摘要：黄金坪水电站进水口边坡在开挖完成后，工程边坡和自然边坡出现裂缝，其稳定性影响边坡开挖期和电站运行期安全。针对边坡开展了地质勘查，并布置了大量监测仪器，本文系统研究了强卸荷松动岩体复杂地质条件下，边坡开挖的变形过程和变形特征，揭示了此类边坡的变形规律和变形机制。通过边坡变形机制研究，对边坡进行了系统加固，通过5年多的监测显示，目前边坡已处于稳定状态。
关键词：水电站；进水口边坡；过程分析；变形机制
1 前言
黄金坪水电站位于四川省大渡河上，其大厂房引水建筑物和泄洪（放空）洞均布置于左岸，2条引水隧洞和1条泄洪洞洞径分别为14.5m、14.5m、13.5m，三条隧洞进口边坡联合开挖，简称进水口边坡，平面上开挖边坡呈“W”分布，高程1481.5m以上开挖坡比主要为1：0.5，以下为自立坡，进水口呈上缓下陡的凸形坡。边坡分布高程1420m～1620m，最大坡高约200m，沿河长约180m，最大退坡深度约90m。进水口边坡于2010年7月开始爆破施工，2011年8月基本开挖完成，2011年8月中旬上部自然边坡出现裂缝，2011年9月工程边坡出现裂缝。
2工程地质条件
工程区位于松潘—甘孜地槽褶皱系巴颜喀拉冒地槽褶皱带与扬子准地台内的康滇地轴过渡部位，地处鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安宁河～小江断裂带、金汤弧形构造带的交接复合部位，区域地质构造背景复杂。工程建筑物区的地震基本烈度为Ⅷ度，50年超越概率10%基岩水平峰值加速度为220cm/s2，100年超越概率2%时为478cm/s2。
进水口边坡总体走向NE50°～75°，上游为叫吉沟，下游为小型冲沟，地形地貌为突出条形山脊，见图1，山脊总体呈NW～NWW向。开口线以上自然边坡地形坡度总体35°～45°，局部地段有陡坎。
图1 进水口边坡位置图
边坡地层岩性为晋宁期～澄江期斜长花岗岩，开挖揭示11条辉绿岩脉和42条断层，主要为Ⅲ、Ⅳ级结构面，无贯穿性长大断层分布，对边坡稳定产生不利影响的主要有fy-3、f9-3等中缓倾坡外断层，倾角25°～40°，但其延伸均有限。上部自然边坡浅表地层主要为崩坡积块碎石土，松散～稍密，水平厚度一般0～35m，垂直厚度0～23m。由于受大渡河、叫吉沟和小型冲沟的切割，边坡三面临空，岩体卸荷强烈，且强卸荷岩体埋深较深，水平深度85～180m，工程边坡开挖后残余水平深度35～100m。开挖和勘探显示，开挖后强卸荷岩体外侧分布有水平深度0～55m的卸荷松动破碎岩体，工程边坡出露底线在高程1490m附近。松动破碎岩体除具有强卸荷岩体的一般特征外，还具有①钻孔岩芯呈碎块状为主，取芯困难，易掉钻；②结构面发育没有规律，多无泥质充填物，顺河、横河结构面均松弛张开；③无明显滑移、挤压或转动迹象，仅局部见不规则脱落现象；④岩体干燥，地下水不活跃，地表水和地下水均会快速下渗。
3 边坡开挖、支护与变形过程分析
开挖过程中，边坡开挖进度和支护进度如图2所示，可见支护滞后于开挖，尤其深层锚索支护严重滞后。2011年8月引水洞进口开挖至高程1460m、泄洪洞开挖至高程1420m时，工程边坡和自然边坡产生明显变形，出现大量裂缝；2011年11～12月引水洞进口开挖至高程1440m时（开挖全部完成），自然边坡和工程边坡2011年12月下旬～2012年1月变形均加剧；2012年2月后，边坡变形速度逐渐减小。2012年3月加强支护（张拉110%）完成25%、4月完成43%、5月完成60%、6月完成77%、7月完成94%，8月上旬支护全部完成，加强支护完成后，工程边坡变形趋于收敛，自然边坡变形速率减小。通过系统支护和加强支护完成时间，对比边坡地表位移监测数据，边坡变形与边坡开挖、支护均存在对应关系。
由于在开挖前和开挖过程中，没有进行地表位移观测，无法判断边坡初期变形。产生边坡变形的原因是多方面的，进水口边坡由于岩土体结构、边坡形态对边坡稳定不利，边坡开挖导致边坡的宏观变形，这种变形初始量较小，总体表现为随着开挖深度的增加，其变形量呈逐渐增大的趋势，但变形有滞后的现象。研究表明，岩土边坡工程的破坏与失稳，在许多情况下并不是在开挖形成以后立即发生，岩土体应力与变形随时间变化发展和不断地调整，其调整的过程往往需要延续一个较长的时期。第一阶段，边坡开挖后产生快速卸荷，导致水平位移大于垂直位移；第二阶段，随着卸荷的完成，边坡变形逐渐表现为垂直位移增大、水平位移减小。开挖结束后，边坡的变形速率在2～3个月达到最大值，随后，其变形有下降趋势，支护完成后，工程边坡变形保持一稳定值，此时变形基本上处于停止状态；自然边坡由于强卸荷外侧松动破碎岩体较厚、高程较高，岩土体变形需持续较一段时间，短则几年，长则几十年，这种变形速率会逐渐减少，直至收敛。
图5 边坡开挖、支护进度图
4 边坡变形特征
监测设计的平面布置如图1所示。工程边坡监测项目有外部变形观测墩、多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计等，形成4个剖面，分别布设16个点。自然边坡监测项目有外部变形观测墩、测斜管、地表临时裂缝监测等，其中外观测点10个、测斜管6个。外观监测是在边坡变形发生以后才开始的，所以坡体观测的总变形量小于坡体的实际变形量。外观监测能全面反映开挖完成后、加强锚索支护实施过程中的变形特点。
（1）自然边坡变形特征
2011年8月中旬自然边坡出现裂缝，调查发现裂缝17条，分布最大高程约1735m，裂缝一般宽1～3cm，最宽约10cm，错台高4cm，大致顺边坡呈弧状断续延伸，总体走向N25°～50°E。2011年9月～12月中旬原有裂缝基本完全贯通，向底高程均有延伸，宽度一般增加1～3cm，最大增加约6cm，错台高约10cm。2011年12月中旬～2012年1月上旬裂缝变形加剧，裂缝完全贯通，向下延伸贯通至高程1664m，最大宽度达25cm，最大错台35cm，向下贯通延伸至高程1626m。2012年1月上旬以来自然边坡裂缝向高高程、上游侧、下游侧和低高程均没有继续发展。2013年4月20日“芦山地震”，自然边坡表观位移发生突变，平面合位移最大33.08mm（TP01），垂直位移最大49.5mm（TP05），均位于裂缝最高部位。
如图2，裂缝出现后的自然边坡监测资料表明：①裂缝呈均集中在凸出山脊部位，与下部工程边坡开挖地形基本一致；裂缝出现以来，向上游、下游和高高程均没有发展，仅向底高程发展（工程边坡开挖方向），向下延伸最大高度约35m。②外部变形观测墩平面合位移最大达438mm、垂直位移最大达505mm，整体变形量较大，且垂直位移大于水平位移。③外部变形观测墩平面合位移的方向N40°W～N60°W，指向开挖临空面。④2012年4月20日“庐山七级地震”使自然边坡高高程变形发生突变，最大水平位移33.08mm（TP01），最大垂直位移49.5mm（TP05），底高程变形变化较小。
（注：X向以平行于引水洞轴线向坡外为正，反之为负；Y向以垂直于引水洞轴线向下游为正，反之为负；△S为平面合位移；H为垂直位移，以下沉为正，上抬为负，下同）
图2 自然边坡TP01外观监测曲线（EL1728m）
（2）工程边坡变形特征
2011年9月6日进水口边坡高程1525m～1510m段出现裂缝，其中斜向裂缝1条、竖向裂缝4条、水平裂缝宽7条，裂缝迹长均不超过10m。2011年12月下旬～2012年1月上旬进水口边坡多处出现裂缝，主要表现在：① 高程1620m～1570m框格梁裂缝5条，竖向裂缝3条，fy-3断层边坡出露部位没有见到明显变形迹象；② 高程1570m～1540m竖向裂缝2条，1处框格梁中间混凝土喷层出现鼓胀现象；框格梁裂缝7条；③ 高程1540m～1510m水平裂缝1条，轻微鼓胀1处，框格梁裂缝2条；④ 高程1510m～1481.5m竖向裂缝1条，框格梁裂缝1条；⑤竖向裂缝主要位于工程边坡上游侧开口线高程1580～1481.5m。
如图3，工程边坡监测资料表明，：①1-1监测剖面（上游侧边界，为半约束）整体变形量较小，2-2～4-4监测剖面整体变形量较大。各多点位移计孔口累计位移在7.43mm～79.06mm范围，各外部变形观测墩平面合位移在29.84mm～231.11mm范围，垂直位移在8.95mm～149.55mm范围；② 1570m和1540m高程边坡变形深度不超过90m，1510m高程边坡变形深度超过55m，1510m高程以下边坡变形深度在25m以内；③锚杆、锚索应力1-1～4-4监测剖面大部分锚杆应力计呈受拉状态，目前锚杆应力累计值在-30MPa～170Mpa，1-1～4-4监测剖面锚索测力计测值反映出大部分锚索锚固力处于损失状态，大部分锚索锚固力损失在10%以内，3根超过10％，锚固力损失率最大达66.28%；④外部变形观测墩平面合位移的方向在N30°～40°W范围，变形方向指向开挖临空面；⑤2012年4月20日“庐山七级地震”，工程边坡位移震后测值与震前无突变，外部变形观测墩变形增量在3.61mm以内。
图3 2-2监测剖面1510m高程TPJK-6 位移时间过程线
（3）边坡变形特征
结合监测成果和宏观变形迹象，边坡变形呈现以下特征：①裂缝主要分布于突出山脊，上游裂缝迹象可延伸至工程边坡上游侧坡，下游裂缝主要位于冲沟中心部位，裂缝总体呈弧形延伸，与进口边坡开挖形态契合，变形后缘高程在1730m～1735m，前缘高程在1500m～1481.5m，高差约250m。②边坡出现裂缝以来，范围基本固定，仅向底高程与工程边坡无限接近，后缘错台明显，前缘无明显迹象。③进水口边坡变形可分为3个区域，其中高程1570m以下水平位移大于垂直位移、高程1570m～1720m水平位移与垂直位移基本一致、高程1720m以上垂直位移大于水平位移。④工程边坡仅上游半约束1－1监测剖面变形较小，其余监测剖面变形均较大，变形受边坡开挖影响。⑤工程边坡和自然边坡变形方向基本一致，均指向开挖临空面，只是自然边坡更倾向凸出山脊。⑥监测数据显示，进口区边坡变形呈波动式上升，其中2011年9月前边坡变形呈缓慢增长；2011年9月～2011年12月中旬边坡变形呈快速增长；2011年12月中旬～2012年1月上旬呈边坡变形急剧加速增长；2012年1月上旬后边坡变形速率减少，并趋于稳定。⑦在目前边坡开挖完成，支护完成的条件下，边坡的变形总体上变形速率逐渐减小，并趋于稳定。
5 成因和破坏机制
开挖揭示，进水口边坡没有贯通性的岩脉和断层发育，可见边坡岩体中不存在贯通的或延伸相对较长的顺坡中缓倾角结构面，其顺坡中缓倾角结构面主要为节理和剪切裂隙，延伸相对短小。因此，基岩内发生完整结构面组合滑移模式的可能性很小。边坡稳定程度主要受开挖后边坡岩体卸荷松弛程度（岩体结构）控制。
进水口边坡位于凸出山脊，地形单薄，上游为叫吉沟，下游为小型冲沟，近三面临空。开挖边坡岩体卸荷强烈，浅表岩体大部松动、破碎，岩体本身强度低，稳定性差，下部连续开挖高陡边坡致使岩土体结构松弛和强度降低，引起边坡有限变形，同时，开挖坡脚、支护相对滞后在一定程度上恶化了边坡的稳定。
工程边坡在一定深度范围内开挖，造成了岩体的侧向卸荷回弹，导致边坡产生水平位移，但此时，所产生的力还不足以使边坡产生较大的垂直位移，因此边坡的变形表现为水平位移大于垂直位移。工程边坡上部自然边坡由于没有开挖，其变形主要受下部工程边坡变形牵引，加上自然边坡为强卸荷松动破碎岩体，岩体间松弛，局部架空，因此边坡的变形表现为垂直位移大于水平位移。
进水口边坡（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。从坡体变形破坏特征看，变形机制为在重力作用下的蠕滑—拉裂变形，后缘发育自坡面向深部发展的拉裂。
6 结论
（1）进水口边坡地形凸出，三面临空，岩体卸荷强烈，外侧为松动破碎岩体，边坡高陡（坡高达200m），边坡开挖未及时支护即开挖导致边坡变形急剧发展，牵引上部自然边坡出现裂缝。
（2）边坡的变形主要受开挖影响，变形具有滞后现象，进水口边坡开挖12个月后，边坡变形加速。监测成果显示，进口区边坡变形呈波动式上升，高高程垂直位移大于水平位移，底高程水平位移大于垂直位移，但两者变形值差异较小。
（3）边坡的变形主要受边坡地形、岩体结构和开挖影响，与开挖具有较强的同步性，开挖结束支护完成后，变形速率很快减小，且趋于稳定。
（4）进水口边坡变形机制为在重力作用下的蠕滑—拉裂变形。
（5）松动破碎岩体边坡开挖后必须及时进行支护，以有效防止边坡变形。边坡变形整治措施主要针对边坡的蠕滑—拉裂变形机制，对边坡下部变形部位进行锚固等措施。支护完成后的近一年的监测成果显示，工程边坡变形趋于稳定，自然边坡变形速率逐渐减少，且经历了2012年4月20日“庐山七级地震”的考验。
论文作者:曾金华
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/23
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