南腊河电站边坡稳定性分析.doc

1、 1 南腊河电站岩质高边坡稳定性分析及坡比选择 王冬升 吉贵宝 （云南省曲靖市水电设计研究院，云南 曲靖 655000） 提要： 南腊河电站为一坝后式电站 ,建筑物相对集中 ,而河道较狭窄 ,因而所需开挖的边坡较高 ,尤以右岸为甚 ,本文通过对该工程边坡的稳定性分析就如何选定一个安全经济的坡比进行一定的探讨。 关键词： 电站 高边坡 稳定分析 坡比选择 1. 工程简况 南腊河电站位于西双版纳州勐腊县西部，澜沧江 湄公河一级支流南腊河下游，为坝后式电站，装机 2 8KKW，坝体为重 力坝，坝高 45米，于 2000 年投产发电。工程区所在河道河流自东而西，水面宽25 米 35 米，河道顺直，河谷

2、呈“ V”型，自然坡度左岸上部为 45 55，下部呈陡崖，右岸坡度一般40 50，局部达 78，山体较为完整，由于河道狭窄，工程建筑物较为集中，两岸边坡就成为该工程区的主要工程地质问题。 2. 地质概况 2.1 地层岩性 工程区地层为下白垩统景星组中段 (K1 j2)，岩性由浅变质中 粗粒中 厚层状石英砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩交互成层，石英砂岩质坚性脆；厚 1224 米，粉砂岩，泥岩等质软而破碎，厚 723 米不等，在平缓的岸坡上覆有 13 米的第四系残、坡积 (Qedl)含砾砂质粘土。 2.2 地质构造与地震 工程区断裂构造不明显，但褶皱发育，主要为一轴向北北东（与坝轴线夹角近 20）的

3、小背斜，轴线分别向两岸微倾伏，两翼不对称，东翼岩层倾角 40 65，西翼岩层倾角 20 50，局部还见有次级小褶曲，除此外近南北与近东西向的节理裂隙较为发育。 根据中国地震动参数区划图 (2001)，工程区地震动加速度为 0.15g，地震动反映谱特征周期为0.45s，相应地震基本烈度为 7 度。 2.3 水文地质 工程区岩体均 为透水性与富水性较弱的砂、泥岩，该区又属整个区域最低侵蚀基准，地下水补给河水，根据钻孔地下水位观测资料，地下水位低于整个边坡。 2.4 岩石风化分带及物理力学特性 由于工程区处于与坝轴线夹角近 20的小背斜部位，河谷与岩层近于直交，两岸岩体相近。工程区边坡组成岩体由浅变

4、质中 粗粒中 厚层状石英砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩交互成层，新鲜岩块弹性纵波速 Vr 为 3.04.2km/s。根据勘探资料自地表向深部依次由全、强、弱风化岩体组成。全风化岩体较破2 碎，全风化带下限垂直埋深小于 9 米；强风化岩体完整性差，强风化带下 限垂直埋深为 218 米；弱风化岩体较完整，各风化带岩石物理力学试验成果见下表： 岩石物理力学试验成果表 岩性 风化性状 完整性 系数 (Vm/Vr)2 取样位置 层位 样号 比重 容重 g/cm3 孔隙率 (%) 吸水率 （ %） 抗压强度 湿抗拉 强度 MPa 湿抗剪断 强度 干弹模 孔号 深度 (米 ) 干态 MPa 湿态 MPa f

5、C(MPa) 104 MPa 全风化 石英砂岩 褐黄色沙糕状，锤击易碎。 0.20.3 右岸 ZK4 2.6 6.5 K1j21-3 y12 2.66 2.59 2.61 0.96 46.9 51.4 24.8 33.5 0.62.2 强风化 石英砂岩 灰色，裂面颜色明显变淡，锤击有哑声。 0.40.6 右岸 ZK11 15 22 K1j21-1 yF5 2.68 2.65 1.85 0.36 107.1 115.5 46.0 59.8 1.96.5 0.99 15.0 4.93 0.38 右岸 ZK4 12.0 22.0 K1j21-3 yS1 2.68 2.66 1.49 0.42 80.

6、3 39.2 56.8 3.6 1.10 3.60 2.65 0.29 弱风化 石英砂岩 灰白色，裂隙面颜色略有锈膜浸染，锤击音清脆。 0.60.7 河心 ZK8 1.5 9.5 K1j21-1 y1 2.70 2.65 1.49 0.20 138.9 165.9 78.6 144.1 5.89 0.35 左岸 ZK9 30.5 49.6 K1j21-3 y4 2.70 2.64 2.22 0.25 106.3 187.4 57.6 151.5 3.54.5 3.67 0.18 河心 ZK6 35.2 48.0 K1j21-3 y10 2.68 2.64 1.49 0.42 97.1 154.

7、8 71.1 106.3 4.57.1 0.89 9.82 3.49 0.29 全风化 砂泥岩 褐黄色碎块状，锤击易碎。 0.20.3 右岸 ZK3 0.6 4.6 K1j21-2 yF4 2.71 2.46 15.69 6.31 18.3 19.8 5.07.7 0.20.4 0.82 2.40 0.42 0.33 强风 化 砂泥岩 灰黄色，裂隙面颜色有轻微变淡，锤击有哑声。 0.40.6 右岸 ZK4 26.0 28.0 K1j21-2 yF2 2.80 2.75 1.60 0.56 25.8 13.6 5.3 0.88 4.30 2.70 0.29 左岸 ZK9 4.1 11.1 K1j

8、21-4 yF3 2.75 2.69 2.18 0.61 24.5 26.2 13.5 22.5 0.51.3 1.30 0.15 弱风化 泥质粉砂岩、泥岩 深灰、灰红色，裂隙面颜色略有锈膜浸染，锤击音清脆。 0.60.7 左岸 ZK1 27.5 31.7r K1j21-2 y7 2.82 2.75 1.89 0.67 35.2 18.9 6.2 0.65 4.40 1.88 0.30 右岸 ZK4 31.0 38.0r K1j21-2 y3 2.82 2.78 1.29 0.44 30.0 16.4 4.4 0.85 4.10 2.74 0.29 河心 ZK8 12.7 16.4r K1j2

9、1-4 y2 2.75 2.68 2.55 0.13 33.2 69.9 24.9 29.7 0.61.3 0.80 4.87 3.47 0.26 石英砂岩软弱夹层 弱风化状。 河心 2k14 r J1 0.44 0.31 右岸 2k16 r J2 J3 0.24 0.46 0.43 0.56 3. 边坡稳定性分析 控制边坡稳定的因素主要是地层岩性、地质构造、岩体的风化状况及力学特性、岩体结构、地下水、地震、地应力及人为因素等，就本工程而言，岩体结构是影响边坡稳定的最基本因素。 3.1 岩体结构对边坡稳定性的影响 由于工程区内未见有 明显的断层通过，因而岩体的结构将是直接控制边坡稳定的重要因素

10、。 3.1.1 结构面特征 工程区结构面由层面、节理、劈理面组成，延伸小于数十米，宽度小于 10 毫米，按其规模均为 级。 a) 层理面：走向 N5 30 E，以背斜轴为界，西翼倾向北西，倾角由轴部渐变至 50，东翼倾向南东，倾角由轴部渐变至 40 60，层面延伸较长，贯通性好，呈平滑舒缓波状，层厚 0.21.2 米，中 厚层状结构，此外在石英砂岩内局部夹 13 毫米的粉质泥岩，与粉砂岩接触带局部夹泥化夹层。 b) 节理面：主要发育有三组 3 . 走向 N5 30 E，倾向 SE，倾角 76 78，延伸长 414 米，贯通性较好，呈较平滑舒缓波状，宽 12 毫米，无充填，线频率 14 条米，间

11、距 0.51.2 米，节理较发育，为次块状 块状结构。 . 走向 N320 340 W，倾向 SW，倾角 45 86，延伸长 110 米，贯通性一般，呈舒缓波状，宽 12 米，无充填，线频率 13 条米，间距 0.30.6 米，节理较发育 发育，为次块状 块状结构。 . 走向 N275 300 W，倾向 SW，倾角 70 89，延伸长 18 米，贯通性差，呈齿状，平面上多成斜 列状成群分布，宽 15 毫米，石英脉充填，线频率 25 条 /米，间距 0.40.9 米，节理较发育，为次块状 块状结构。 劈理面：走向 N5 20 E，倾向 NW，倾角 74 84，延伸较长，贯通性一般，呈舒缓波状，宽

12、 13 毫米，无充填，线频率 1014 条 /米，间距 0.050.2 米，劈理发育 很发育，为碎裂结构。 3.1.2 岩体结构及结构面组合分析 由于上述近南北与近东西向结构面的纵横切割，尤以近南北走向的结构面贯通性最好，岩体多被切割为长轴方向垂直于边坡的板状，四面体及楔型岩块。根据岩体结构面（选用边坡 中部具有代表性的结构面为例）与边坡组合进行极射赤平投影分析。层面、劈理面及一组走向北北东的节理与边坡面大角度斜交，有利于边坡稳定，另一组节理面与边坡小角度斜交但倾角较陡，开挖边坡不陡于 1:0.15，无塌滑条件。但局部沿结构面交线存在不利楔型体，需做锚固处理。 N CPJ2J1NCJ1J2PB

13、B层面C :N 1 5 E ，N W 3 1 节理J 1： N 80 W， S W 8 9 节理J 2 N 10 E， N W 7 5 劈理P ：N 1 8 E ，N W 8 0 边坡B ：N 8 0 E ，S E 7 3 层理C ：N5 E ，N W 8 节理J 1： N 15 W， S W 7 6 节理J 2： N 66 W， S W 8 8 劈理P ：N 1 0 E ，N W 8 0 边坡B ：N 8 0 E ，N W 7 3 左 岸岩体结构面与边坡极射赤平投影图右 岸岩体结构面与边坡极射赤平投影图3.2 地下水的影响 工程区边坡整体处于地下水位以上，岩体透水能力较差，山坡陡峻，不利于大

14、气降水的滞留与渗透，考虑今后库区蓄水后，库水向边坡的渗透将有所增加，但蓄水位以下边坡无不利软弱结 构面，通过坝基及岸坡帷幕灌浆处理，并对边坡辅于排水措施后，地下水不对边坡的稳定产生较大影响。 4 3.3 地震及地应力的影响 工程区距澜沧江断裂带约一百公里以上，区内无活动性断裂，新构造运动迹象不明显，区域地震烈度为 7 度，历史上所发生的地震震中距工程区均在五十公里以外。 此外，工程区范围内未见不良物理地质现象，山体完整，弹性模量较高的石英砂岩与塑性泥岩相间分布，钻孔岩芯完整多呈长柱状，说明地应力不高。因此，地震与地应力对边坡稳定影响不大。 3.4 人为因素的影响 工程区地处人为活动较少的热带原

15、始沟谷雨林区，在施 工中只要加强施工工艺研究，减少爆破对边坡的破坏，对边坡稳定影响也较小。 4.边坡坡比的选定 根据水利水电工程地质手册建议值类比，微至中等风化砂、页岩互层产出的边坡，开挖坡比应为 1:0.51:0.75。从对工程边坡稳定性的各种因素综合分析，本着安全，节约的原则，对边坡坡比选定可以进一步优化。 a) 根据对岩体结构面的综合分析，边坡不陡于 1:0.15 无坍塌条件。 b) 原始地貌提示，两岸山坡均陡于 1:1，左岸悬崖 (坡比 1:0.1)高达 30 余米，右岸陡壁 (坡比 1:0.2)，也高达十多米，说明边坡可以陡于 1:0.2。 c) 区内边坡均为切层坡，岩层与边坡近于直

16、交，背斜轴部略向山内倾状，岩体由硬质岩与软质岩互层组合，受浅变质作用后，岩体强度略高于原始沉积岩，且无地下水活动。硬质岩可以较软质岩形成较陡的边坡，其间的软质岩也可在硬质岩的限制下，采取适当防护措施形成较陡的边坡。 d) 对两岸边坡按 1:0.15、 1:0.3、 1:0.5、 1:0.75 的坡比进行比较，以右岸为例，边坡高度分别为 63米、 69 米、 88 米、 116 米时，与 1:0.15 坡比开挖量相比，分别为 1、 4.5、 11.5、 25.4；边坡面积比分别为1、 1.2、 1.5、 2.3，坡度越缓，边坡规模越大，处理工程量越大，受人为因素的影响就越大。 e）边坡稳定性 C

17、SMR 系统分析 根据 边坡稳定性 CSMR 系统分析， CSMR = RMR F1 F2 F3+F4。 式中： 坡高修正系数； RMR 岩体基本质量指标； 结构面调整系数； F1、 F2、 F3 结构面方位修正系数； F4 边坡开挖方法修正系数。 5 、 岩体基本质量评价 参数 石英砂岩 泥岩 全风化 强风化 弱风化 全风化 强风化 弱风化 1 抗压强度 25 39 93 5 19 29 评分 3 5 8 1 3 4 2 RQD(%) 41 54 74 30 49 68 评分 12 13 16 11 12 16 3 结构面间距 0.5 0.8 1.2 0.1 0.3 0.4 评分 11 13

18、 16 6 9 10 粗糙度 较粗糙 较粗糙 粗糙 较粗糙 较粗糙 较粗糙 评分 2 3 4 2 2 3 充填物 无 无 无 无 无 无 评分 4 5 6 1 2 3 张开度 1-5mm 1-3mm 1mm 1-5mm 1-3mm 1mm 评分 1 2 4 1 2 4 结构 面长度 1-5m 1-5m 1-5m 1-3m 1-3m 1-3m 评分 2 3 4 4 4 4 4 风化程度 全 强 弱 全 强 弱 评分 0 1 3 0 1 3 5 地下水状态 较干燥 较干燥 较干燥 较干燥 较干燥 较干燥 透水率 0.1-0.5 0.1-0.5 0.1-0.5 0.1-0.5 0.1-0.5 0.1

19、-0.5 评分 13 13 13 13 13 13 6 总分（ RMR） 48 58 74 39 48 60 坡高修正系数： =0.57+34.4/H 左岸 1.08 51.8 62.6 79.9 42.1 51.8 64.8 右岸 1.03 49.4 59.7 76.2 40.2 49.4 61.8 、 结构面方位修正： 左岸 右岸 结构面与坡面夹角 30 30 F1 0.15 0.15 结构面倾角 10 -30 30 -50 F2 0.30 0.75 结构面与边坡面倾角夹角差 10 10 结构面与边坡面倾角夹角和 110 110 F3 0 0 合计 F1 F2 F3 0 0 、结构面条件系

20、数按 0.7 计 ，由于边坡为欠控制爆破， 其 修正 系数 F4=-5 得出边坡防护处理方法一览表。 6 边坡防护处理方法一览表 由上表可以看出：对于弱风化岩体边坡 稳定性较好，坡比可以选定为 1:0.15 并作局部喷锚与排水，对全、强风化岩体边坡稳定性差 中等，需放缓边坡进行减载处理。 5.边坡类型及处理 根据中小型水利水电勘察规范 SL55-2005边坡工程地质分类：工程区左、右两岸边坡均为 软硬岩质相间的层状斜向结构岩质高悬边坡，易产生崩塌及楔状滑动 。因此该边坡按弱风化岩体坡比 1:0.15；强风化岩体适当放缓坡比至 1:0.31:0.5；表层全风化岩体及松散体放缓坡比至 1:0.75

21、1:1 开挖后，每隔2030 米左右高差根据岩性组合选择在石英砂岩内或风化带分界附近分台 并设置宽度为 23 米的平台，其综合坡比为 1:0.35。为保证边坡的长期稳定，在边坡外围设排水沟，对各台边坡顶部设置深度达 6 米的（锁边）锚杆，对局部不良地段作锚固处理，全面喷护并在边坡中设排水孔可确保边坡安全稳定。 6。结语 南腊河电站为低水头、大流量、坝后式地方小型水电站，建筑物较为集中，因受狭窄地形条件的限制，两岸边坡必然较高，选择安全、经济的坡比对工程建设十分重要。根据对该工程区地层岩性、地质构造、岩体结构、地下水、地震、地应力及人为因素的综合分析，该工程根据所选定的边坡坡比，坝（厂）址两岸开

22、挖形成了高 达 92m 的软硬岩质相间的岩质高悬边坡，经采用排水、削坡、锚喷等方法加固处理并运行近六年来，未发现任何不良迹象，节约了大量的岩体开挖与处理，它的成功处理为中小型水电工程解决同类问题积累了一定的经验。 参考文献 1、孙玉科、牟会宠、姚宝魁，边破岩体稳定性分析，科学技术出版社， 1988 2、工程地质手册编写组，工程地质手册，中国建筑工业出版社， 1975 3、国家地震局西南烈度队，川滇强震区地震地质调查汇编，地震出版社， 1979 4、陈祖安、彭士标、郗绮霞等，中国水力发电工程工程地质，中国电力出版 社， 2000 参数 石英砂岩 泥岩 全风化 强风化 弱风化 全风化 强风化 弱风

23、化 左 岸 CSMR 46.8 57.6 74.9 37.1 46.8 59.8 岩体质量 中等 中等 好 差 中等 中等 稳定性 局部稳定 局部稳定 稳定 不稳定 局部稳定 局部稳定 破坏模式 楔形体破坏 掉块 楔形体破坏 部位 边坡中部 边坡下部 边坡顶部 加固方式 锚喷与排水 局部锚喷 与排水 减载、喷锚与排水 右 岸 CSMR 44.4 54.7 71.2 35.2 44.4 56.8 岩体质量 中等 中等 好 差 中等 中等 稳定性 局部稳定 局部稳定 稳定 不稳定 局部稳定 局部稳定 破坏模式 楔形体破坏 掉块 滑动、倾倒 楔形体破坏 楔形体破坏 部位 边坡中部 边坡下部 边坡顶部

24、 边坡顶部 边坡中部 加固处理 方式 喷锚与排水 局部锚喷 与排水 大量减载、锚喷与排水 减载、喷锚 与排水 局部锚喷 与排水 7 作者简介：王冬升（ 1963.5），男，云南宣威人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察工作。 吉贵宝（ 1970.2），男，云南麒麟人，工程师，主要从事水利水电工程勘察工作。 联系人：王冬升 地址：云南省曲靖市东星小区 -曲靖市水利电力勘测设计研究院 邮编： 655000 电话： 13368744998 Email: 8 人民珠江编辑部：您好！ 感谢您发来的补充修改意见，收阅后即按您的意见进行 了逐一修改，现回复如下： 1、根据中小型水利水电勘察规范 SL55-

25、2005边坡工程地质分类：工程区左、右两岸边坡均为 软硬岩质相间的层状斜向结构岩质高悬边坡，修改后见第 5。 2、 3.1.2 赤平投影分析已作补充，后附（工程地质图）供参考，若修改后的 3.1.2 部份附图不祥时该图也可供选用。 3、完整性系数 Kv 应为 pm2 pr2，本文结合岩石风化分带修改在第 2.4。 4、 2.4 节岩 石风化分带及物理力学性质已作补充，由于全风化上部岩石较破碎而取样困难，表中全风化岩石物理力学指标为该风化带下部岩心，力学强度比实 际偏高，拟用试验数据的小值，已对第 4、 e)部分的内容进行了修改，结论无大的变更。 5、修改稿已邮出，随函附图片几张供参考 9 51

26、5520525530535540545550515520525530535540545550555560K 1 j 21-1K 1 j 21-2K 1 j 21-3K 1 j 21-3K 1 j 21-4K 1 j 21-2K 1 j 21-3K 1 j 22-1K 1 j 22-1K 1 j 21-4K 1 j 21-3QaplQaplQedlQedlQedlQedlQedl第四系冲洪积砂砾粘土第四系残坡积含泥粘土下白垩统景星组2 段（右上角示层序：奇数为岩屑石英砂岩，偶数为砂泥岩）钻孔及编号平 洞K 1 j 21-1建筑物轮廓ZK1ZK7ZK9ZK10ZK11ZK3ZK4ZK2ZK6南腊河

27、坝体厂房背斜轴迹ZK 90 5m 10m工程区地质图 2047201922353254876858454岩层产状结构面测量点54K 1 j 22-2图 例比 例 尺K 1 j 21-4N左岸岩体结构面CJ1J2PB与边坡极射赤平投影图层面C : N 1 5 E ，N W 3 1 节理J 1 ：N 8 0 W ，S W 8 9 节理J 2 N 1 0 E ，N W 7 5 劈理P ：N 1 8 E ，N W 8 0 边坡B ：N 8 0 E ，S E 7 3 N右岸岩体结构面与CPJ2J1B与边坡极射赤平投影图层理C ：N 5 E ，N W 8 节理J 1 ：N 1 5 W ，S W 7 6 节

28、理J 2 ：N 6 6 W ，S W 8 8 劈理P ：N 1 0 E ，N W 8 0 边坡B ：N 8 0 E ，N W 7 3 边坡边界线边坡边界线边坡边界线1 515520525530535540545550515520525530535540545550555560K 1 j 21- 1K 1 j 21- 2K 1 j 21- 3K 1 j 21- 3K 1 j 21- 4K 1 j 21- 2K 1 j 21- 3K 1 j 22- 1K 1 j 22- 1K 1 j 21- 4K 1 j 21- 3Qap lQap lQed lQed lQed lZK1ZK7ZK9ZK10ZK1

29、1ZK3ZK4ZK2ZK6南腊河坝体厂房0 5m 10m工程区地质图 4720192235325487685845454K 1 j 22- 2比 例 尺比例1:1000K 1 j 21- 4N左岸岩体结构面CJ1J2PB与边坡极射赤平投影图层面C:N15 E， NW 31节理J1： N80 W， SW 89 节理J2 N10 E， NW 75劈理P： N18 E， NW 80边坡B： N80 E， SE 73N右岸岩体结构面与CPJ2J1B与边坡极射赤平投影图层理C： N5 E， NW 8节理J1： N15 W， SW 76 节理J2： N66 W， SW 88劈理P： N10 E， NW 80边坡B： N80 E， NW 73边坡边界线边坡边界线边坡边界线Qed lQed l第四系冲洪积砂砾粘土第四系残坡积含泥粘土下白垩统景星组2 段（右上角示层序：奇数为岩屑石英砂岩，偶数为砂泥岩）钻孔及编号平 洞K 1 j 21- 1建筑物轮廓背斜轴迹ZK920 岩层产状结构面测量点图 例