变体成因分析
4.1 页岩的风化特征为岩层蠕变营造了有利的临空面
志留系砂页岩中隐节理十分发育，砂岩、粉砂岩风化后多呈0.1~0.3m块径，

页岩多呈片状或针片状碎末。由于岸坡坡脚泥质页岩遭受河水季节性冲刷，加之地下水位季节性的变化，使岩石时而饱和时而干燥脱水，这种环境的变化大大加速了岸边岩层的的风化速率，如在勘探平洞PD2、PD3掘进时，刚刚开挖出来的岩块新鲜完好，而在干燥爆晒的环境下数日后即呈隐裂，半月至一个月后全成碎块和碎末；同样的岩块在洞内潮湿、阴凉的环境下，两个月后仍基本保持原来的形状块体。由此可见，脱水、高温是引起泥质页岩物理性质变化的主导因素，而围压条件改变是次要的原因。由于边坡坡脚与中上部岩层风化速率的差异，使自然边坡逐渐变陡，一般坡角25°~30°，局部达40°，为岩层的蠕变提供了相当有利的临空面。
4.2 薄层页岩的可变性是岩层蠕变的基础
固体介质在长期静荷载作用下，应力、应变随时间延长而变化的性质，称为流变性。蠕变和松弛则是流变性的两个宏观表现。蠕变是在一定温度和应力作用下的固体介质随时间而产生的缓慢、连续变形；松弛则是在一定温度和变形的条件下的固体介质随时间而产生缓慢、连续的应力减小。工程实践证明：岩石具有流变性，岩体（层）同样也会发生蠕变，花岗岩一类坚硬岩石在低温、低压条件下，蠕变量微小，可忽略不计；而粘土岩、泥质页岩等相对较软的岩体（层），既使在低温、低压条件下蠕变量通常也很大。
坡体岩层为薄层状泥质页岩，岩层产状：35°~40°/NW∠35°~42°，倾向山内（NW），与坡面构成反向坡。山坡浅层岩石风化，强度较低，在自重应力的长期作用下，向临空方向缓慢而持续的变形，从而使山坡岩层向下弯曲，倾向发生变化乃至岩层倾倒。
4.3 反倾向节理切割岩层加速了边坡蠕变速率
研究表明：蠕动的形成机理为岩体的粒间滑动（塑性变形），或沿岩石裂隙微错，或由岩体中一系列裂隙扩张所致。它是在应力长期作用下，岩土体内部一种缓慢的调整变形。厂房后边坡的泥质页岩中节理十分发育，其中切穿岩层的主要有如下两组： ①30°~40°/SE∠45°~58°；②150°~170°/NE∠65°~73°。第一组反倾向的节理微错或扩张更加速了薄层状岩体的弯曲变形。
综上所述，该蠕变体是薄层状泥质页岩在长期自重作用下，向临空面缓慢而持续变形的结果。反倾向、切层节理的微错或扩张更加快了岩层的蠕变速率。
5 蠕变体稳定性分析
5.1 分析方法的选择
根据以上的分析，我们知道，该蠕变体目前尚处于一个渐进的、缓慢的、连续变形阶段中，蠕变体和母岩还保持着密切关系，蠕变体中的岩块尚保留有母体的某些特征。整个变形体与母体之间还没有形成连续的剪切结构面。因此对它的稳定性分析不能采用常规的极限平衡理论计算法进行评价，而是要通过分析蠕变、破坏的基本规律，追溯斜坡演变的全过程，从而对边坡稳定性发展的总趋势作出预测和评价。根据斜坡变形体的外部特征和内部变形迹象，判断蠕变体的所处的演变阶段。这种分析方法通常称为演变历史分析法。
5.2 岩质边坡蠕变—破坏的演变规律
岩质边坡中的变形主要是通过结构面的微错、扩张、岩层的弯曲来实现的。故层状，尤其是薄层状岩体，当岩层倾向坡内时，有利于蠕变的形成和发展。根据岩石变形破坏的理论结合一些工程实例。将岩质边坡的变形破坏过程可划分为三个阶段，现将各阶段的特征描述如下：
第一阶段：表层蠕滑，岩层向坡下弯曲，后缘产生拉应力（图3）

第二阶段：后缘拉裂通常造成反坡台阶（图3），当坡体后缘发育有陡倾坡内的软弱结构面时，拉裂更易发育，后缘被拉裂后，造成潜在剪切面上的剪应力集中，促进了最大剪应力带的剪切变形。
第三阶段：潜在剪切面的剪切扰动，随着剪变的进一步发展，中部剪应力集中部位可被扰动扩容，使坡体下半部逐渐隆起，随着变形体开始转动，后缘明显下沉，拉裂面由开始的张开转为逐渐闭合，裂面互错方向与前一阶段恰好相反，这些迹象预示着坡体变形进入累进性破坏阶段，一旦潜在剪切面被剪切贯通，则发展为滑坡。
5.3 蠕变体的稳定分析
根据岩质边坡蠕变破坏的三个阶段特征，结合厂房后边坡的地形地貌、斜坡岩层组合以及平洞所揭示蠕变体中结构面的变形扩张特性分析，蠕变体后缘拉裂形成陡坎，拉裂渐趋闭合，蠕变体下部稍隆起，从PD7平洞中观察高倾角、反倾向的节理裂隙稍回错。这些迹象表明蠕变体正处于第三变形阶段的初期，在自然应力状态下不会产生滑动，蠕变体在未来相当长时间内是稳定的。
6 未来变形发展趋势及治理
6.3 变形发展趋势
在自然状态下，蠕变体的主要营力为变形体的自重应力，蠕变体在变形的第三阶段初期，其自重应力正处在小于岩层极限强度而大于长期强度时期，因此，蠕变体尚处在相对平衡的变形阶段，但随着岩体风化程度的增加，岩层累进发展，加之工程开工，人工开挖爆破的触发、扰动，将打破这种暂时的相对平衡状态，使蠕变体的自重应力逐渐增大至岩体极限强度，致使潜在剪切面中部剪应力进一步集中，蠕变体将进入累进性破坏阶段，一旦潜在剪切面被剪断贯通，整个蠕变体将演变为滑坡体而顺坡而下，严重威胁厂房、压力钢管及其它设施的安全。
6.4 一次根治不留后患
由于地形条件的限制，压力前池、压力钢管、电站厂房等主要建筑物无法避开蠕变体的干扰，通过上述分析我们已清楚认识到，蠕变体的变形破坏将直接威胁建筑物的安全，因此，如其将来治理，不如结合压力前池、压力钢管等设计开挖，将其一次挖除，不留后患。开挖后，厂房后边坡最大高度50~60m，除顶部岩层强风化外，其余均为弱~微风化页岩，1:0.5~075边坡可永久稳定。但根据页岩风化特征，开挖时应及时喷锚保护，确保页岩的强度。

参考文献
1 朱朝晖 湖北香溪河古洞口Ⅱ2级水利水电初步设计工程地质勘察报告
2 张倬元 王士天 王兰生 工程地质分析原理

对古洞口Ⅱ2级电站厂房后边坡
蠕变体的几点认识

朱朝晖

中南院宜昌设计院勘测室

摘要：本文介绍了古洞口Ⅱ2级水利水电工程概况和工程地质背景；阐述了厂房后边坡蠕变体的特征及成因；分析了蠕变体的稳定性。提出了蠕变体的变形发展趋势及处理措施。
关键词：蠕变体、厂房后边坡、变形、破坏、治理