竹子壩場(chǎng)地變形成因分析及處理

馬行東,彭仕雄,稽洪剛,肖 強(qiáng),李 楊

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 工程地形地貌

擬建竹子壩施工區(qū)場(chǎng)地位于大壩右岸和竹子壩料場(chǎng)之間,引水洞進(jìn)水口附近。場(chǎng)地靠近雅礱江側(cè),地勢(shì)開(kāi)闊,其他三面環(huán)山,地貌上類似為圍椅狀地形,場(chǎng)地后緣為竹子壩料場(chǎng)。施工區(qū)場(chǎng)地坡度約10°～25°,地勢(shì)寬闊 ;竹子壩溝常年流水,受降水的影響雨季和旱季水量變化很大。

2 地層巖性

施工區(qū)場(chǎng)地出露的地層主要為第四系崩坡積堆積(pl+dlQ4)塊碎石土、沖洪積堆積(pl+alQ3)含碎石粉質(zhì)黏土和湖積堆積的(PL+alQ3)的含碎卵石土、粉質(zhì)黏土(lQ3)及孤塊石夾少量砂卵礫石層(col+plQ3)等,下伏基巖為二疊系上統(tǒng)上段和中段的玄武巖。地層從上到下分別描述如下:

(1)塊碎石土①(p l+dlQ4)。土黃～黃褐色,松散～稍密,以碎石為主,含量約為 40%～50%,粒徑以 6～15cm為主;含塊石 20%～30%,粒徑 20～30cm;其余為壤土,局部夾有孤石。原巖成份多為玄武巖,強(qiáng)～全風(fēng)化,棱角狀。主要分布在場(chǎng)地表層。

(2)含碎石粉質(zhì)黏土②(pl+alQ4)?；尹S～灰綠色。稍濕,稍密～中密,可塑～硬塑,以粉質(zhì)黏土為主,含量約為 60%。夾有碎石,含量約 30%,塊徑3～10cm為主,局部夾有粒徑 20～50cm的塊石。原巖成份多為玄武巖,強(qiáng)風(fēng)化,棱角狀。

(3)粉質(zhì)黏土③(lQ3)。灰色～灰綠色,飽和,稍密～中密,可塑～硬塑狀態(tài),受地下水影響力學(xué)性狀較差。場(chǎng)地均有分布,其中中后緣厚度較深。

(4)含砂卵礫石塊碎石土④(pl+alQ3)。灰色～灰綠色,松散～稍密,以碎礫石為主,含量約為40%～50%,粒徑以 6～15cm為主;含少量卵石和塊石 20%～30%;其余為粉質(zhì)黏土,局部夾有孤石。原巖成分多為玄武巖,強(qiáng)～全風(fēng)化,棱角狀。主要分布場(chǎng)地的下部。

(5)孤塊石夾少量砂卵礫石層⑤(col+plQ3)。該層主要為崩積堆積形成的粒徑較大、含量較多的孤塊石,孤塊石含量約 85%～90%,夾雜少量的砂、卵石、礫石以及黏土。根據(jù)勘探情況看,該層主要發(fā)育在竹子壩場(chǎng)地中前緣,于高程 1340～1360m平臺(tái)范圍。

(6)致密狀玄武巖。致密狀(P2β3)、杏仁狀玄武巖、菊花斑狀玄武巖⑦(P2β23)、杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖夾少量紫紅色凝灰?guī)r⑧(P2β22)。

3 水文地質(zhì)條件

地下水按貯存介質(zhì)的不同可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水,受降雨補(bǔ)給,向河谷排泄。場(chǎng)地地下水與水文、氣象因素密切相關(guān),并嚴(yán)格受地形、巖性、構(gòu)造、植被等條件制約,主要由大氣降水供給。根據(jù)官地水電站壩址區(qū)環(huán)境水的水質(zhì)分析資料:地下水為 HCO3--Ca++-Na+·K+型或 Cl--HCO3--Na+·K+型水。竹子壩溝內(nèi)常年流水,其化學(xué)類型與溝水、河水相近,地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性。根據(jù)有關(guān)資料,洪水季節(jié)流量為 20m3/s,而旱季僅為 0.5m3/s,雨季的變化對(duì)竹子壩溝水影響關(guān)系密切。地下水埋藏較淺,直接受地表水影響。

另外,在初勘階段 ZBZK 03號(hào)鉆孔在孔深 49.4～50.0m(含碎卵石土)發(fā)現(xiàn)有涌水現(xiàn)象,水量 44 L/min,壓力 0.25MPa。拌和系統(tǒng)基礎(chǔ)的勘察在竹子壩 1340、1360、1380m三個(gè)平臺(tái)進(jìn)行鉆探,共完成鉆孔 21個(gè)。其中 ZKGB3在 20.5m深度附近(高程1323.5m)的第③層青灰色粉質(zhì)黏土內(nèi)有涌水現(xiàn)象,流量為 0.05～0.1L/s;ZKGC4號(hào)鉆孔在 31m深度(高程 1312.3m)附近有涌水,出水層為第③層青灰色粉質(zhì)黏土,流量 0.05～0.1L/s左右;ZKGC1號(hào)鉆孔在 29m深度附近(高程 1314.6m)的第③層青灰色粉質(zhì)黏土內(nèi)有涌水現(xiàn)象,流量為0.05L/s。竹子壩場(chǎng)地詳勘階段在 ZK 09號(hào)鉆孔34m(1308.5m)發(fā)現(xiàn)承壓水;ZK 10號(hào)鉆孔在21.4m處(高程 1322.6m)也發(fā)現(xiàn)承壓水,涌水量較大,曾發(fā)生數(shù)次塌孔現(xiàn)象;ZK 16鉆孔在 68.05m(高程 1327.24m)處發(fā)現(xiàn)承壓水。ZK 18鉆孔在28m(高程 1319.73m)處發(fā)現(xiàn)承壓水,造成塌孔現(xiàn)象。分析原因是地表水滲入到粉質(zhì)黏土③層以下,而竹子壩場(chǎng)地的粉質(zhì)黏土③層相對(duì)隔水在基巖面沒(méi)有滲流通道所形成的。另外,底部發(fā)育的F1斷層結(jié)構(gòu)松散也可能對(duì)承壓水的形成有一定的關(guān)系。

4 邊坡變形機(jī)制初步分析

4.1 邊坡地層性狀分析

場(chǎng)地粉質(zhì)黏土③層為第三系湖積沉積,層理清晰,大多近水平狀分布,后緣受地形因素影響層理局部呈傾斜,干燥狀態(tài)下呈半膠結(jié)半成巖狀,組成物質(zhì)主要為灰綠色、灰黑色、灰黃色純的黏土、粉質(zhì)黏土,成分單一,富含黏土顆粒及黏土礦物,具有干時(shí)堅(jiān)硬,壓縮性較高,遇水軟化,脫水崩解的特性;對(duì)水的靈敏度較高,在含水較多情況下,承載力低,壓縮模量小,為易滑地層。

4.2 邊坡滑坡類型

由于該層有遇水軟化的特性,因此滑面大多位于潛水影響面、承壓水影響面。加上潛水和承壓水可能影響深度不厚,使粉質(zhì)黏土具有隔水功能,這在鉆孔施工中發(fā)現(xiàn)的承壓水可以佐證,因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析,由于粉質(zhì)黏土③層的存在,場(chǎng)地邊坡很容易形成兩種類型的滑坡:

(1)粉質(zhì)黏土③頂面覆蓋層滑坡,受潛水影響,粉質(zhì)黏土表層遇水軟化,易形成滑面。覆蓋層主要為第四系殘積層、坡積層、洪積層、沖積層,甚至滑坡堆積層,沿下伏粉質(zhì)黏土③頂面發(fā)生的滑坡。

(2)粉質(zhì)黏土③基底滑坡,受承壓水影響,底部遇水軟化,易形成滑面,因此可以產(chǎn)生沿粉質(zhì)黏土③層與下伏頂面發(fā)生的滑坡。

4.3 邊坡變形成因初步分析

任何邊坡變形的形成都有其內(nèi)在因素和外在因素,二者缺一不可。粉質(zhì)黏土③變形產(chǎn)生的內(nèi)在因素可歸結(jié)為:粉質(zhì)黏土③層具有的特殊性質(zhì)。由于該層還有較多的黏土顆粒,該層存在隔水性質(zhì),因此造成該層存在潛水,底部可能存在承壓水等現(xiàn)象,加上該層具有強(qiáng)烈的親水性、吸水膨脹、脫水干裂和易于泥化的特征,使邊坡容易在該層的頂部或底部發(fā)生變形,進(jìn)而造成邊坡的破壞。粉質(zhì)黏土③變形產(chǎn)生的外在因素可歸結(jié)為:

(1)水的作用。水下滲至易滑地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,一方面可軟化粉質(zhì)黏土③,增加巖土體容重;另一方面沿滑面的滲流可產(chǎn)生上浮力。

(2)切坡開(kāi)挖作用。一方面切坡開(kāi)挖切穿了易滑地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,為滑坡的產(chǎn)生提供了滑移臨空面。

4.4 邊坡變形推測(cè)初步分析

根據(jù)詳勘階段鉆孔巖芯揭示現(xiàn)象、竹子壩拌合系統(tǒng)勘察揭示現(xiàn)象、開(kāi)挖邊坡實(shí)際揭示現(xiàn)象、監(jiān)測(cè)資料初步分析以及成因機(jī)制初步分析,竹子壩 B-B剖面可能存在 3個(gè)潛在滑動(dòng)面,C-C剖面可能存在 2個(gè)潛在滑動(dòng)面。

4.4.1 B-B剖面

(1)滑動(dòng)面 1:根據(jù)鉆孔及監(jiān)測(cè)孔出現(xiàn)異常的深度進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn) IN05、IN04、ZK 11及 1345～1347m高程之間靠竹子壩溝左側(cè)有明顯擦痕,可以形成潛在滑動(dòng)面,推測(cè)為潛在滑動(dòng)面 1(見(jiàn)圖 1),并且該潛在滑動(dòng)面與場(chǎng)地穩(wěn)定復(fù)核分析中的大滑弧基本類似。

(2)滑動(dòng)面 2:根據(jù)鉆孔 ZK 10擦痕及鉆孔ZK 09、ZK10的粉質(zhì)黏土夾層、開(kāi)挖邊坡揭示現(xiàn)象,推測(cè)潛在滑動(dòng)面 2。由于土滑體中的 CY 07號(hào)鉆孔在深部也發(fā)現(xiàn)厚約 10cm的粉質(zhì)黏土軟弱夾層,推測(cè)滑動(dòng)面 2很有可能與土滑體存在一定的聯(lián)系,可以形成一滑動(dòng)面,同時(shí)也存在土滑體的變形牽引上部的變形。另外,根據(jù)地勘資料分析,推測(cè)的潛在變形為粉質(zhì)黏土的基底變形。

(3)滑動(dòng)面 3:根據(jù)測(cè)斜孔 IN02變形部位以及前期竹子壩土滑體的勘探研究分析,可能形成潛在滑動(dòng)面 3。分析原因?yàn)楹缶壎言纬傻耐夂奢d作用力,以及黑水溝隧洞進(jìn)口施工中造成的土滑體的變形破壞(前期施工中變形滑動(dòng)明顯,后緣出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂縫,再加上人為擾動(dòng)、施工影響等,可能引起土滑體的變形滑動(dòng),進(jìn)而牽引后緣的棄渣變形,引起IN02監(jiān)測(cè)點(diǎn)的異常)。

圖1 竹子壩 B-B剖面潛在滑動(dòng)面

圖2 竹子壩 C-C剖面潛在滑動(dòng)面

4.4.2 C-C剖面

(1)滑動(dòng)面 1:根據(jù)鉆孔出現(xiàn)異常的深度進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn) ZK 12、ZK 14及 ZK 15中的擦痕、光面等,推測(cè)為潛在滑動(dòng)面 1(見(jiàn)圖 2)。

(2)滑動(dòng)面 2:根據(jù)鉆孔 17底部發(fā)育 2.05m的粉質(zhì)黏土,鉆孔 18發(fā)育 0.1m的粉質(zhì)黏土,再根據(jù)土滑體可能為上部滑動(dòng)下來(lái)等原因的綜合分析,推測(cè)沿粉質(zhì)黏土夾層可能發(fā)育一滑動(dòng)面。

5 場(chǎng)地穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)

擬建場(chǎng)地內(nèi)無(wú)斷層通過(guò),無(wú)發(fā)生強(qiáng)震的地質(zhì)條件,地震危險(xiǎn)性主要受外圍波及影響,地殼穩(wěn)定性較好,在沒(méi)有外界干擾(破壞)的情況下場(chǎng)地穩(wěn)定性較好。影響竹子壩施工場(chǎng)地整體穩(wěn)定性的主要因素為第③層的粉質(zhì)黏土層。該粉質(zhì)黏土③(lQ3)層呈灰色～灰綠色,在自然狀態(tài)下,稍密～中密,可塑～硬塑;在飽水和擾動(dòng)的情況下,呈可塑～軟塑,性狀差。該粉質(zhì)黏土層在竹子壩施工場(chǎng)地內(nèi)均有分布,其中最主要分布在 ZK10鉆孔至纜機(jī)平臺(tái)公路高程段(1340～1440m),厚度2.9～53.4m,厚度不均一,局部含有碎石,呈尖滅狀。另外,ZK 10至土滑體在底部發(fā)現(xiàn)10～30cm的粉質(zhì)黏土夾層,分析可能為潛在滑動(dòng)面。在空間上后緣(竹子壩料場(chǎng)側(cè))較厚逐漸向前緣(雅礱江側(cè))變薄,橫向上向黑水溝側(cè)逐漸變厚。根據(jù) 1340m鉆孔發(fā)現(xiàn)地層有重復(fù)現(xiàn)象,分析可能是歷史上粉質(zhì)黏土③的前緣多次發(fā)生溜滑、變形積壓所產(chǎn)生的上述現(xiàn)象。

該粉質(zhì)黏土層承載力低,力學(xué)指標(biāo)差,竹子壩施工場(chǎng)地在新的荷載加載的情況下,如若失穩(wěn),將會(huì)沿此層的頂面或底面產(chǎn)生滑動(dòng)。如相鄰竹子壩施工場(chǎng)地的黑水河3號(hào)堆渣場(chǎng)就是在堆放公路開(kāi)挖棄渣時(shí),因加載沿該粉質(zhì)黏土層產(chǎn)生失穩(wěn)而滑動(dòng),由于該粉質(zhì)黏土呈為相對(duì)隔水層,因此場(chǎng)地中厚緣產(chǎn)生較大的承壓水,場(chǎng)地承壓水產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力,進(jìn)而可能對(duì)邊坡的穩(wěn)定存在一定的不利影響。因此,應(yīng)注意承壓水對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響,并提出處理措施。

根據(jù)1344m平臺(tái)鉆孔以及土滑體鉆孔揭示的粉質(zhì)黏土的發(fā)育特征分析,土滑體可能為上部滑下的。根據(jù)詳勘階段鉆孔巖芯揭示現(xiàn)象、竹子壩拌合系統(tǒng)勘察揭示現(xiàn)象、開(kāi)挖邊坡實(shí)際揭示現(xiàn)象、監(jiān)測(cè)資料初步分析以及成因機(jī)制初步分析,竹子壩場(chǎng)地歷史上可能存在場(chǎng)地的蠕動(dòng)變形、局部溜滑等現(xiàn)象。竹子壩 B-B剖面可能存在3條潛在滑動(dòng)面,C-C剖面可能存在 2條潛在滑動(dòng)面。

6 竹子壩施工區(qū)場(chǎng)地邊坡穩(wěn)定復(fù)核分析

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用水科院陳祖煜編寫(xiě)的“邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序 STAB2008”。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)采用計(jì)條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算。根據(jù)DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,確定邊坡等級(jí)為Ⅲ級(jí),施工期安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)采用Ⅲ級(jí)邊坡要求的中值。但是開(kāi)關(guān)站為永久性建筑物,故開(kāi)關(guān)站邊坡等級(jí)提高 1級(jí),為Ⅱ級(jí)邊坡。竹子壩場(chǎng)地位于進(jìn)水口側(cè)邊坡,在電站運(yùn)行期作為工程樞紐區(qū)邊坡,按Ⅱ級(jí)邊坡考慮,運(yùn)行期安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)采用Ⅱ級(jí)邊坡要求的低值,但不低于施工期的控制標(biāo)準(zhǔn)。竹子壩施工區(qū)場(chǎng)地施工期邊坡沿滑帶滑動(dòng)的安全系數(shù)見(jiàn)表1。

7 處理措施及建議

通過(guò)對(duì)影響竹子壩邊坡穩(wěn)定變形機(jī)制的因素進(jìn)行的定性分析以及根據(jù)推測(cè)的潛在滑動(dòng)面、自動(dòng)搜索的定量計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)竹子壩場(chǎng)地可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了支護(hù)處理。

表1 竹子壩施工區(qū)場(chǎng)地施工期邊坡沿滑帶滑動(dòng)安全系數(shù)

(1)目前竹子壩施工區(qū)場(chǎng)地后緣地表沒(méi)有發(fā)現(xiàn)整體開(kāi)裂和變形滑動(dòng)跡象,但前緣 1345～1347m高程發(fā)現(xiàn)擦痕現(xiàn)象,在 1380m高程平臺(tái)進(jìn)行的鉆孔取芯揭示,粉質(zhì)黏土③(lQ3)可能存在變形的跡象,詳勘階段較多鉆孔巖芯發(fā)現(xiàn)擦痕或變形擾動(dòng)的跡象,監(jiān)測(cè)資料局部也反映了場(chǎng)地的變形異?，F(xiàn)象,同時(shí)受開(kāi)挖、降雨、地下水等不良因素影響,竹子壩溝前緣側(cè)邊坡及平臺(tái)邊坡相繼出現(xiàn)溜滑和變形,砂石系統(tǒng)的局部擋墻出現(xiàn)變形。隨著前緣邊坡進(jìn)一步的牽引破壞、運(yùn)行期的用水、地表水、地下水、承壓水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力和后期場(chǎng)地建筑物的加載等因素影響,很有可能引起運(yùn)行期場(chǎng)地的滑移,應(yīng)引起高度重視。

(2)水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。由于粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層,因此場(chǎng)地中后緣產(chǎn)生較大的承壓水,場(chǎng)地承壓水產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力,進(jìn)而可能對(duì)邊坡的穩(wěn)定具有一定的不利影響。場(chǎng)地為圍椅狀地形,為地表水的匯集區(qū),需做好地表排水工作。因此,應(yīng)加強(qiáng)地下水、地表水排水,并同時(shí)防止生產(chǎn)、生活用水滲入。地下水采用排水平洞和排水孔方式,地表水采用地表排水溝、地表封閉等措施。

(3)在竹子壩場(chǎng)地前緣 1344～1360m高程附近進(jìn)行了支護(hù)處理,其中在 1344m坡腳采用了抗滑樁、1344m～1360m坡面采用錨索框格梁支護(hù)處理。

(4)建議應(yīng)重視邊坡的穩(wěn)定狀況,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)(包括地下水)預(yù)報(bào)工作,監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)盡快投入運(yùn)行,并應(yīng)及時(shí)給相關(guān)單位反饋監(jiān)測(cè)資料,以便及時(shí)地掌握邊坡的穩(wěn)定性,隨時(shí)作好處理,保證施工期邊坡的穩(wěn)定。