杨房沟坝址高边坡工程地质特征及稳定性评价

2010-05-25白正雄王小江

中国地质灾害与防治学报 2010年1期

荣冠，白正雄，王小江

（水资源与水电工程科学国家重点实验室（武汉大学），湖北武汉 430072）

0 引言

杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县境内雅砻江中游河段，是雅砻江流域规划中游河段的第5级水电站。该工程目前正处于可行性研究阶段。杨房沟上坝址初拟采用混凝土双曲拱坝方案，设计坝高158m，坝顶高程2098m，正常蓄水位2092m，水库库容为4.442亿m3，装机容量1500MW，多年平均发电量为 65.093 亿 kW·h［1］。

由于坝址地处青藏高原东缘高山峡谷区，河谷两岸陡峭，基岩裸露，坡度多在50°以上。工程将涉及天然高边坡（500m左右）及坝肩开挖、导流、引水、泄洪等进出口工程高边坡（150～250m）的稳定性问题。为研究天然河谷高边坡稳定性及治理措施，同时也为后续人工高边坡稳定性计算及合理开挖支护设计方案提供基础地质依据，作者在前期工程勘察基础上进行了河谷高边坡现场地质调查，对杨房沟河谷高边坡岩体工程地质特征及稳定性展开了相关研究。

1 杨房沟坝址基本地质条件

1.1 地形地貌

杨房沟上坝址区为高山峡谷地貌，两岸地形陡峭，基岩裸露，河流流向S40°E左右。左岸自然边坡山顶高程2480m，自然坡高约500m，高程2110～2300m地形陡峭，呈悬崖状，坡度一般50°～80°，高程2300m以上地形稍缓，坡度一般40°～50°。右岸自然边坡坡顶高程约2500～2550m，边坡高度520～570m。坡度50°至直立，局部反倾。

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

坝址区花岗闪长岩发育NNE向、近EW向及NWW的优势节理，倾角以中、陡倾角为主。枢纽区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级结构面主要以NNE、EW、NWW向中陡倾角为主，断层宽度0.02～0.50m。

上坝址浅变质岩为单斜地层，左岸杨房沟侧变质粉砂岩倾向山里偏下游，产状N10°W～N5°E，NE或SE∠60°～75°，右岸杨房沟下游侧岩层产状 N5°～30°E，SE∠65°。

杨房沟上坝址基本地质条件见图1。

图1 杨房沟坝址基本地质条件平面图Fig.1 Background geological settings of Yangfanggou dam

2 边坡岩体结构特征

据《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2006》［2］岩体结构分类，上坝址高边坡花岗闪长岩由外往里可划分为镶嵌、次块状及块状结构等类型。岩体基本特征为：结构面多为硬性结构面、软弱结构面较少。

以PD1和PD4平硐为例，上坝址花岗闪长岩的结构特征见表1。岩体结构总体规律为：弱风化上段岩体主要为镶嵌和块裂结构，弱风化下段岩体为次块状结构，微新岩体新鲜完整为块状结构。受卸荷、风化等因素影响，勘探平硐深度范围内（水平距离100m左右）边坡由外往内结构面间距存在增大趋势，相应地岩体结构完整性及岩体质量逐渐提高。

表1 上坝址部分平硐岩体结构特征及分类表Table 1 Rock mass structural features and classification of some adits at the upper site of Yangfanggou dam

3 边坡岩体表生改造特征

3.1 岩体卸荷

由于区域地壳强烈抬升，河流下切迅速，导致两岸地形陡峻。河谷下蚀过程中NNW顺河向构造裂隙在地应力调整及重力作用下，形成了坝区边坡岩体主要卸荷结构面，其次是NNE向及与谷坡走向呈小角度夹角的裂隙、断层等。卸荷结构面主要特征为：以陡倾角为主，结构面平直粗糙状，蚀变程度较低，偶见擦痕，平均间距30～50cm，贯通性良好。上坝址边坡卸荷结构面赤平投影见图2。

图2 上坝址左右岸平硐内发育节理极点等密度图Fig.2 Joint pole iso-density in adits on both sides of the upper site

河谷边坡发育强、弱卸荷带。强卸荷带分布在坡面浅表数米范围。结构面变形主要为朝河谷临空向的侧向张开松动，裂隙张开可达2～10cm，带内岩体整体松驰，洞型完整性稍差。局部存在架空现象，裂隙充填有块碎石、岩屑、树根等。弱卸荷带水平下限深度在15m左右，结构面充填岩屑夹泥膜或无充填，周围岩体轻度松弛，张开度较小，一般为1～3mm。

强、弱卸荷带一般分布在弱风化上段岩体内，左、右岸卸荷带发育深度相当，受地形变化影响顺河向强卸荷深度存在一定变化，河谷最下部（1990～2040m）强卸荷岩体发育极少或缺失。

3.2 岩体风化

坝址区裸露的基岩以弱风化为主，局部见强风化蚀变岩体。边坡由表至里一般可分为弱风化（上段、下段）、微风化及新鲜岩体，具体风化特征如下：

弱风化岩体节理两侧明显蚀变，多铁锰质渲染，部分节理充填岩屑及泥膜。微风化岩体节理面两侧仅见少量铁锰质渲染，偶见蚀变。弱风化上段水平埋深10～30m，带内岩体平均RQD为55，岩体完整性系数0.42；弱风化下限水平埋深30～50m，岩体平均RQD为64，岩体完整性系数0.55；微新岩体平均RQD为76，岩体完整性系数0.76。右岸岩体风化略深于左岸，高高程边坡风化程度较低高程深。上坝址典型剖面边坡岩体风化及卸荷发育情况如图3所示。

图3 上坝址勘III剖面岩体风化及卸荷范围地质图Fig.3 Sketch of rock weathering and unloading along section III at the upper site

3.3 河谷地应力规律

据预可研阶段测试结果，上坝址河谷属中等地应力水平，最大水平主应力方向为NWW，基本与河流流向一致，左岸应力水平稍高于右岸。水压致裂法地应力测试结果为：河床部位70～80m深处最大水平主应力20MPa，最小水平主应力8MPa，最大水平主应力方向 N75°～85°W。

坝址区河床底部普遍存在20～30m厚覆盖层，覆盖层之下基岩仍存在一定程度风化卸荷现象，河床基岩弱风化下段厚度为5～10m，风化岩石RQD偏低、渗透性较高。河床钻孔岩芯饼化现象出现在基岩面以下40～80m范围。坝址区河床部位的上述沉积、卸荷、风化及应力规律是河谷迅速下切导致谷底应力集中并不断调整的表现，该规律在雅砻江河谷普遍存在［3-4］，其对坝基渗漏及稳定性将造成一定影响。

总体上，坝址区2300m高程以下由河谷下蚀导致的卸荷及高应力现象偏弱，特别是河谷两岸卸荷带范围及强度明显较弱，由此产生的河谷边坡表生改造也有限。

4 边坡岩体变形破坏基本类型

据现场地质调查，上、中坝址边坡受构造裂隙、断层、卸荷及风化影响，河谷天然边坡岩体变形及潜在失稳模式主要有：松动张裂、楔形体滑动及崩塌等形式，其基本特征如下。

4.1 松动张裂

此类变形模式主要是雅砻江河谷在迅速下切过程中，大致平行坡面的节理由于卸荷作用导致临空，在重力作用下产生张开松动，它是坝址区花岗闪长岩最常见的变形模式。上坝址左岸与坡面成小角度的优势节理主要有（1）N0°～20°E，NW∠40°～80°、（2）N80°～90°E，NW∠60°～90°、（3）N60°～80°W，SW∠30°～60°。上坝址右岸与坡面成小角度的优势节理主要有（1）N0°～20°E，SE∠50°～80°、（2）N70°～90°W，NE∠50°～80°、（3）N50°～60°E，NW∠50°～70°。上、中坝址左、右岸2200～2300m高程以下的裸露基岩区均不同程度的存在此类变形，河谷边坡各部位拉裂松动水平深度均较小，一般在数米至十几米的范围。

4.2 楔形体滑动

滑移控制结构面以V级节理为主，部分位置IV级结构面也可成为其破坏边界条件。构成花岗闪长岩楔形体滑移的具体切割边界为与坡面大致平行及与坡面斜交的三组陡倾角节理，即①N5°～20°E，SE∠50°～80°、②N80°～90°E，NW∠40°～50°及∠60°～90°和③N70°～80°W，SW∠50°～60°。边坡浅表结构面受风化、卸荷等影响，导致结构松动、蚀变，同时在天然降雨或人工开挖爆破等因素影响下，形成沿1～2组结构面滑移的楔形体滑动。此类变形破坏规模一般在数方至近百方左右。

4.3 崩塌

边坡崩塌破坏的控制条件主要有两类：其一是2300m高程以下的天然陡峻坡面受卸荷裂隙切割形成松动岩体，在降雨作用下发生小体积崩塌；另外是受勘探爆破施工影响在马道或平硐口附近形成的诱发崩塌体。典型崩塌位置有：上坝址左岸5#脊2300m高程马道下部；上坝址右岸勘I线上游2260m马道附近。此部位崩塌体的体积在数百方量级，崩塌作用均发生在雨季。崩塌机理为受近平行坡面卸荷裂隙或优势节理控制；马道施工爆破导致坡面岩体松弛；连续降雨引起静水压力增大及结构面强度降低。

5 边坡岩体质量评价

5.1 岩体质量分级

根据现场平硐地质调查，采用RMR及CSMR［5-6］方法对坝区主要勘探断面岩体进行了质量分级研究。以勘II线左岸2025m高程PD1平硐为例，岩体质量评分及分级情况见表2。根据综合评分及分级结果，上坝址岩体质量具有如下规律：由低高程（2000m左右）至高高程（2300m左右）岩体质量从洞口向内分别为Ⅲ2、Ⅲ1、Ⅱ类，Ⅳ类岩体少见。按高程从高往低边坡浅部Ⅲ2类岩体水平范围呈减小趋势。同一高程随着坡体水平深度增加，除局部受断层、破碎影响带及蚀变带影响外，岩体结构趋于完整连续。由于右岸边坡包括部分变质粉砂岩，左岸岩体质量整体上稍好于右岸。

5.2 岩体力学参数估算

在RMR及CSMR评价分级的基础上，分别采用BQ［7］、RMR 及 Hoek-Brown 经验方法［8］进行岩体力学参数估算，同时参考室内外岩体力学试验成果，提出坝址区边坡岩体力学参数建议值，具体结果见表2。

表2 勘II线左岸PD1平硐岩体综合分类及坝址区岩体建议力学参数Table 2 Comprehensive classification of the rock mass in adit PD1 on the left bank of Exploration Line II and mechanical parameter suggestions for the rock mass of dam site

6 边坡岩体稳定性计算

在上述地质条件研究的基础上，采用数值方法模拟河谷演化过程，分析现今河谷边坡应力、变形，再根据强度折减法计算结果综合评价边坡岩体稳定状况。计算程序为UDEC二维离散元软件。

6.1 计算模型

选择上坝址勘I线（图1）为代表进行河谷演化模拟及边坡稳定评价。根据区域夷平面及河谷阶地调查，计算时河谷按9级侵蚀模拟，对应河床高程分别为：1974m、2000m、2050m、2110m、2160m、2250m、2370m、2500m和2750m。

图4 上坝址勘I线UDEC离散元模型Fig.4 Discrete element model of UDEC for sectionⅠ

模型X轴正向指向右岸（即SW62°），Y轴正向铅直向上，计算范围及规模为：横河向1600m（从河床中心线向左岸和右岸各取800m），垂直向1600m（从高程1400m到高程3000m），如图4所示。模型主要包括花岗闪长岩与变质粉砂岩两种岩体，结构面主要包括四组优势节理和岩体分界线。

6.2 计算条件

边界条件为：模型底部固定，侧向法向约束。初始地应力条件如下（式中h为海拔高程，单位为m；应力单位为MPa。）：

采用Mohr-Coulomb塑性双线性应变软化遍布节理模型（bilinearstrain-softeningubiquitousjointmodel）［9-10］来反映边坡岩体的力学性状及演化规律。岩体力学参数见表3。

表3 杨房沟河谷稳定性离散元计算力学参数Table 3 Basic parameters of discrete element method for valley stability

6.3 计算结果

河谷剥蚀结束后的边坡主应力矢量见图5所示，基本规律如下：

图5 勘I线河谷演化至现今阶段主应力分布图Fig.5 Principal stress distribution of section I

边坡浅部岩体由于卸荷导致应力松弛，最大主应力值在0.6～2.5MPa之间，最小主应力在0.0～2.0 MPa之间，只在极小范围内出现较小拉应力。河床下面35～70m部位出现应力集中，最大主应力值为21.0MPa左右，与勘I线河床基岩面以下40～80m范围钻孔发现饼状岩芯现象相符。河谷边坡应力场表现出明显的分带特征：边坡浅表为应力松弛区、河谷底部一定埋深处为应力集中区、坡面一定水平埋深为过渡区以及更深处为原岩应力区。

现今边坡塑性区水平发育深度在10～30m之间，左岸略深于右岸。塑性区水平发育深度存在随高程降低而减小趋势。

模拟的边坡应力及塑性区规律与河谷实际卸荷范围（实测卸荷水平深度20m左右，左岸水平发育深度较右岸略深，见图3）相比基本一致。

采用强度折减法，勘Ⅰ线剖面安全系数为1.48。极限状态下，边坡块体位移情况见图6。由图可知，该条件下由于卸荷回弹及自重荷载作用，河谷底部及左右岸坡底将出现较大的应变量，受节理的切割控制左右岸存在块体明显松动区，可能发生失稳。