某电厂后边坡岩体倾倒变形特征及失稳破坏模式分析

摘要：某电厂后边坡为高陡边坡，且发生倾倒，岩体破碎，边坡失稳将危及电厂安全。针对边坡不同的失稳破坏模式，可以采取相应的防治措施。为对电厂后边坡防治设计提供理论支撑，依据边坡岩体结构、变形破坏型式以及风化、波速等差异，自外向内将边坡岩体分为极强、强、弱3个倾倒变形区。综合分析各变形区边坡的形态、岩性组成等，结果表明：极强倾倒变形区岩体呈散体结构，易发生蠕滑-拉裂式滑坡;强倾倒变形区岩体呈碎裂、镶嵌结构，倾向坡外结构面发育，存在蠕滑-拉裂式滑塌;弱倾倒变形区岩体一般不会出现自身失稳破坏。

关键词：边坡失稳;边坡岩体;倾倒变形;变形特征;模式分析

中图法分類号：TU457文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2019）01-0023-04

某电厂位于青藏高原高山峡谷区内，两岸山体高耸，工程区河谷为纵向谷，岸坡岩体普遍发生倾倒变形，岩体松弛，结构遭到破坏，边坡失稳问题突出，危及坡下电厂安全。边坡失稳模式决定了稳定性分析计算方法以及防护措施的选择[1]。本文依据岩体倾倒变形特征的分析，自外向内对岩体倾倒强烈程度进行分区，进而分析各区的失稳破坏模式，为后期边坡防护提供地质依据。

1 边坡地质概况

电厂位于河流Ⅱ级阶地上，厂房后边坡坡高约860 m，坡面地形总体呈陡-缓-陡，边坡后部地形坡度40°～70°，局部呈陡崖;中、前部地形稍缓，坡度25°～35°;坡脚附近地形坡度35°～55°。边坡出露岩性由钙质板岩和灰岩、大理岩组成，其中钙质板岩呈薄层状，分布于中、下部;灰岩、大理岩呈薄-中厚层状，分布于边坡上部。边坡岩层为单斜构造，层理（板理）倾NE～NEE，反倾坡内，倾角24°～50°，总体为逆向坡。河流Ⅱ级阶地下伏基岩和河床出露基岩产状N20°W/NE∠70°～85°，岩层走向与边坡走向呈20°夹角，板理陡倾坡里。对比边坡与河床出露岩体产状，可见边坡岩体明显发生倾倒变形。

2 边坡岩体倾倒变形的发育特征

2.1 岩体倾倒深度

边坡岩体已发生倾倒弯曲变形，据平洞揭露，边坡上部岩体倾倒深度200 m以上，边坡坡脚即Ⅱ级阶地后缘岩体倾倒弯曲深度约120 m，边坡上部倾倒深度明显大于边坡下部。

倾倒深度的变化往往与边坡地形特征、边坡岩性组成及卸荷深度等有关[2]。岩体的倾倒实质是边坡侧向应力解除从而产生卸荷回弹，使得岩体沿结构面产生“板裂化”改造，在重力作用下，“板裂化”岩体向临空方向发生悬臂梁式弯曲[3]。由于边坡越高、坡度越大则临近坡顶附近卸荷作用越强，卸荷深度越大，相应倾倒深度也更深[4]。另外边坡的倾倒深度与岩性组成及层厚也有关，岩石强度越低，层厚越薄，则抗弯强度也越低，更容易发生倾倒弯曲[5]。电厂后边坡上部虽然由灰岩、大理岩组成，但层厚总体较薄，且以薄层为主，另外坡度较陡且坡高较大，所以倾倒深度较坡体下部深。

2.2 倾倒岩体裂隙发育特征

依据对平洞内岩体裂隙统计，边坡上部灰岩、大理岩分布区裂隙主要有两组，产状分别为N60°～90°E/NW∠56°～89°和N10°～40°W/SW∠48°～85°（倾坡外），其中陡倾坡外裂隙（倾SW）张开宽度 0.2～40 cm，多无充填。

边坡中、下部钙质板岩分布区裂隙最主要有3组，产状分别为N40°～60°W/NE∠50°～76°、N10°～60°W/SW∠46°～77°（倾坡外）和N55°～68°E/NW∠60°～80°，裂隙张开宽度一般为0.1～5.0 cm，其中倾坡外裂隙最大张开宽度可达10～18 cm，多无充填。

通过统计分析，无论坡体上部灰岩、大理岩分布区，还是中、下部钙质板岩分布区，均存在陡倾坡外（倾SW）裂隙，裂隙普遍张开，占统计组数的1/3～1/2，该组裂隙较发育。不同之处在于，灰岩、大理岩分布区该组裂隙延展性普遍较好，张开宽度相对较大，而钙质板岩分布区延展性相对降低，裂隙这种特性与岩石坚硬程度及坡形有关。

2.3 卸荷特征

倾倒岩体普遍已卸荷松弛，由外及里仅为卸荷程度差别[6]。根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）附录G划分标准，边坡上部平洞PD03强卸荷水平深度80 m，以内总体呈弱卸荷;边坡中部平洞PD02强卸荷水平深度105 m，以内总体呈弱卸荷;边坡坡脚即Ⅱ级阶地后缘平洞PD01强卸荷水平深度 37.2 m，以内总体呈弱卸荷。

边坡卸荷-拉张变形部位明显可见主要位于边坡上部大理岩、灰岩分布区，山梁部位及陡崖处尤其突出;边坡中部与钙质板岩分界处是地形陡缓交界处，卸荷-拉张变形亦很突出。上述卸荷-拉张变形突出部位，地表可见明显拉张裂缝，拉张裂缝陡倾坡外，张开宽度 0.3～1.0 m，裂缝可见深度最大可达9 m。

平洞揭露，边坡后部大理岩和灰岩分布区卸荷-拉张变形尤为发育，这与大理岩本身是硬质脆性岩体以及坡度较陡有关。强卸荷带内近直立卸荷拉张裂隙发育，张开宽度 0.2～30 cm，分别于平洞11～17 m、41～43 m、53～56 m、77～80 m形成4处卸荷拉张带。洞深80 m以内岩体虽总体呈弱卸荷，但洞深172～181 m仍发育有深部卸荷拉张带，带内由多条近直立卸荷裂隙组成，张开宽度可达40 cm。

2.4 风化分带

风化与岩性坚硬程度有关，边坡上部倾倒灰岩、大理岩均呈弱风化状态，声波波速3 000～5 450 m/s，平均值4 355 m/s，平均波速比0.79。边坡中、下部钙质板岩，由于岩性软弱， 在反复冻融作用下，更易风化。平洞揭露，边坡中部强风化水平深度70.8 m，坡脚附近由于地形较陡，强风化水平深度约14.0 m，强风化钙质板岩声波波速1 920～2 586 m/s，平均值2 054 m/s，平均波速比0.45。强风化以内倾倒岩体均呈弱风化状态，弱风化钙质板岩声波波速2 062～4 552 m/s，平均波速3 231 m/s，平均波速比 0.71。

2.5 岩体结构类型

边坡岩体卸荷倾倒，岩体完整性遭到破坏，由外及里倾倒强烈程度不同，岩体结构表现也不同。 边坡上部硬质灰岩、大理岩分布区坡表岩体结构为块裂、镶嵌结构，平洞揭示深度约为58m，以内主要为薄-中厚层状结构。

边坡中、下部由钙质板岩组成，由于钙质板岩属软岩，强度低，岩体易弯折破碎，且更易遭风化，边坡浅表层还存在呈散体、碎裂结构岩体。岩体中裂隙极发育，岩体破碎，岩块间具次生夹泥，局部具架空现象，岩体呈强风化，波速较低。边坡中部PD02平洞揭露，洞深0～70.8 m岩体呈散体、碎裂结构，70.8～105.0 m岩体为块裂、镶嵌结构，105.0 m以内为薄层状结构。坡脚PD01平洞揭露，洞深0～14.0 m巖体呈散体、碎裂结构，14.0～37.2 m岩体为块裂、镶嵌结构，37.2 m以内为薄层状结构。

3 边坡倾倒变形岩体分区

岩体倾倒强烈程度变化反映在岩体结构和变形破坏型式的不同上，其风化、卸荷、波速也存在差异[7]。依据这些特点，边坡岩体自坡外向内可分为3个区，即极强倾倒变形区（C）、强倾倒变形区（B）和弱倾倒变形区（A）。

（1）极强倾倒变形区（C）。岩体发生强烈的倾倒折断，极度破碎，整体松弛，具架空现象。裂隙极发育，具次生夹泥现象，岩体结构以散体结构为主，部分碎裂结构。岩体呈强风化、具强卸荷特征[8]。极强倾倒变形区（C）主要分布于边坡中、下部坡表，由钙质板岩组成，平均波速2 054 m/s，波速比 0.45。其中，边坡中部PD02平洞内极强倾倒变形岩体（C）水平深度 70.8 m;坡脚PD01平洞内极强倾倒变形岩体（C）水平深度14.0 m。

（2）强倾倒变形区（B）。岩体发生强烈的张性破裂并表现出显著的切层发展特征，岩层板理（层理）宏观上基本连续。裂隙发育，岩体结构呈块裂、镶嵌结构。以弱风化为主，总体呈强卸荷。边坡上部PD03平洞内强倾倒变形区岩体（B）分布水平深度57.7 m;边坡中部PD02平洞内强倾倒变形区岩体（B）分布水平深度70.8～105.0 m;坡脚PD01平洞内强倾倒变形区岩体（B）分布水平深度14.0～37.2 m。强倾倒变形区（B）内钙质板岩平均波速为2 985 m/s，波速比 0.66;灰岩、大理岩平均波速3 750 m/s，波速比 0.68。

（3）弱倾倒变形区（A）岩体倾倒变形较弱，层内可见剪切滑移，层间岩体基本上未见明显的宏观张裂变形，或有微小张裂缝。岩体呈层状结构，弱风化状态，具弱卸荷特征[9]。区内钙质板岩平均波速3 631 m/s，波速比 0.80;灰岩、大理岩平均波速4 726 m/s，波速比 0.86。

4 边坡失稳模式分析

通过对各倾倒变形区岩体结构及岩体结构面发育特征分析，同时综合考虑边坡形态、岩性组成等因素，提出各倾倒变形区岩体失稳模式如下。

（1）极强倾倒变形区（C）。该区岩体破碎呈散体、碎裂状，似塑性-弹塑性体，强度较低，工程性质较差。破碎岩体在自重作用下易发生剪切蠕变，造成后缘拉裂，产生蠕滑-拉裂式破坏，进而形成滑坡。极强倾倒变形区岩体主要分布于边坡中、下部由钙质板岩组成的边坡表部。因此，边坡中、下部（尤其坡脚附近）可能发生此类模式破坏，滑动面多为圆弧状。

（2）强倾倒变形区（B）。该区岩体裂隙发育，岩体在蠕变过程中使倾坡外裂隙之间不连续段或错列段剪断而逐步贯通，从而形成微具台阶状的滑移面，在自重力作用下（尤其降雨诱发下）随着岩体进一步蠕滑变形，后缘出现拉裂，沿地形陡缓交界处剪出滑移或滑塌。此类失稳破坏是一个长期的累积过程，失稳模式主要属蠕滑-拉裂式滑坡，但滑移面贯通形成之前，也存在滑移-压致拉裂破坏[10]。边坡中、下部由于地形相对较缓，发生该失稳模式可能性较小;边坡上部地形较陡，由硬质灰岩、大理岩组成，倾坡外裂隙发育且延展性较好，极可能发生蠕滑-拉裂式破坏，从边坡中部靠后地形陡缓交界处滑移剪出，此类边坡失稳往往规模较大且危害性极大。另外，边坡上部（尤其是突出山梁部位）以及陡缓交界处卸荷拉张带与倾坡外裂隙形成的组合块体（楔形体）滑动以及卸荷破碎的崩塌亦严重威胁坡脚建筑物安全。

（3）弱倾倒变形区（A）。该区岩体虽发生倾倒弯曲变形，但从平洞揭露情况看，岩体为层状结构，基本上未见明显的宏观张裂变形，仅有微小张拉裂缝，形成倾坡外贯通滑移面的可能性较小。因此，边坡基本不会沿弱倾倒岩体产生整体滑移。

5 结 语

依据岩体结构及结构面发育特征等，边坡岩体自外向内分为极强、强、弱3个倾倒变形区。极强倾倒变形区分布于电厂后边坡中、下部坡表，岩体易发生蠕滑-拉裂式滑坡;强倾倒变形区主要分布于边坡上部，岩体除可能发生蠕滑-拉裂式滑塌外，更可能产生崩塌、块体滑动;弱倾倒变形区岩体一般不会产生自身失稳破坏。

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