河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)水利樞紐岸坡穩(wěn)定的控制作用

韓羽 楊健 李寧新

摘要：為避免工程實(shí)踐中因勘察策劃缺乏工程地質(zhì)問題預(yù)判導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，維護(hù)工程邊坡穩(wěn)定，利用“先建假設(shè)模型，后做勘察驗(yàn)證”的工程地質(zhì)問題勘察思路，結(jié)合大量工程實(shí)踐，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制論原理，在河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類基礎(chǔ)上對(duì)岸坡穩(wěn)定問題進(jìn)行了初判。在此基礎(chǔ)上，將層狀巖質(zhì)岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)分為三大類（共9個(gè)亞類），結(jié)合地貌差異，建立了山區(qū)河谷層狀巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定問題的判別原理，并據(jù)此提出了相應(yīng)的預(yù)判方法。論文研究成果對(duì)工程地質(zhì)問題勘察策劃具有借鑒作用，且對(duì)類似樞紐工程岸坡穩(wěn)定分析具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)結(jié)構(gòu);岸坡穩(wěn)定;控制作用;勘察思路;納壩水庫;貴州省

中圖法分類號(hào)：TV861

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.004

水利水電工程中樞紐建筑物多涉及邊坡問題，岸坡穩(wěn)定與否對(duì)工程選址、工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)將產(chǎn)生重大影響。通過總結(jié)大量的水利水電工程勘察設(shè)計(jì)案例，利用地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制論原理[1-2]，在河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類[3]基礎(chǔ)上提出岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類，并預(yù)判邊坡存在的風(fēng)險(xiǎn)，為水利工程選址提供指導(dǎo)意見;同時(shí)提出了山區(qū)河谷水利水電工程岸坡穩(wěn)定問題工程地質(zhì)勘察思路。

1 岸坡工程地質(zhì)穩(wěn)定問題判別思路

1.1 提出岸坡穩(wěn)定問題

在山區(qū)河谷開展工程地質(zhì)勘察，岸坡穩(wěn)定問題是主要工程地質(zhì)問題。工程實(shí)踐中，不少勘察人員困守于“先有勘探，后有地質(zhì)分析”的勘察思路，勘察策劃缺乏工程地質(zhì)問題預(yù)判，僅按規(guī)范平均布置勘探試驗(yàn)，有些項(xiàng)目競(jìng)把移民安置點(diǎn)或工程建筑物選址放在古滑坡上，直接導(dǎo)致工程存在重大風(fēng)險(xiǎn)。

將勘察對(duì)象（與工程有關(guān)的地質(zhì)體）作為系統(tǒng)加以考察[4]，提出了“先建假設(shè)模型，后做勘察驗(yàn)證”的系統(tǒng)工程地質(zhì)勘察思路，把查明工程地質(zhì)問題作為工程地質(zhì)勘察的中心任務(wù)，要基于“假設(shè)的地質(zhì)模型”進(jìn)行工程地質(zhì)問題（預(yù)）分析，據(jù)此安排勘察工作。建立起自然地質(zhì)系統(tǒng)與自然地質(zhì)體、工程地質(zhì)系統(tǒng)與工程地質(zhì)體等基本概念[5]，提出工程地質(zhì)問題分析主要就是對(duì)工程地質(zhì)體行為的預(yù)測(cè)性分析，為進(jìn)一步理解工程地質(zhì)問題并開展工程地質(zhì)問題預(yù)判提供良好的基礎(chǔ)。

工程地質(zhì)問題分析就是對(duì)上述不良行為和不良功能的預(yù)測(cè)分析，是工程地質(zhì)工作的中心環(huán)節(jié)[6];還能夠起到指導(dǎo)勘察的作用，為合理選用勘察手段，布置勘察工作量提供依據(jù)。這種指導(dǎo)勘察的工程地質(zhì)問題（預(yù)）分析就是對(duì)工程地質(zhì)問題的預(yù)判。

判別工程地質(zhì)問題時(shí)，首先是對(duì)“是否”可能存在問題作出定性分析，追求找全問題（不遺漏）;然后是對(duì)存在問題的類型進(jìn)行定性分析，追求找對(duì)問題（不誤判）。

在資料不完備時(shí)的宏觀定性分析階段（勘察策劃和外業(yè)過程）開展工程地質(zhì)問題判別，不僅能滿足勘察策劃時(shí)找出勘察重點(diǎn)的需要，且能滿足勘察過程中重大方案比選（規(guī)避重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)）需要，并據(jù)此及時(shí)調(diào)整勘察方案。

1.2 岸坡問題判別的技術(shù)思路

運(yùn)用“先建假設(shè)模型，后做勘察驗(yàn)證”的系統(tǒng)工程地質(zhì)勘察基本思路，工程地質(zhì)問題的判別采用“先有宏觀預(yù)判，后做勘察驗(yàn)證”的技術(shù)思路。結(jié)合勘察流程，工程地質(zhì)問題判別分別進(jìn)行預(yù)判、初判和復(fù)判。

工程地質(zhì)問題的宏觀預(yù)判是指：在分析已有資料的基礎(chǔ)上，提出初擬的分區(qū)（段）地質(zhì)模型后，結(jié)合規(guī)劃設(shè)計(jì)圖，開始識(shí)別各初擬分區(qū)（段）的不利因素，預(yù)判工程地質(zhì)問題，為現(xiàn)場(chǎng)查勘提出重點(diǎn)區(qū)段和重要巖土層;在現(xiàn)場(chǎng)查勘初步驗(yàn)證基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識(shí)別重點(diǎn)區(qū)（段）不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)，預(yù)判重大工程地質(zhì)問題，為編制工程地質(zhì)勘察方案（大綱）提供重點(diǎn)勘察范圍，并選擇合適的勘察手段（組合）。

勘察驗(yàn)證是指在勘察過程中不斷驗(yàn)證或修正分區(qū)（段）工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，逐步驗(yàn)證和修正工程地質(zhì)問題的判別（初判），在外業(yè)結(jié)束前完成工程地質(zhì)問題的復(fù)判。

顯然，宏觀預(yù)判是工程地質(zhì)問題判別的首要環(huán)節(jié)。由于勘察策劃時(shí)資料較少，這一環(huán)節(jié)難度最大且屬于薄弱環(huán)節(jié)。

本文進(jìn)一步把工程地質(zhì)問題定義為在工程作用和環(huán)境下相關(guān)地質(zhì)體的不良行為和不良功能，把勘察策劃和外業(yè)過程中對(duì)工程地質(zhì)問題的定性分析界定為對(duì)工程地質(zhì)問題的判別，運(yùn)用“先建假設(shè)模型，后做勘察驗(yàn)證”的系統(tǒng)工程地質(zhì)勘察思路，提出工程地質(zhì)問題判別的技術(shù)思路。針對(duì)山區(qū)河谷層狀巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定問題的預(yù)判，在完善河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類的基礎(chǔ)上完善河谷層狀巖質(zhì)岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類，并根據(jù)自然地質(zhì)系統(tǒng)的功能規(guī)律，揭示自然地質(zhì)體的性能與行為規(guī)律，建立山區(qū)河谷層狀巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定問題的判別原理并據(jù)此提出相應(yīng)的預(yù)判方法。

2 山區(qū)河谷層狀巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定問題判別

2.1 自然地質(zhì)體的性能與行為規(guī)律

根據(jù)自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能規(guī)律：雖然元素、結(jié)構(gòu)、環(huán)境3者共同決定系統(tǒng)的性狀與功能，但自然系統(tǒng)的性狀與功能主要是由結(jié)構(gòu)決定的[7]。據(jù)此得到自然地質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能規(guī)律：雖然元素（組成）、結(jié)構(gòu)、環(huán)境3者共同決定自然地質(zhì)系統(tǒng)的性狀與功能，但自然地質(zhì)系統(tǒng)的性狀與功能主要是由地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定的。

采用“自然地質(zhì)體”及其性能、行為和功能等概念，得到自然地質(zhì)體的性能與行為規(guī)律：雖然元素（組成）、結(jié)構(gòu)、環(huán)境3者共同決定自然地質(zhì)體的性能與行為，但自然地質(zhì)體的性能與行為主要是由地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定的。

2.2 岸坡穩(wěn)定問題的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制原理

如上所述，地質(zhì)體的性能與行為主要是由地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定的。據(jù)此得到地質(zhì)問題的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制原理：在組成性能不差和外部環(huán)境變化不大的情況下，地質(zhì)問題主要由岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制。

對(duì)于某具體工程，勘察范圍內(nèi)的岸坡地質(zhì)體組成（尤其是分層）基本明確而且性能良好（能夠自穩(wěn)）。岸坡地質(zhì)體的穩(wěn)定問題（不良行為）主要由岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，本文稱之為岸坡穩(wěn)定問題的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制原理。

2.3 山區(qū)河谷岸坡地貌差異的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制原理

3.1.3 加入裂隙因素的河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)

岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制邊坡穩(wěn)定，層狀順向邊坡受結(jié)構(gòu)控制尤為明顯;但裂隙結(jié)構(gòu)亦為優(yōu)勢(shì)面，在不同的岸坡結(jié)構(gòu)中加入裂隙因素，岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題將更為豐富，其中水平層狀結(jié)構(gòu)邊坡和層狀逆向結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定受裂隙結(jié)構(gòu)控制更為突出。

受裂隙影響，特別是傾向坡外的裂隙切割，將水平層狀結(jié)構(gòu)邊坡分為緩傾裂隙、中傾裂隙、陡傾裂隙3個(gè)亞類，將層狀逆向邊坡分為緩傾裂隙、中傾裂隙、陡傾裂隙3個(gè)亞類。

水平層狀巖質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡中的陡傾角裂隙常為卸荷裂隙，在勘察方案策劃時(shí)應(yīng)為重點(diǎn)，如常見的水平層狀灰?guī)r地區(qū)拱壩方案的選址;中傾裂隙和緩傾裂隙的裂隙的切割，類似層狀順層機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)面控制。層狀逆向邊坡總體穩(wěn)定性較好，但受傾向坡外的中傾、緩傾裂隙切割后亦為不利組合。

3.2 三維宏觀差異分區(qū)建模方法

勘察策劃時(shí)，通過已有資料分析和現(xiàn)場(chǎng)查勘初步驗(yàn)證，采用三維宏觀差異分區(qū)建模方法，建立初擬的河谷分區(qū)（段）地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

宏觀預(yù)判重點(diǎn)關(guān)注河谷分區(qū)（段）的三維宏觀差異。三維差異是指空間三維差異，如上下游+左右岸（側(cè)）+不同高程。根據(jù)山區(qū)河谷局域地貌單元差異的地質(zhì)成因控制原理，勘察策劃（尤其是現(xiàn)場(chǎng)查勘）可根據(jù)宏觀地貌差異識(shí)別地質(zhì)體差異。

橫河向（X）：如果兩岸地質(zhì)體（巖性或結(jié)構(gòu)）存在差異，經(jīng)常反映在兩岸地形地貌上有明顯差異，如對(duì)稱河谷與不對(duì)稱河谷等差異。

順河向（Y）：如果不同河段河谷地質(zhì)體（巖性或結(jié)構(gòu)）存在差異，經(jīng)常反映在不同河段的地貌差異，如寬谷與峽谷、對(duì)稱河谷與不對(duì)稱河谷等差異。

垂向（Z）：不同巖性在不同高程存在的巖溶或風(fēng)化差異，也經(jīng)常反映在不同高程的地形地貌差異，如軟巖緩坡與硬巖陡坡差異。

3.3 不利岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)判

3.3.1 初擬岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同河段的初擬河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，可以進(jìn)一步獲得相應(yīng)河段初擬岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

（1）橫向谷。兩岸均呈橫（切）向坡，岸坡走向?yàn)榇怪睅r層走向，兩岸岸坡巖層傾上游或下游，軟弱層面不構(gòu)成控制天然岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面。

（2）斜向谷。兩岸均呈斜向坡，坡走向與巖層走向斜交，但其中一岸屬于斜順向坡，當(dāng)其中的層面傾角為中等或存在緩傾軟弱夾層時(shí)，構(gòu)成控制岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面。

（3）縱向谷。一岸為順向坡，一般屬于不利結(jié)構(gòu)，當(dāng)層面傾角為中等或存在緩傾軟弱夾層時(shí)，構(gòu)成控制岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面;另一岸呈反向坡，傾向坡內(nèi)，不構(gòu)成控制岸坡滑動(dòng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，但具有上硬下軟結(jié)構(gòu)時(shí)，軟層構(gòu)成控制岸坡傾倒變形乃至崩塌的結(jié)構(gòu)層。

3.3.2 不利岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)判

根據(jù)初擬岸坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，據(jù)此可以預(yù)判是否（或哪一岸）存在不利岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。最為典型的有：

（1）具有上硬下軟結(jié)構(gòu)的水平層狀岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，軟層構(gòu)成控制岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層，兩岸均可能存在傾倒變形乃至崩塌問題;

（2）緩傾、中傾層狀順向岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，層面或緩傾軟弱夾層構(gòu)成控制岸坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，可能存在滑坡問題。

3.4 山區(qū)河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常預(yù)判

根據(jù)山區(qū)河谷兩岸地貌明顯差異的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制原理，提出山區(qū)河谷宏觀地貌異常預(yù)判的2個(gè)判據(jù)：

（1）縱向谷兩岸地貌正常情況下不對(duì)稱，縱向谷一旦出現(xiàn)對(duì)稱岸坡，可以預(yù)判為順向坡一側(cè)地貌異常，即順向坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常;

（2）橫向谷兩岸地貌正常情況下是對(duì)稱的，橫向谷一旦出現(xiàn)不對(duì)稱岸坡，可以預(yù)判為緩坡地貌異常，即緩坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常。

通過宏觀地貌異常識(shí)別岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常，預(yù)判岸坡不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)，據(jù)此找出勘察重點(diǎn)。在勘察周期普遍較短的現(xiàn)實(shí)面前，仍困守于“先有勘探，后有地質(zhì)分析”的勘察思路，勘察策劃缺乏工程地質(zhì)問題預(yù)判，容易誤判乃至遺漏岸坡穩(wěn)定問題而導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)重大失誤。

4 方法應(yīng)用

在貴州省望謨縣納壩中型水庫[10]建筑物區(qū)勘察中，因把該河段的縱向谷誤判為橫向谷、勘察策劃沒有識(shí)別出左岸存在的河谷地貌等異常，因而未對(duì)此開展針對(duì)性勘察而遺漏古滑坡，左岸溢洪道大部分均處于古滑坡堆積體中下部。施工圖設(shè)計(jì)被迫做出重大設(shè)計(jì)變更，增設(shè)二排抗滑樁（加錨索）進(jìn)行滑坡處理。

補(bǔ)充勘察發(fā)現(xiàn)，建筑物區(qū)河段河谷兩岸地貌差異明顯：右岸山體陡峭，基巖呈陡坡（70°-80°），770 m高程以上為土質(zhì)斜坡，坡度35°左右;左岸為土質(zhì)緩坡，坡度15°。即“橫向谷”呈現(xiàn)出明顯不對(duì)稱岸坡，左岸緩坡地貌存在異常，其中隱含地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常，勘察策劃缺乏預(yù)判識(shí)別。此外，壩軸線左岸溢洪道附近個(gè)別巖石露頭巖層產(chǎn)狀緩傾坡外，與上下游巖層產(chǎn)狀明顯不同，地質(zhì)測(cè)繪過程中沒有及時(shí)識(shí)別?？碧娇捉衣叮鹤蟀毒徠螺^厚堆積層與下伏基巖之間缺乏全強(qiáng)風(fēng)化（漸變）層，弱風(fēng)化基巖為黏性土夾塊石、碎石層呈“突變”接觸。但勘察過程中沒有及時(shí)識(shí)別。

5 結(jié)論

（1）地質(zhì)問題是在外部環(huán)境作用下地質(zhì)體的不良行為和功能。地質(zhì)問題分析就是對(duì)地質(zhì)體不良行為和不良功能的預(yù)測(cè)分析。

（2）工程地質(zhì)問題的判別，是在工程（新）作用和工程（新）環(huán)境下對(duì)相關(guān)地質(zhì)體是否可能產(chǎn)生不良行為和不良功能進(jìn)行判別。采用“先有宏觀預(yù)判，后做勘察驗(yàn)證”的技術(shù)思路，從勘察策劃就可以開展工程地質(zhì)問題的宏觀預(yù)判。

（3）根據(jù)自然地質(zhì)系統(tǒng)的功能規(guī)律，揭示自然地質(zhì)體的性能與行為規(guī)律，可以建立山區(qū)河谷層狀巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定問題的判別原理，并據(jù)此提出相應(yīng)的預(yù)判方法。

（4）采用三維宏觀差異分區(qū)建模方法，建立初擬的河谷分區(qū)（段）地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，可進(jìn)一步獲得相應(yīng)河段岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過預(yù)判不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)岸坡穩(wěn)定問題作出預(yù)判。如縱向谷兩岸地貌正常情況下不對(duì)稱，縱向谷一旦出現(xiàn)對(duì)稱岸坡，可以預(yù)判為順向坡一側(cè)地貌異常，即順向坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常;橫向谷兩岸地貌正常情況下是對(duì)稱的，橫向谷一旦出現(xiàn)不對(duì)稱岸坡，可以預(yù)判為緩坡地貌異常，即緩坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

[2] 尚彥軍，李坤.從施工地質(zhì)災(zāi)害看巖體結(jié)構(gòu)看巖體結(jié)構(gòu)控制作用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（6）：1129-1136.

[3]水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1985.

[4]李寧新.工程地質(zhì)勘察學(xué)若干理論問題探討[J].人民珠江，2005 （4）：15-17.

[5]李寧新，陳杰.工程地質(zhì)系統(tǒng)若干基本概念[A].水利勘測(cè)技術(shù)成就與展望一中國(guó)水利學(xué)會(huì)勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)2018年年會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2018.

[6]張成恭，王思敬，張倬元.中國(guó)工程地質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[7]張華夏，葉僑健，現(xiàn)代自然哲學(xué)與科學(xué)哲學(xué)[M].廣州：中山大學(xué)出版社，1996.

[8]陳德基.中國(guó)水利百科全書水利工程勘測(cè)分冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[9]SL 55-2005中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[10]中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司.貴州省望謨縣納壩水庫工程左岸溢洪道邊坡處理設(shè)計(jì)變更報(bào)告[R].廣州：中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，2014.

（編輯：唐湘茜）

作者簡(jiǎn)介：韓羽，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察研究工作。E-mail： 398911423@qq.com