(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

扎拉水电站位于西藏境内怒江左岸一级支流玉曲河上,采用混合式开发，主要任务是发电。主要建筑物由大坝、引水隧洞、电站厂房组成。混凝土重力坝最大坝高约67 m，引水发电隧洞线路长约5 km，地面厂房主电站利用最大水头690.55 m，装机容量1 000 MW，工程规模为Ⅱ等大(二)型[1]。工程区地处青藏高原东南部，高山峡谷地貌，新构造运动强烈，卸荷和倾倒变形现象普遍发育，厂后边坡稳定性对电厂和引水发电隧洞调压室位置的确定具有重要影响。

20世纪70～80年代，倾倒变形边坡问题在世界范围被逐渐重视起来，相关研究方法相继提出，包括Goodman、Bay(1976)等提出的边坡发生倾倒变形机理以及基于静力平衡的稳定性计算方法。目前，国内对倾倒变形边坡的研究还刚起步且不系统，对其形成机制、工程地质特性的认识还不统一，对其稳定性评价还少有涉及。国内其他一些设计院及科研单位主要针对逆向(反倾向)坡倾倒变形岩体进行了初步研究[2-6]。关于岩体倾倒分区(分级)方面，多考虑变形强烈程度这一因素，缺少对倾倒岩体本身工程地质特性的分析，未形成成熟的分区体系。由于倾倒变形边坡的工程地质条件及边界条件很复杂，目前对其稳定性评价多采用定性方法，可靠度欠缺；在定量方面，建立地质模型进行数值模拟过于繁琐[7-9]，相关规范推荐的基于极限平衡理论的传递系数法适用条件局限，均不是倾倒变形边坡稳定性评价的适宜方法，也不能满足工程治理设计的需要。在扎拉水电站厂后倾倒边坡专题研究过程中，采用综合勘察手段查明了边坡倾倒变形地质特性，提出工程地质分区新原则；结合物理模拟、数值计算、稳定性和崩落计算等方法研究边坡破坏模式，初步建立了倾倒变形边坡稳定性评价体系；设计人员根据地质分析成果，将前期厂址进行了调整，开创了我国在倾倒变形边坡岩体中建设调压室的先例。

1 地质概况

厂址位于玉曲河右岸，玉曲河流向北北西，河床宽15～30 m，河底高程2 111～2 116 m。漫滩滩面高程2 124～2 128 m，高出河水面7～11 m，纵向长约250 m，两端束窄，中部宽36 m左右。漫滩后为Ⅱ级阶地，平台宽70～170 m，高程2 150～2 166 m，高出河水面40～50 m。阶地后缘与山体相接，山体边坡坡顶高程2 965～3 115 m，坡脚高程2 165 m左右，坡高800～950 m，属超高边坡；坡面总体呈陡-缓-陡的地形，高程2 550 m以上坡角40°～70°，高程2 550～2 285 m地形稍缓，坡角25°～35°，高程2 285 m以下坡角35°～55°，局部为陡崖。

厂后山体边坡除中部地形较缓处堆积有厚度较小的第四系崩坡积(Qcol+dl)碎块石土覆盖层外，大多基岩出露，基岩沿坡面自下而上由三叠系上统瓦浦组第三段(T3wp3)钙质板岩和三叠系上统瓦浦组第四段(T3wp4)结晶灰岩、大理岩组成。其中T3wp3薄层状钙质板岩分布于边坡中、下部， T3wp4薄层状结晶灰岩、中厚层夹薄层状大理岩分布于坡体上部，二者地形上呈陡缓接触，接触处高程2 534～2 695 m。

基岩呈单斜构造，板理(层理)倾北东-南东东，倾角一般24°～50°，变化较大。边坡坡面倾向南西，总体呈斜-逆向坡。小断层亦多陡倾坡内，或与坡面横交。坡表由于风化、卸荷和倾倒变形，裂隙较发育。据平洞、钻孔揭露，强风化带水平深度17～104 m，其中风化较深位置位于坡体中部钙质板岩分布区；坡体下部、上部地形较陡，风化深度相对较浅，上部大理岩无强风化带，地表出露及平洞PD24(洞深119.7 m)揭示均为弱风化岩体。

坡表未见地下水出露，勘探揭示有基岩裂隙水，水量较小，在坡脚平洞PD14洞深58，95 m处沿断层地下水初见流量分别为200，10 L/min，洞口稳定总流量约80 L/min左右。

2 倾倒变形岩体工程地质分区及特征

厂后边坡岩体普遍发生倾倒变形，根据边坡上、中、下部3层平洞勘探揭露，坡脚一带(平洞PD14、PD25)倾倒变形体水平深度为78.0～119.5 m，坡体中部(平洞PD15)倾倒变形体水平深度大于117 m，上部(平洞PD24)倾倒变形体水平深度186 m。倾倒岩体与正常岩体界面弯曲，为底弯面(带)，底弯面上有裂纹，未完全折断，属倾倒弯曲型。按照发生倾倒变形的强烈程度，将倾倒变形岩体自坡外向内分为极强、强、弱倾倒变形区(见图1)，不同分区的岩体结构和变形破坏型式具明显差异[10]。

(1) 极强倾倒变形区(C区)，主要分布在边坡下部(高程2 320 m以下)，水平深度10 m左右。散体结构，部分呈碎裂结构，一般不具有连续板理(层理)，岩块间普遍具架空现象，或充填碎石、岩屑，多在重力作用下已发生错动、坠覆。卸荷裂隙极为发育，平均线密度10条/m，裂隙张开度一般1～3 cm，最宽达30 cm，多充填有黄色泥质，陡倾角；板理面脱开，板理裂隙间距一般1～5 cm，裂隙张开度一般1～5 mm，多无充填，倾角总体近水平状。极强倾倒变形区岩体地震波速1 289～1 546 m/s，钻孔压水试验不起压，具极强透水性。

(2) 强倾倒变形区(B区)，分布于整个坡体，水平深度37.0～70.8 m。碎裂结构，表现为层内及层间拉张，板理(层理)基本连续，发育倾坡外的拉张裂隙，其中多充填碎石、岩屑或黏性土。裂隙按产状可分为3组，优势产状分别为N22°～33°W/SW∠24°～31°(横坡向裂隙，间距一般20～50 cm)、N21°～35°W/NE∠29°～35°(板理裂隙，间距一般3～10 cm)、N39°～44°W/SW∠83°～88°(卸荷裂隙，板岩中平均线密度3条/m，结晶灰岩中平均线密度5条/m)，其中NNW向中缓倾角结构面较多。比较而言，下部板岩和上部结晶灰岩中裂隙发育情况基本相同，但上部结晶灰岩中陡倾裂隙在结构面总数中所占比例较大，延伸长度和张开度也相对较大。

强倾倒变形区岩体地震波速2 098～3 224 m/s，钻孔压水试验多数不起压，局部透水率31.7 Lu，具极强-强透水性，变形模量0.09 GPa，弹性模量0.31 GPa，抗剪断强度摩擦系数f′=0.74～1.00，凝聚力C＇=0.22～0.40 MPa。

注：1.第四系崩坡积；2.第四系洪坡积；3.三叠系上统瓦浦组第四段第二层；4.三叠系上统瓦浦组第四段第一层；5.三叠系上统瓦浦组第三段；6.碎块石土；7.结晶灰岩；8.大理岩；9.钙质板岩；10.地层界线；11.第四系与基岩界线；12.岩性界线；13.钻孔及编号；14.平洞及编号；15.倾倒岩体分区代号及界线(A区为弱倾倒变形区，B区为强倾倒变形区，C区为极强倾倒变形区)图1 厂后倾倒变形边坡工程地质剖面Fig.1 Geological profile of toppling slope behind power plant

(3) 弱倾倒变形区(A区)，水平深度78～186 m。边坡上部平洞PD24揭示：自洞口至洞深22 m范围内大理岩弱倾倒变形岩体呈镶嵌碎裂结构，发育多条张开裂隙，最大开度10 cm；洞深21，22 m处发育两条夹碎石的陡倾断层，带宽0.3～0.5 m。基本保持原始岩体的层状结构，板理(层理)连续，倾坡外的拉张裂隙相对不发育，岩层以弯曲变形为主。

弱倾倒变形区岩体地震波速2 868～4 381 m/s，钻孔压水试验透水率23.7～40.4 Lu，具中等透水性，变形模量0.21 GPa，弹性模量0.77 GPa，抗剪断强度摩擦系数f′=1.00～1.20，凝聚力C＇=0.56～1.11 MPa。弱倾倒变形区和正常岩体之间的底弯带抗剪断强度摩擦系数f′=0.51～1.74，凝聚力C＇=0.14～0.39 MPa。

图2 厂后倾倒变形边坡失稳破坏模式Fig.2 Failure modes of toppling slope behind power plant

3 边坡变形破坏模式分析

在厂后边坡变形迹象调查的基础上，采用UDEC离散元数值软件对其变形破坏过程进行模拟[11]。模拟计算结果表明，厂后倾倒变形边坡主要失稳模式为拉裂-滑移-剪断、倾倒崩塌及随机块体崩落(见图2)，其中拉裂-滑移-剪断可能产生较大的失稳块体，对电站厂房及附属建筑物的安全运营威胁最大，而倾倒崩塌、随机块体崩落多形成的为“小而多”的岩块堆积体，对电厂威胁相对较小。

3.1 拉裂-滑移-剪断

该失稳模式主要发育于坡顶突出山梁部位[12]，也即边坡T3wp3与T3wp4分界线以上大理岩、结晶灰岩分布区。边坡岩体在河谷下切的长期历史过程中，由于卸荷回弹变形强烈而产生大量与坡表近平行的拉张性质的卸荷裂隙，其优势产状为N40°～45°W/SW∠74°～78°，陡倾坡外发育。当变形量超过岩体变形极限，卸荷裂隙即张开，并在自重作用下逐渐贯通形成倾坡外滑动面，上部岩体顺滑面滑移，最终剪出，因失去支撑而滑塌。

3.2 倾倒崩塌

该失稳模式主要发育在边坡T3wp3与T3wp4分界线薄层结晶灰岩分布区，以及分界线以下板岩分布区的浅表部。河谷下切创造了临空面，边坡发育的反倾坡内薄层板岩及结晶灰岩在自重及上部岩体重力作用下，向临空方向发生倾倒弯曲变形，并在岩层上表面产生随变形持续而不断增加的拉应力。当拉应力大于该部位岩层抗拉强度时，岩层拉裂，出现短小的切层裂隙，陡倾坡外发育，岩体破碎崩落[13]。

3.3 随机块体崩落

该失稳模式发生在T3wp3与T3wp4分界线以上结晶灰岩、大理岩分布区，薄层结晶灰岩及中厚层状大理岩受卸荷作用影响，发育有优势产状为N40°～45°W/SW∠74°～78°的陡倾坡外卸荷裂隙，裂隙发育密集，间距0.2～0.5 m，发育深度约0.2～1.5 m，无张开或微张开，与坡表优势产状为N21°～28°W/NE∠16°～23°的层面共同切割岩体成松散块体。由于造成此类失稳模式的卸荷裂隙发育深度较浅，发育密集，或陡倾发育，地形上无剪出条件，最终以在风化和卸荷作用下失稳崩落的形式失稳，在缓坡地带形成“小而多”岩块堆积[14]。

4 边坡稳定性计算与评价

4.1 滑移稳定性计算

在平洞内对倾倒变形岩体底

弯面(带)、主要结构面(裂隙面、岩层面和板理面)、弱倾倒变形A区、强倾倒变形B区(极强倾倒变形C区为散体结构，无法制样，未对其进行试验)，分别进行了现场抗剪(断)、变形试验和地震波测试。以上述试验、测试成果为基础，综合考虑倾倒变形岩体及结构面特征，提出边坡稳定计算所需的相关参数建议值(见表1)。

拉裂-滑移-剪断模式规模较大，危害程度大，是分析研究的重点。滑移稳定性计算采用基于极限平衡理论Geo-Studio软件的Slope模块，并通过Bishop法、M-P法、传递系数法等多种方法进行校验。计算工况分别考虑了天然工况、短暂工况(暴雨)、偶然工况(地震，动峰值加速度148gal)等3种。

图3 厂后倾倒变形边坡滑移破坏模式Fig.3 Sliding-failure modes of toppling slope behind power plant

基于倾倒变形边坡地质剖面和变形破坏数值模拟结果，拟定了6种滑移剪出模式(见图3)：① 边坡下部C区极强倾倒变形岩体沿C/B区界面滑塌；② 边坡极强、强倾倒变形区(C区+ B区)岩体沿A/B区界面滑移；③ 边坡极强、强、弱倾倒变形区(C区+ B区+A区)岩体沿底弯面滑移；④ 边坡中上部强倾倒变形区(B区)岩体在地形陡缓交界处剪出滑移；⑤ 边坡下部极强倾倒变形岩体(C区)、局部强倾倒变形岩体(B区)沿B区内部和C/B区组合界面滑移；⑥ 边坡上部弱倾倒变形区(A区)坡表张开裂隙发育岩体滑塌。

表1 厂后倾倒变形边坡岩土参数建议值Tab.1 Geomechanical parameters of toppling slope

根据DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》，厂后边坡属A类Ⅱ级边坡，设计安全系数持久工况为1.25～1.15，短暂工况1.15～1.05，偶然工况1.05[15]。稳定性计算结果表明(见表2)：在天然工况下，各模式稳定性系数1.397～1.784，大于设计安全系数，稳定；在暴雨工况下，各模式稳定性系数为1.186～1.440，相对于天然工况稳定性系数有明显降低，但仍大于设计安全系数，稳定；在地震工况下，模式②、③、⑤稳定性系数为1.207～1.287，大于设计安全系数且安全储备足够，但模式①、④、⑥稳定性系数为1.087～1.090，略大于设计安全系数，安全储备稍显不足。

4.2 岩块崩落估算

倾倒崩塌、随机块体崩落形成的岩块较小，但数量较多，对厂区建筑物和施工安全不利。以边坡浅表部岩体失稳崩落为研究对象，采用Rockfall软件模拟估算块体崩落后的影响范围[16]。边坡中部浅表层主要为第四系碎块石土，法向阻尼系数取0.32，切向阻尼系数取0.85；其余部位均出露基岩，法向阻尼系数取0.35，切向阻尼系数取0.85。坡表还生长有少量灌木。

表2 厂后倾倒变形边坡稳定性计算成果Tab.2 Stability results of toppling slope behind power plant

根据模拟估算结果，岩块从高处崩落之后顺坡面运动，在边坡高程2 700 m及2 350 m陡缓交界处出现了跳跃，跳跃幅度不大，最大跳跃高度为19 m。岩块崩落运动稳定之后，最终落点主要分布在水平距离1 220～1 270 m、高程2 160～2 175 m的范围。厂址位于水平距离1 220～1 400 m、高程2 120～2 165 m的玉曲河漫滩和阶地，因此边坡上崩塌后的部分岩块会滚动到达厂区。

4.3 稳定性评价及处理意见

厂后倾倒变形边坡为倾倒弯曲型，在天然和暴雨工况下，边坡均处于稳定状态。在地震工况下，边坡下部极强倾倒变形区(C区)岩体、中上部强倾倒变形区(B区)岩体和上部弱倾倒变形区(A区)坡表张开，裂隙发育，岩体安全储备稍显不足。这些区段岩体风化卸荷作用强烈，结构破碎，在地震作用下可能会发生局部块体崩塌。根据岩块崩落模拟计算成果，崩塌滚落的岩块可能运动至厂房位置，建议采取拦挡措施，以应对安全储备稍显不足的区段岩块崩落的不利影响，确保厂房安全运行。

5 结 语

扎拉水电站工程区地质条件极为复杂，厂后超高边坡地形陡峻，板岩、大理岩、变质流纹斑岩基岩种类多，岩性软弱相间，普遍发生倾倒变形，对厂区枢纽选址和建筑物布置方案影响很大。在前期各设计阶段，勘察单位联合相关科研单位、高等院校，对倾倒变形边坡进行了专题研究，创新地提出根据倾倒变形程度进行边坡岩体内部工程地质分区原则，采用数值法计算模拟边坡变形破坏模式，对各分区各种破坏模式采用基于极限平衡理论的多种方法进行计算、校核，以提高稳定性评价的可靠性、准确性。设计专业根据地质分析成果，将厂址向玉曲河方向移动了约50m，既可避免施工开挖扰动倾倒变形边坡，也可最大程度地降低边坡上岩块崩落危害。同时，将引水隧洞调压室置于弱倾倒变形区(A区)和正常岩体内，开创了我国在倾倒变形边坡岩体中建设调压室的先例。

国内对倾倒变形边坡的研究还刚起步，对其工程地质特性的认识还较浅显，对其稳定性评价还少有涉及，对其危害性尚未引起相当重视，扎拉水电站厂后倾倒变形边坡的研究成果可作为类似工程的有益借鉴。目前，扎拉水电站可行性研究报告已通过审查，成为西藏自治区境内首个具有开工条件的百万装机容量的水电工程，它的兴建一定会为我国西南“三江”流域水电能源接续基地建设作出新的贡献。