黄金坪水电站引水隧洞及泄洪洞进口区边坡岩体变形特征分析

谷江波，闵勇章

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

黄金坪水电站引水隧洞及泄洪洞进口区边坡岩体变形特征分析

谷江波，闵勇章

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

黄金坪水电站引水隧洞及泄洪洞进口区边坡为工程地质条件复杂的松动破碎岩体高边坡，根据边坡工程地质条件、变形监测资料，分析边坡开挖后边坡应力变形规律，研究岩体破坏模式，且随时间变化的长期稳定性。岩体变形大小与变化过程、地质条件、施工爆破、锚固等因素有关。

高边坡；松动破碎岩体；变形破坏模式

0 前 言

黄金坪水电站引水隧洞及泄洪洞进口区边坡位于大渡河左岸山脊，上游为叫吉沟，下游为溢洪道边坡（见图1）。两建筑物工程边坡采取联合开挖方式，平面上边坡呈“W”分布，设计开挖坡比主要为1∶0.5。引水隧洞进口工程边坡开口线高程1 620 m，进口塔基高程1 444.5 m，最大坡高约175 m，正面坡沿河长约100 m；泄洪洞进口工程边坡轴线部位开口线高程1 570 m，上游侧边坡开口线高程1 620 m，进口塔基高程1 415 m，最大坡高约205 m，正面坡沿河长约80 m。

图1 开挖边坡位置

泄洪洞进口边坡和溢洪道边坡开挖后，两者中间为突出地形，由于受大渡河、叫吉沟和小型冲沟的切割，边坡岩体三面临空，岩体卸荷强烈，且强卸荷岩体埋深较深。

该边坡于2010年8月开始进行开挖，2012年8月开挖支护工作全部完成，针对边坡开挖过程中出现的变形及局部失稳现象，相关人员进行了大量的地质调查、现场监测及支护设计等工作。本文将边坡工程地质条件、实测岩体变形现象和监测资料为依据，结合工程实际进展，对边坡岩体变形特征进行分析。

1 边坡岩体结构特征

工程边坡地层岩性主要为斜长花岗岩，浅表层岩体强卸荷、弱风化，松动破碎岩体（分布高程1 510 m以上）水平深度0～55 m。强卸荷水平深度60～110 m，弱风化、弱卸荷水平深度大于150 m。

工程边坡主要发育有5组优势裂隙［1］：①SN／E∠70°；②N20°～30°W／SW∠70°～80°；③N75°～85°E／NW∠60°～85°；④N70°E／SE∠75°；⑤N10°～20°W／SW∠40°以及fy-3、fy-23、fy-14、fy-28、f9 -3等断层中缓倾坡外，是形成滑移拉裂变形的潜在底滑面，对边坡稳定不利。上述结构面主要为Ⅲ、Ⅳ级结构面，无贯穿性长大断层分布。边坡开挖面干燥，雨季有少量渗水，上方锚索实施过程中，发现下方个别锚杆孔出现浆液，存在串浆现象，表明裂隙连通性较好。边坡岩体主要呈块裂结构，属Ⅳ级岩体；部分呈散体碎块状、碎裂结构，属Ⅴ级岩体。

自然边坡位于工程边坡开口线以上，地形坡度总体25°～40°，局部地段有陡坎。边坡浅表地层主要为崩坡积块碎石土，结构稍密，水平深度一般10～29 m。下伏基岩依次为强卸荷松动破碎花岗岩，松动破碎岩带具架空结构（见图2），水平深度一般70～121 m；强卸荷岩体，水平深度一般100～162 m；弱卸荷岩体以及新鲜岩体（见图3）。

图2 松动破碎岩体

2 边坡岩体变形特征

2011年9月在工程边坡及自然边坡多处均出现裂缝；2011年12月中旬～2012年1月上旬裂缝变形进一步加剧，在空间上进一步延伸。

在进口边坡共布置4个监测剖面。其中，4-4监测剖面的1 540.00 m、1 510.00 m、1 481.50 m、1 460.00 m高程马道上方各布置1套四点式多点位移计、1套锚杆应力计、1套锚索测力计和1个外部变形观测墩。在自然边坡增加了10个外部变形观测墩（TP01～TP10）以及4套活动式测斜仪对自然边坡变形进行监测，编号为INJK-1～INJK-4［1］。根据监测成果，岩体变形具有以下特征：

图3 泄洪洞进口工程地质剖面

（1）边坡变形具有普遍性，根据多点位移计监测成果，工程边坡变形量集中于强卸荷岩体内；根据测斜仪成果（见图6），自然边坡变形多集中于强卸荷松动破碎岩体内，且不具有明显的滑移面。

（2）1-1监测剖面处于上游开挖边界，为半约束状态，水平位移和垂直位移均小于其它监测剖面。2-2、3-3、4-4监测剖面变形均较大，水平位移最大值300.07 mm（TP JK-6），垂直位移最大值198.55 mm（TP JK-5）。

（3）外观监测数据反映，工程边坡总体水平位移大于垂直位移，其中1 570 m高程以下水平位移一般280 mm左右，垂直位移一般170 mm；1 570 m高程以上水平位移和垂直位移差距较小，一般4～8 mm；外观测点变形方向基本朝向开挖临空面。自然边坡外观墩平面合位移1.94～458.98 mm，垂直位移12.08～544.28 mm，表明垂直位移大于水平位移，且变形大于工程边坡。

（4）自然边坡裂缝最高发展至高程1 735 m，上游侧边界裂缝最低高程1 664 m，下游侧最低高程1 626 m，向下至工程边坡开口线之间无明显变形迹象；边坡裂缝向高高程和两侧没有发展，但向低高程有缓慢延伸趋势。

（5）从低高程至高高程，位移逐渐增大，变形越明显，裂缝后缘变形最大。

（6）外观测点变形方向基本朝向开挖临空面泄洪洞与溢洪道交汇部位，与凸出山脊基本一致。

（7）2012年3月以后，随着施工爆破开挖的结束以及深层锚固的逐步实施，引水隧洞和泄洪洞进口边坡（含自然边坡）没有发现新的变形迹象；监测数据显示，工程边坡最大变形0.185 mm／d，自然边坡最大变形0.151 mm／d，边坡变形速率逐渐减小，趋于收敛。

（8）边坡岩体发育的结构面以刚性结构面为主，但所有变形与开挖进度之间都表现出一定的滞后现象，即流变变形具有普遍性。开挖高程1 420 m时（2011年11月），即边坡开挖完成后，边坡上部全强风化和弱风化岩体水平位移仍在继续发展，大多测点出现了较明显的位移加速现象（见图4）。变形趋于稳定的时间一般7～8个月，4个月左右完成总时效变形量的约80%。但变形持续过程随不同部位岩体结构而差异，且时效变形量值也不同。

图4 TPJK-18位移时间过程线

3 边坡岩体变形机理分析

3.1 边坡岩体可能的破坏模式

根据前期地表调查，勘探平洞及施工开挖揭示的地质条件综合分析，边坡岩体可能的破坏模式包括［2］：

（1）楔形滑移拉裂型：主要由2～3组结构面与开挖坡面构成不利组合，而形成楔形滑动。根据控制性结构的规模，该模式可分为两种情况：一是边坡深部一些特定结构面与开挖坡面构成不利组合，或特定结构面与随机结构面及开挖面构成不利组合，形成规模较大的楔形块体；二是边坡表部一些裂隙与开挖坡面构成不利组合（见图5），形成规模较小的随机楔形块体。工程区内主要为第二种情况。

图5 各优势面与坡面组合的赤平投影

（2）平面滑移拉裂型：一般由顺坡或顺沟谷侧壁缓倾临空面的结构面为主滑面，后缘卸荷张裂隙等中陡倾结构面组合为后缘拉裂面或顶部切割面，随机发育的其它结构面为侧向切割面，发生平面滑移拉裂。

（3）蠕滑拉裂破坏：散体结构、块裂（碎裂）结构岩体受力条件变化时产生的岩体压缩、蠕变而发生不均匀沉降，形成张裂缝。

由于进口边坡没有特定结构面组合滑移模式，通过对地质资料分析研究，前期提出了4种边坡失稳模式，其中一种或多种模式可能引起边坡变形。边坡抗滑稳定计算主要考虑以下5种计算模式：

（1）覆盖层沿基覆界限发生滑移；

（2）沿fy-3断层发生滑移；

（3）沿强卸荷岩体底界与f09-3、fy-28等断层组合发生滑移；

（4）沿强卸荷外侧松动破碎岩体分界线与fy-14、fy-23断层组合发生滑移；

（5）沿强卸荷外侧松动破碎岩体发生滑移。

从测斜仪监测成果（见图6）可以看出，自然边坡变形垂直深度超过40 m，而覆盖层垂向厚度约15 m，fy-3断层出露于高程1 580 m的工程边坡，且向上延伸，而此高程以下岩体变形量依然较大，因此，上述（1）、（2）可能的滑移模式未得到监测成果的证实。

由于强卸荷岩体底界和强卸荷外侧松动破碎岩体分界线成为规则的几何线的可能性较小，使用这两种模式进行计算时，临近剪出口使用f09-3、fy-23、fy-28等作为固定滑动面，其它部位则采用搜索方式确定较为合适。考虑岩体的结构特点，使用圆弧逼近是一种可行方案，搜索范围根据边坡的变形范围确定。

3.2 边坡岩体变形机理

黄金坪水电站引水隧洞及泄洪洞进口区边坡在开挖之前的地形是经过漫长的地质历史时期形成的，岩体内的应力处于一种自然的平衡状态［4］。边坡开挖引起的岩体应力释放会导致岩体变形。在边坡开挖阶段，开挖荷载对岩体变形起主导作用。由于岩体结构面普遍存在，岩体变形并不完全是随开挖荷载瞬时产生、立即稳定的弹性变形，开挖引起的岩体变形趋势会持续一段时间［3］。在开挖完成一段时间后，结构面的存在使边坡岩体二次应力场分布不连续，在结构面切割的块体中，岩体自重的作用可以比较突出。开挖结束一段时间后岩体在垂直方向上的下沉变形与块体自重作用密切相关。

引水洞及泄洪洞进口边坡（含自然边坡）天然状态下整体基本稳定，由于地形相对单薄，卸荷强烈，岩体较破碎，下部连续开挖高陡边坡，支护相对滞后，卸荷松动破碎坡体因开挖应力调整产生向临空方向变形，牵引影响到上部自然边坡，且有向边坡下方推移变形趋势。变形机制为在重力作用下的蠕滑—拉裂变形。

图6 测斜孔INJK-2 A向、B向监测成果

4 结 论

（1）对高山峡谷地区引水隧洞、泄洪洞高陡边坡前期工程地质勘察在不同高程布置勘探平硐，查明影响山体稳定的控制性结构面，风化、卸荷松动岩体深度、范围，为分析边坡岩体稳定提供评价的地质依据。

（2）对岩质高陡边坡设计应尽量采用“少开挖、强支护”的原则设计。

（3）引水隧洞和泄洪洞进口区边坡（含自然边坡）所在的山脊岩体在边坡大面积开挖、削脚后，没有及时支护，对边坡应力状态改变较大，边坡内部松动破碎岩体产生变形，表现为向临空方向蠕变，自然边坡上的覆盖层则因下部松动破碎岩体压缩、蠕变而发生不均匀沉降，形成张裂缝。

（4）边坡的变形破坏模式属于在重力作用下的蠕滑—拉裂变形和滑移，这是由于边坡浅表部存在强卸荷岩体以及其外侧的强卸荷松动破碎岩体组合所形成的复杂工程地质条件所决定的。

（5）边坡岩体发育的结构面以刚性结构面为主，但所有变形与开挖进度之间都表现出一定的滞后现象，即流变变形具有普遍性。

（6）由于强卸荷岩体底界和强卸荷外侧松动破碎岩体分界线成为规则的几何线的可能性较小，使用这两种模式进行计算时，建议使用圆弧逼近的方法，搜索范围根据边坡的变形范围确定。

（7）对引水隧洞和泄洪洞进口区的变形边坡的支护设计采用了大吨位、长锚索（P＝2 500 kN、3 000 kN，L＝100 m）的支护处理方案，效果明显。

［1]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司.四川省大渡河黄金坪水电站引水及泄洪洞进口区边坡稳定性评价及处理方案报告［R］.2014.

［2]四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川大学工程科学与灾害力学研究所.四川省大渡河黄金坪水电站引水、泄洪进口边坡稳定分析及加固措施研究［R］.2014.

［3]朱焕春.三峡临时船闸及升船机高边坡岩体变形特征［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（3）：281-284.

［4]石安池，赵明华，薛果夫.三峡工程永久船闸高边坡岩体变形特征与机理分析［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（5）：638 -642.

TV223.3，TV651.3，TV672.1

B

1003-9805（2015）04-0073-04

2015-07-21

谷江波（1976-），男，山西芮城人，高级工程师，从事水电工程地质勘察工作。