景電二期總干四泵站廠后邊坡危巖穩(wěn)定分析及處理建議

高豪宇

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

景電二期工程位于甘肅省景泰縣、古浪縣境內(nèi)?？偢汕狞S河左岸的五佛鄉(xiāng)鹽寺坪沿石門溝向西，經(jīng)逐級(jí)泵站提水后到達(dá)海子灘、羊胡子灘等灌區(qū)。

總干四泵站地處石門溝右岸，廠后陡崖高40～62 m，南北長(zhǎng)450 m，陡崖巖性為新近系砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖，其特點(diǎn)是穩(wěn)定性差、遇水易軟化。經(jīng)長(zhǎng)期的風(fēng)吹日曬，巖體受物理風(fēng)化、地質(zhì)構(gòu)造、地表季節(jié)性突發(fā)洪流沖蝕影響，加之在陡崖邊緣發(fā)育近于直立的卸荷裂隙，致使陡崖崖面形成多處危巖體，并在2012年5月17日廠后危巖發(fā)生崩塌，造成4號(hào)壓力管嚴(yán)重?fù)p壞。

1 基本地質(zhì)條件

景電二期工程區(qū)地形地貌帶有明顯的構(gòu)造地貌特征，差異性升降控制著侵蝕與堆積作用，山脈走向與區(qū)域構(gòu)造線相一致，大的地貌分區(qū)則多以現(xiàn)代活動(dòng)性斷裂為界?？傮w地勢(shì)呈西高東低、南高北低，以總干七泵為界，東部屬黃河水系，以褶皺隆起的中低山為構(gòu)架，其間屬新生代斷陷沉積盆地，遭受較強(qiáng)烈侵蝕與切割，多溝谷，發(fā)育有基巖山地、剝蝕丘陵及殘山、沖溝與階地、侵蝕與堆積灘地等地貌。西部屬內(nèi)陸河流域，地勢(shì)南高北低，其南部為秦家大山～長(zhǎng)嶺山等褶皺隆起的中高山區(qū)，向北依次為山麓堆積丘陵、山前沖洪積傾斜平原，騰格里沙漠。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁[1]。

四泵站位于石門溝背斜北翼的剝蝕褶皺中低山區(qū)，地勢(shì)相對(duì)較高，出露巖性主要為新近系上新統(tǒng)砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖及第四系松散堆積層。

2 邊坡工程地質(zhì)特征

2.1 地形特征

四泵站廠后陡崖危巖區(qū)為剝蝕褶皺中低山區(qū)，山體走向總體走向?yàn)楸蔽?50°，山體自西向東陡降，形成了高陡邊坡，坡度在80°以上，局部有向外凸出的反向坡或呈懸挑狀，崖高40～60 m，以西北部壓力管道段最高，達(dá)62 m。陡坡表面巖石由于巖性不同造成差異風(fēng)化，崖面有多處向內(nèi)凹進(jìn)的巖腔、空洞，最深處超過(guò)2 m，長(zhǎng)軸方向一般呈水平狀。同時(shí)，受地質(zhì)構(gòu)造及地表季節(jié)性突發(fā)洪流沖蝕，崖面有4處落水洞，加快了陡崖的卸荷崩塌的速度。

2.2 地層巖性特征

廠后陡崖主要為新近系上新統(tǒng)砂礫巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，整體上呈單斜狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀NW315°～320° NE<7°～11°。強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3 m，均為極軟弱巖石，抗壓、抗剪強(qiáng)度均低，遇水易軟化崩解，工程地質(zhì)性能差。巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[2]：砂巖巖石比重2.70，干密度2.09 g/cm3，孔隙率22.4%，天然含水量小于5%，飽和抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角19°～23°，凝聚力0.29～0.46 MPa。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

四泵站廠后陡崖區(qū)段節(jié)理裂隙較發(fā)育，以重力作用形成的崖邊卸荷裂隙為主，構(gòu)造節(jié)理裂隙次之，裂隙規(guī)模不等，產(chǎn)狀各異，傾角較陡。主要發(fā)育5組裂隙[3]：(1)NW305°～337°NE∠63°～84°，張裂隙，裂隙寬0.5～1.0 cm，延伸約6～12 m；(2)NW275°～295°NE∠76°～83°，張裂隙，裂隙寬0.5～15 cm，延伸約10～15 m；(3)NE5°～28° NW∠66°～83°，張裂隙，裂隙寬0.2～1 cm，延伸約4～12 m；(4)NE56°～74°，NW∠75°～81°，張裂隙，裂隙寬0.4～0.6 cm，延伸約5～7 m；(5)NE42°～56°NW∠31°～63°，剪裂隙，隙寬0.2～1 cm，延伸約7～10 m。各裂隙相互交錯(cuò)、切割，局部形成空洞。

3 邊坡危巖體特征

四泵站依山傍溝，泵站管槽采用人工開(kāi)挖在后山陡崖上，鋪設(shè)管道而建，提水高度55m。構(gòu)成陡崖的新近系碎屑巖，巖性軟弱，受5組裂隙的切割，在重力、地震力的作用下，沿陡崖發(fā)育的危巖體，對(duì)泵站及配套設(shè)施安全，構(gòu)成威脅。

3.1 危巖體的發(fā)育類型

四泵站廠后山陡崖的坡度一般在80°以上，高度40～60 m，新近系碎屑巖巖層產(chǎn)狀平緩，以7°～11°角傾向坡外，受5組裂隙的切割，以北西西向與陡崖面大致平行的張裂隙最為發(fā)育，是危巖體發(fā)育發(fā)展的控制性結(jié)構(gòu)面。按崩塌體變形破壞過(guò)程及形成機(jī)理，危巖體分為傾倒式、錯(cuò)斷式和拉裂式三種類型。

3.1.1 傾倒式

該類型為主要的斜坡破壞方式，由于陡坡近于直立，且有平行岸坡崖面的垂直裂隙發(fā)育，將崖面上的巖體與母巖切割分開(kāi)，形成近于直立的板狀或柱狀巖體，相對(duì)獨(dú)立，在重力卸荷及地震作用下，向坡外長(zhǎng)期蠕動(dòng)變形、裂縫拉張，巖體向外發(fā)生傾倒變形，形成危巖體。當(dāng)傾覆力矩大于抗傾覆力矩時(shí)，發(fā)展為崩塌。危巖體厚度4～6 m，沿崖面方向的長(zhǎng)度在6～15 m。該類危巖體有②#、④#、⑥#、⑦#、⑧#、⑨#危巖體。

3.1.2 錯(cuò)斷式

發(fā)育于陡崖上的60°～70°傾向坡外的張裂隙，由于傾角略小于崖面坡角，形成了上寬下窄的楔形危巖體。由于碎屑巖的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較低，在上部巖體重力作用下，沿裂隙下端與崖面間形成剪切破壞面，當(dāng)剪切面巖石的抗剪強(qiáng)度小于剪切力時(shí)發(fā)生剪切破壞，首先是沿下部剪切面發(fā)生滑移，然后再是下錯(cuò)，形成錯(cuò)落式崩塌破壞。受卸荷裂隙控制，錯(cuò)落式危巖體上部厚度6～10 m，下部厚度2～3 m,沿崖面方向的長(zhǎng)度在6～15 m。該類危巖體有③#危巖體。

3.1.3 拉裂式

由于新近系碎屑巖主要為砂巖，砂礫巖，砂質(zhì)泥巖。其組成物質(zhì)、膠結(jié)程度存在一定的差異，抗風(fēng)化能力明顯不同，在崖面上沿相對(duì)軟弱的巖層風(fēng)化形成高1.5～2.3 m的空腔，深入坡體1.0～2.0 m，水平方向長(zhǎng) 5～8 m，在空腔上部形成了相應(yīng)的老虎嘴、探頭石等懸空的危巖體，危巖體主要為膠結(jié)較好、堅(jiān)硬抗風(fēng)化能力強(qiáng)的砂巖、砂礫巖，在重力作用下長(zhǎng)期緩慢下沉在后部形成拉張裂縫，并不斷向深部發(fā)展加深加寬，最終失穩(wěn)，翻滾而下，撒落于坡面和坡腳。該類危巖體有①#、⑤#危巖體。

3.2 危巖體的分布特征

3.2.1 危巖體的分布

四泵站廠后分布9處危巖體。①#、②#位于管理房區(qū)，③#、④#、⑤#、⑥#位于泵站廠房區(qū)，⑦#、⑧#、⑨#位于供電廠區(qū)。

3.2.2 危巖體特征

①#危巖體：位于管理房西南側(cè)，陡崖高25 m，崖面總體近于直立，在12～15 m高度間有一較緩的平臺(tái)，水平寬度約3 m，西高東低，將陡崖分成上下兩部分。上部為2～3 m厚的砂礫巖層，膠結(jié)較好，局部呈負(fù)地形，崖面較為順直，在坡腳4 m高度有3處橢圓形空腔，其長(zhǎng)軸呈水平方向，長(zhǎng)度2～5 m，深2～3 m。受風(fēng)化作用影響，該處坡腳處凹向坡內(nèi)，呈負(fù)地形，深0.5～1.0 m。另外受陡崖上部匯集的暴雨后水流的沖蝕，在其東側(cè)形成一條近于直立，寬1.5 m的懸溝，深切于陡峭的巖面中，將該段陡崖分為東南、北西兩部分，東南側(cè)由于巖腔的存在，使得該部分更加孤立，不穩(wěn)定。危巖體上下部都有近于垂直的崖邊張裂隙發(fā)育，走向大致平行于崖面，上部裂縫不明顯，寬度小于1 cm ，延伸長(zhǎng)度小于10 m。下部裂縫較為明顯，寬2～5 cm，垂直延伸23 m，水平延伸30 m。危巖體厚度4.5 m，體積2 340 m3。

②#危巖體：位于管理房西側(cè)，陡崖高25 m,崖面總體近于直立，危巖體發(fā)育于陡崖底部，呈板狀或柱狀向頂部延伸，卸荷張裂隙平行發(fā)育，頻度0.3～0.5條/m。裂縫寬1～3 cm，垂直延伸16 m，水平延伸14 m。危巖體厚度4.5 m，體積1 000 m3。

③#危巖體：位于泵站南側(cè)的陡崖下部，陡崖高35 m，在16 m高度發(fā)育一較緩的平臺(tái)，坡度約為45°，上、下部崖面近于直立，由于崖底部風(fēng)化作用強(qiáng)烈，在底部形成凹槽狀巖腔，深1.0 m，多被崩坡積物充填。危巖體上下部都發(fā)育近于垂直的崖邊張裂隙發(fā)育，走向與崖面平行，上部裂縫寬8～10 cm ，下部裂縫寬2～5 cm，垂直延伸21 m，水平延伸18 m。危巖體厚度4.5 m，體積1 780 m3(圖1)。

圖1 ③#危巖體(錯(cuò)斷式) 圖2 ④#危巖體(傾倒式)

④#危巖體：位于泵站后陡崖中下部，正對(duì)泵站。山體上部較為平緩，坡度15°～30°，中下部近于直立，底部為寬闊的平臺(tái)。其西北側(cè)為一條直立的懸溝，是上部較平緩山坡匯水的集中排泄通道，呈方柱體明顯凸出崖面3～4 m，呈一孤立的山包。其底部受風(fēng)化、沖蝕作用形成凹槽，深2.4 m，高2～2.5 m，延伸10 m；其后部發(fā)育裂縫寬10～100 cm，上部寬度較大，裂縫傾角63°，面起伏不平。受后部張裂隙切割，上部寬15 m，下部寬5.0 m，呈倒楔形。危巖體平均高度22 m，寬16 m，體積2 030 m3(圖2)。

⑤#危巖體：位于泵站上水管槽南側(cè)，山頂上部為一較緩的山梁，中下部近于直立，北側(cè)為人工開(kāi)挖的管槽，西南側(cè)為一“漏斗形”小沖溝，將崖面沖刷成垂直的跌水槽。南側(cè)崖體陡峻，北側(cè)相對(duì)平緩。受人工開(kāi)挖影響，崖面裂縫較為發(fā)育，巖體破碎，部分巖體已被切割成孤立的巖柱狀。受頂部出水池滲漏影響，管槽坡面見(jiàn)白色鹽斑。危巖體在管槽邊發(fā)育多條近于直立的張裂隙，其張開(kāi)性和貫通性較好，且在下部已形成規(guī)模較大的凹槽，對(duì)管槽安全構(gòu)成大的威脅。危巖體高20 m，寬度29 m，厚度6.0 m，體積3 480 m3(圖3)。

圖3 ⑤#危巖體(拉裂式) 圖4 治理完成后場(chǎng)后邊坡

⑥#危巖體：位于泵站上水管槽北側(cè)，南側(cè)為已開(kāi)挖管槽。該危巖體已按約1:1的邊坡進(jìn)行了人工消坡處理，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

⑦#危巖體：位于供電所西南側(cè)，陡崖高約35 m。上部15 m平緩，下部20 m陡峻。危巖體北側(cè)為一沖溝，受崖面張裂隙與沖溝內(nèi)張裂隙共同切割，危巖體呈柱體明顯凸出崖面2～4 m，呈一孤立的小山包。底部受風(fēng)化、沖蝕作用形成凹槽，深1.4 m，高1～1.5 m，延伸8 m。崖面及沖溝內(nèi)發(fā)育近于垂直的崖邊張裂隙，走向大致平行于崖面，裂縫寬1～3 cm，垂直延伸16 m，水平延伸15 m。危巖體厚度6.0 m，體積1 440 m3。

⑧#危巖體：位于供電所西側(cè)，陡崖高約40 m。上部20 m較為平緩，下部20 m陡峻。南側(cè)為一沖溝，與⑦危巖體相接，底部距變電所外墻15 m。受崖面張裂隙與沖溝內(nèi)張裂隙共同切割，危巖體呈柱體明顯凸出崖面2～4 m，呈一孤立的山咀。其底部受風(fēng)化、沖蝕作用形成凹槽，深1.4 m，高1～1.5 m，延伸8 m。另外，在危巖體中部發(fā)育一“漏斗形”小沖溝，上部呈寬緩的半圓形，下部為直立的“跌水槽”。崖邊張裂隙發(fā)育，走向大致平行于崖面，裂縫寬1～3 cm，垂直延伸18 m，水平延伸12 m。危巖體厚度5.0 m，體積1 080 m3。

⑨#危巖體：位于供電所西北側(cè)，陡崖高40 m。上部20 m較為平緩，下部20 m陡峻。距變電所外墻約12 m。受崖面張裂隙切割，危巖體呈柱體明顯凸出崖面2～4 m，呈負(fù)地形。其底部受風(fēng)化、沖蝕作用形成凹槽，深1.4 m，高1～1.5 m，延伸15 m。另外，在崩塌危巖體中部發(fā)育一“漏斗形”小沖溝，上部呈寬緩的半圓形，下部為直立的“跌水槽”。崖邊張裂隙發(fā)育，走向大致平行于崖面，裂縫寬1～3 cm，垂直延伸20 m，水平延伸40 m。危巖體厚度約5.0 m，體積4 000 m3。

4 危巖體成因與穩(wěn)定性分析

4.1 影響危巖體的地質(zhì)因素

四泵站廠后危巖體是在特定的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化作用下形成和進(jìn)一步發(fā)展的，人類工程活動(dòng)、山頂出水池滲漏也有一定的影響。影響邊坡穩(wěn)定的主要因素有：

4.1.1 陡峻的地形條件

四泵站廠后邊坡位于石門砂溝河右岸Ⅳ級(jí)基座階地前緣陡崖部位。由于強(qiáng)烈的新構(gòu)造上升運(yùn)動(dòng)和河流下切影響，陡崖近于直立高度達(dá)40～60 m。全新世以來(lái)，本區(qū)氣候干燥，如此高陡的軟巖斜坡，為危巖體的發(fā)育形成，提供了有利的地形條件。

4.1.2 軟弱的地層巖性

總干四泵站廠后山體陡崖主要由新近系紅色砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖，互層狀，產(chǎn)狀平緩，傾向坡外。巖石屬極軟巖，抗壓、抗剪強(qiáng)度均低，遇水易軟化崩解。而表部巖石抗風(fēng)化能力弱，巖石破碎，易風(fēng)化剝落，形成危巖體。

4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

巖層傾向小于邊坡坡角度，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大；平行岸坡發(fā)育的卸荷張裂隙傾向與邊坡坡向一致，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大，是危巖體的控制性結(jié)構(gòu)面，且節(jié)理裂隙交錯(cuò)發(fā)育，其延伸、貫通性好，將巖石切割破碎，為大氣降水入滲提供通道。

4.1.4 差異性風(fēng)化作用

由于新近系紅砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖呈互層狀其膠結(jié)程度、抗風(fēng)化能力存在明顯差異，造成陡崖巖面上形成凹凸不平，大小不一的風(fēng)化巖腔和凹槽，尤其是在陡崖底部發(fā)育深度在2.0 m以上的連續(xù)性巖腔，對(duì)陡坡巖體穩(wěn)定極為不利。

4.1.5 地震誘發(fā)

地震時(shí)產(chǎn)生的水平地震力對(duì)陡崖的破壞作用非常大。而陡崖對(duì)地震力也有明顯的放大效應(yīng)，可以吸收和聚集大量的震動(dòng)能量破壞巖體結(jié)構(gòu)，誘發(fā)崩塌失穩(wěn)，形成危巖體。本區(qū)為地震高發(fā)區(qū)，地震活動(dòng)異?；钴S，也是形成危巖體的因素之一。

4.1.6 人類活動(dòng)

人工削坡開(kāi)挖山體，使巖石裸露地表，同時(shí)使山體坡腳失去支撐，改變了山體原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，容易引起山體兩側(cè)產(chǎn)生危巖體。

4.2 各危巖體穩(wěn)定性分析

根據(jù)勘察資料分析：四泵站廠后陡崖上新近系碎屑巖厚度大，巖性主要為砂巖，砂礫巖，砂質(zhì)泥巖，屬極軟巖，具崩解性，水理性質(zhì)差；同時(shí)巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，特別是順坡向裂隙，其傾向與邊坡坡向幾乎一致，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大。

根據(jù)地形坡向、地層產(chǎn)狀和節(jié)理裂隙產(chǎn)狀繪制赤平投影圖(圖5)。由赤平投影圖可知：

圖5 赤平投影圖

①#、②#、③#、④#、⑤#、⑦#、⑧#、⑨#危巖體邊坡均屬不穩(wěn)定型，邊坡巖性為且?guī)r體節(jié)理裂隙與坡體同向，均為高角度傾向崖外，而巖層傾向崖外，傾角較為平緩，坡體表部巖石抗風(fēng)化能力弱，巖石破碎，尤其是局部存在空腔、倒坡，易在高陡邊坡形成危巖體，將對(duì)泵站管道、廠房、供電所各設(shè)備運(yùn)行及工作人員產(chǎn)生巨大的安全隱患，需采取工程處理措施。

⑥#危巖體屬穩(wěn)定型。由于進(jìn)行了人工削坡處理，巖體節(jié)理裂隙與坡體同向，但裂隙傾角大于坡角，巖層傾向崖外，傾角較平緩，適當(dāng)處理后，邊坡穩(wěn)定。

5 處理措施及效果

根據(jù)以上分析，廠房后邊坡9處危巖體多屬不穩(wěn)定，邊坡開(kāi)挖需對(duì)各危巖體采取相應(yīng)的工程處理措施。

經(jīng)過(guò)處理后，至今已運(yùn)行5年有余，邊坡未發(fā)現(xiàn)異常變化，達(dá)到了永久治理邊坡危巖體的預(yù)期目的。

6 結(jié)語(yǔ)

以上從通過(guò)對(duì)景電二期總干四泵站廠后邊坡危巖體的發(fā)育類型、分布特征、成因類型以及穩(wěn)定性分析，選擇了相應(yīng)的工程處理措施，處理后運(yùn)行良好，達(dá)到了永久治理邊坡危巖體的預(yù)期目的。在今后的地質(zhì)工作中，合理的考慮地質(zhì)邊界條件，正確分析巖體穩(wěn)定，對(duì)工程有著重要意義。