夾巖水利樞紐工程庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理

萬　力, 虞　磊, 楊長(zhǎng)烜

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽　550002)

0　引言

夾巖水利樞紐[1-2]水源工程位于畢節(jié)市六沖河上游,總庫(kù)容13.25億m3,屬Ⅰ等大(1)型水利工程,庫(kù)區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。擋水建筑物為砼面板堆石壩,最大壩高154m、壩頂長(zhǎng)度405m。水庫(kù)正常蓄水位1323.00m、設(shè)計(jì)洪水位1324.03m、校核洪水位1326.06m、死水位1305.00m,放空隧洞進(jìn)口底板高程1265.00m。

水庫(kù)中部為縱向谷河段,壩址上游約18～20km段右岸順河流依次存在田壩、咪戛、周家埡口等3處同向緩傾結(jié)構(gòu)潛在不穩(wěn)定巖質(zhì)邊坡。田壩邊坡平面呈“半葫蘆”形,縱向長(zhǎng)約400m、橫向長(zhǎng)約1000m,分布面積約20萬m2，潛在不穩(wěn)定體體積約300萬m3。田壩邊坡下游約500m存在咪戛邊坡,平面近錐形,縱向長(zhǎng)約750m，橫向長(zhǎng)約800m,分布面積約37萬m2，潛在不穩(wěn)定體體積約350萬m3。田壩邊坡下游約2km存在周家埡口邊坡,平面近圓形,直徑近350m,分布面積近9萬m2，潛在不穩(wěn)定體體積約150萬m3。

近壩左岸的潘家?guī)r腳堆積體平面呈“山”字型,縱、橫向各長(zhǎng)約450m,分布面積約10萬m2、潛在不穩(wěn)定體體積約250萬m3。

1　邊坡基本工程地質(zhì)條件

邊坡總體呈斜坡地形。前緣河道寬20～40m，水深2m左右,砂卵礫石層覆蓋。

1.1　田壩邊坡

田壩邊坡坡角10°～30°，一般約25°,坡上有村民居住,邊坡最大高度近90m。地層巖性為(T1yn2-2)灰色薄、中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r與灰、紅灰色薄—中厚層泥巖不等厚互層,強(qiáng)風(fēng)化帶厚3～8m。巖層呈單斜構(gòu)造傾向河床，產(chǎn)狀10°∠20°,泥巖中發(fā)育多層貫通性好的泥夾巖屑型軟弱層面形成潛在滑面,最低層潛在滑面出露在河床附近,潛在滑體重心高程約1294m。岸坡地下水位埋深50m以內(nèi)，成庫(kù)前均位于最低潛在滑面以下。田壩邊坡基本工程地質(zhì)條件見圖1。

圖1　田壩邊坡典型縱剖面

1.2　咪戛邊坡

咪戛邊坡坡角5°～40°，一般約25°,坡上有較多村民居住,邊坡最大高度近180m，受張拉裂隙切割位于下部的主要邊坡高度近120m。地層巖性及強(qiáng)風(fēng)化帶厚與田壩邊坡基本相同。巖層呈單斜構(gòu)造傾向河床，產(chǎn)狀30°∠18°,泥巖中發(fā)育多層貫通性好的泥夾巖屑型軟弱層面形成潛在滑面,最低層潛在滑面出露在河床附近,潛在滑體重心高程約1301m。岸坡地下水位埋深50m以內(nèi)，成庫(kù)前均位于最低潛在滑面以下。咪戛邊坡基本工程地質(zhì)條件見圖2。

1.3　周家埡口邊坡

周家埡口邊坡坡角5°～50°、一般近30°,邊坡最大高度近240m。地層巖性為(T1yn3)灰、深灰色中厚層致密塊狀灰?guī)r,淺灰色厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)化帶厚3～8m。巖層呈單斜構(gòu)造傾向河床，產(chǎn)狀30°∠20°,邊坡底部發(fā)育的薄層泥灰?guī)r層形成潛在滑面,最低層潛在滑面出露在河床以上約30m的岸坡附近,潛在滑體重心高程約1407m。岸坡地下水位埋深一般超過100m,成庫(kù)前均位于最低潛在滑面以下。周家埡口邊坡基本工程地質(zhì)條件見圖3。

圖2　咪戛邊坡典型縱剖面

圖3　周家埡口邊坡典型縱剖面

1.4　潘家?guī)r腳堆積體

潘家?guī)r腳堆積體地形總體上下陡中間緩,上部坡角25°～40°,一般約30°;中部坡角10°～30°,一般近20°;下部坡角20°～45°,一般約35°,邊坡最大高度約220m。堆積體厚一般30～40m,主要分3層堆積,底部黏土質(zhì)礫石層厚3～8m,具有不連續(xù)性;下部碎石土層厚8～15m,塊碎石主要由軟質(zhì)巖構(gòu)成;表部碎石土層厚20～30m,主要由硬質(zhì)塊碎石鈣質(zhì)半膠結(jié)形成;河床堆積體厚近15m,由砂卵礫石層構(gòu)成、結(jié)構(gòu)密實(shí)。基巖面傾向河床并在河床面附近出露,傾角上部一般30°以上,下部20°左右。下伏地層巖性主要為(T1f2-4)薄—中厚層含砂質(zhì)、鈣質(zhì)泥巖及薄—中厚層鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖,強(qiáng)風(fēng)化帶厚15～20m,巖層呈單斜構(gòu)造傾上游偏右岸,產(chǎn)狀292°∠23°。堆積體重心高程約1297m。成庫(kù)前岸坡地下水位埋深一般在基巖面以下5～10m。潘家?guī)r腳堆積體基本工程地質(zhì)條件見圖4。

1.5　主要巖土物理力學(xué)參數(shù)

庫(kù)區(qū)4個(gè)邊坡穩(wěn)定性分析所采用的重度γ、凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ等主要巖土物理力學(xué)參數(shù)[3]見表1。

圖4　潘家?guī)r腳堆積體典型縱剖面

表1巖土主要物理力學(xué)參數(shù)取值

Table 1Values of main physical and mechanical parametes of rock and soil

邊坡名稱邊坡部位主要巖性γ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)天然飽和天然飽和天然飽和田壩潛在滑體灰?guī)r、泥灰?guī)r與泥巖互層25．025．580070045．038．0潛在滑面泥夾巖屑型軟弱層面25．025．5302522．018．0咪戛潛在滑體灰?guī)r、泥灰?guī)r與泥巖互層24．525．040030033．029．0潛在滑面泥夾巖屑型軟弱層面24．525．0302522．018．0周家埡口潛在滑體灰?guī)r、泥灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r25．526．01150100055．050．0潛在滑面薄層泥灰?guī)r25．025．5655027．022．0潘家?guī)r腳堆積體表部灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r崩塌半膠結(jié)22．023．51219037．532．0堆積體下部泥巖、粉砂巖崩塌密實(shí)堆積21．022．01405830．527．3堆積體底部硬至可塑狀粘土質(zhì)礫石層19．020．0241822．019．0

2　整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1　定性評(píng)價(jià)

2.1.1巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性

水庫(kù)中部縱向谷河段右岸的田壩、咪戛和周家埡口3個(gè)斜坡地貌巖質(zhì)邊坡,均存在傾向河床的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面或薄層軟質(zhì)巖構(gòu)成的潛在滑面。潛在滑體總體屬硬質(zhì)巖、不會(huì)產(chǎn)生潰屈或傾倒變形破壞,主要變形破壞形式為沿著潛在滑面產(chǎn)生整體平面滑動(dòng),根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn),最低潛在滑面以上潛在滑體的整體穩(wěn)定性一般最低。田壩、咪戛兩個(gè)邊坡潛在滑體重心低于死水位,即使形成滑坡產(chǎn)生涌浪的可能性小[4],對(duì)水工建筑物的危害較輕、邊坡級(jí)別為4級(jí)[5],但其移民搬遷水位線以上仍有較多村民居住,邊坡級(jí)別為2級(jí)[6-7]。周家埡口邊坡潛在滑體重心高于死水位,一旦形成滑坡將產(chǎn)生涌浪,對(duì)水工建筑物的危害不嚴(yán)重，邊坡級(jí)別為3級(jí)。

巖質(zhì)邊坡現(xiàn)狀地下水位在最低潛在滑面以下,天然狀態(tài)的潛在滑面內(nèi)摩擦角均大于傾角15%以上、邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。成庫(kù)后水位上升超80 m,地下水位上升導(dǎo)致潛在滑面軟化、強(qiáng)度降低,其軟化系數(shù)0.80左右。田壩和咪戛邊坡大部分潛在滑面被淹，整體穩(wěn)定性降低10%左右；周家埡口邊坡僅30%潛在滑面被淹、整體穩(wěn)定性降低不明顯；田壩和咪戛邊坡因大部分潛在滑體被淹、庫(kù)水位消落過程中整體穩(wěn)定性降低更明顯。

2.1.2潘家?guī)r腳堆積體穩(wěn)定性

堆積體下限大部分為分布在中下段的黏土質(zhì)礫石層軟弱接觸帶,對(duì)堆積體的變形破壞模式起控制作用。堆積體表部和下部強(qiáng)度較高、坡角不陡,變形破壞類型主要為堆積體內(nèi)弧型與軟弱接觸帶折線型組合的整體復(fù)合滑動(dòng)破壞。下伏基巖為橫向坡、基巖面不陡,不會(huì)產(chǎn)生整體形破壞。堆積體離樞紐工程區(qū)較近,對(duì)水工建筑物的危害較嚴(yán)重,邊坡級(jí)別為2級(jí)。

堆積體現(xiàn)狀地下水位基本在接觸帶以下,天然狀態(tài)的接觸帶內(nèi)摩擦角略大于傾角，邊坡現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定。成庫(kù)后水位上升超110 m,地下水位上升導(dǎo)致軟弱接觸帶軟化、強(qiáng)度降低,其軟化系數(shù)0.85左右。軟弱接觸帶幾乎全淹、整體穩(wěn)定性降低近20%,庫(kù)水位消落過程中還將進(jìn)一步降低,成庫(kù)后整體不穩(wěn)定。

2.2　定量評(píng)價(jià)

2.2.1運(yùn)用條件及工況

結(jié)合現(xiàn)狀、水庫(kù)特征水位及洪水調(diào)節(jié)情況,邊坡運(yùn)用條件分為正常、非常Ⅰ兩種,主要包括以下工況:

(1)現(xiàn)狀。河道天然常水位(工況1)。

(2)運(yùn)行期。正常運(yùn)用條件:①水庫(kù)正常蓄水位(工況2)；②水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位(工況3)；③水庫(kù)死水位(工況4)；④水庫(kù)正常蓄水位經(jīng)常性降落至死水位(工況5)。

非常運(yùn)用條件Ⅰ:①水庫(kù)校核洪水位(工況6)；②水庫(kù)正常蓄水位非常降落至放空隧洞進(jìn)口底板(工況7)；③水庫(kù)正常蓄水位遭遇暴雨(工況8)。

2.2.2整體穩(wěn)定性系數(shù)

庫(kù)區(qū)3個(gè)巖質(zhì)邊坡按不平衡推力傳遞法、堆積體按摩根斯頓—普賴斯法計(jì)算,不同工況下的整體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)

2.2.3整體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

3個(gè)巖質(zhì)邊坡現(xiàn)狀整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)1.50左右，整體穩(wěn)定。成庫(kù)后田壩、咪戛兩個(gè)邊坡整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù),正常運(yùn)用條件下均在1.24以上,高于4級(jí)邊坡相應(yīng)安全系數(shù)上限1.15,非常運(yùn)用條件Ⅰ下均在1.10以上，達(dá)到相應(yīng)上限1.10,整體穩(wěn)定性符合規(guī)范要求;若其移民搬遷水位線以上村民不搬遷,整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)盡管在正常運(yùn)用條件下高于2級(jí)邊坡相應(yīng)安全系數(shù)下限1.20,但在非常運(yùn)用條件Ⅰ下卻達(dá)不到其下限1.15,故邊坡上村民不搬遷時(shí)整體穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求。成庫(kù)后周家埡口邊坡整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù),各運(yùn)用條件下均在1.41以上,高于3級(jí)邊坡正常運(yùn)用條件下安全系數(shù)上限1.20,整體穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

潘家?guī)r腳堆積體現(xiàn)狀整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)1.14，整體基本穩(wěn)定。成庫(kù)后整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)大多低于0.95,整體穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求。

3　結(jié)論及建議

3.1　結(jié)論

(1)水庫(kù)中部縱向谷河段右岸,分布田壩、咪戛和周家埡口3個(gè)同向緩傾結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡,現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。水庫(kù)蓄水后,整體穩(wěn)定性下降但仍符合規(guī)范要求,但邊坡的安全性滿足不了村民繼續(xù)居住的要求。

(2)近壩左岸的潘家?guī)r腳堆積體現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定,水庫(kù)蓄水后整體穩(wěn)定性下降明顯,整體變得不穩(wěn)定,須采取可靠的治理措施。

3.2　建議

(1)田壩、咪戛兩個(gè)邊坡移民搬遷水位線以上居住的村民須搬遷。水庫(kù)中部縱向谷河段右岸3個(gè)巖質(zhì)邊坡的防治,以坡面排水及最低潛在滑面頂部外地表截水等措施為主；對(duì)田壩、咪戛兩個(gè)重心較低的邊坡,輔以一定的變形觀測(cè)措施；對(duì)重心較高的周家埡口邊坡,輔以必要的表面位移變形監(jiān)測(cè)措施。

(2)若田壩、咪戛兩個(gè)邊坡移民搬遷水位線以上居住的村民搬遷困難,除了采取排水和監(jiān)測(cè)措施外,還要采取減載、支擋或兩者相結(jié)合的加固措施。但加固措施施工難度復(fù)雜、投資大。

(3)潘家?guī)r腳堆積體除采取坡面排水、周界外地表截水及表面位移、地下水位滲流監(jiān)測(cè)等必要措施外,綜合比較壓坡、減載、坡體排水或多種措施相結(jié)合的可能治理措施,及抗滑樁、錨索、化學(xué)注漿或多種措施相結(jié)合的可能加固措施,采用上部削方減載、下部壓坡的治理措施安全可靠，技術(shù)可行最適用，經(jīng)濟(jì)合理。

(4)SL386—2007中,邊坡級(jí)別的確定以對(duì)水工建筑物的危害程度為基礎(chǔ)。對(duì)一些有居民居住的庫(kù)區(qū)邊坡,離大壩等主要水工建筑物較遠(yuǎn),即使形成滑坡對(duì)其危害可能不嚴(yán)重或較輕,以此為基礎(chǔ)確定的邊坡級(jí)別一般較低。此類邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理,建議參照以危害非城鎮(zhèn)居民的自然邊坡作為防治對(duì)象的相關(guān)DZ類標(biāo)準(zhǔn)。

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