貴州某水庫(kù)工程壩址右岸堆積體穩(wěn)定分析

趙之舉, 趙一桐

(1.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434; 2.三峽大學(xué),湖北 宜昌 443002)

中國(guó)西南地區(qū)山高坡陡,河谷發(fā)育史中曾出現(xiàn)強(qiáng)烈的下切侵蝕,大地地貌多以剝蝕—堆積的中高山地貌為主,自然邊坡處于斜坡變形破壞的活躍期[1]。在長(zhǎng)期的重力地質(zhì)作用及降雨等作用下往往形成一些成因和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型堆積體[2],這些堆積物在極端條件下極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,給工程建設(shè)和居民生活帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅和影響。水庫(kù)工程邊坡相對(duì)于公路、鐵路、礦山等其他工程,易于受到水環(huán)境的影響,因此具有更多的復(fù)雜性和特殊性[3]。

貴州某水庫(kù)工程位于道真縣洛龍鎮(zhèn)附近,擬建水庫(kù)最大壩高約50 m,樞紐建筑物主要有堆石混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸取水兼放空及生態(tài)防水設(shè)施等。影響水庫(kù)壩址選擇的關(guān)鍵性問(wèn)題是高臺(tái)壩上壩址右岸上游側(cè)的堆積體,該堆積體的分布厚度、結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性對(duì)大壩壩址、壩型選擇、樞紐建筑物布置及水庫(kù)運(yùn)行均意義重大。鑒于該地區(qū)降雨集中、雨量充沛、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā),開(kāi)展了可行性研究專項(xiàng)勘察研究工作。在查清堆積體的邊界條件物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征情況下,分別對(duì)天然工況、降雨工況、水庫(kù)運(yùn)行工況下堆積體的局部滑弧穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性進(jìn)行了定性定量分析,為大壩壩型及樞紐建筑物布置的可行性研究提供可靠的依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

工程區(qū)位于鄂黔滇中山區(qū)西北部、毗鄰四川盆地。工程所在區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候,降雨多發(fā)生在5—10月,多年平均降水量1 049.4 mm,降水較豐沛。水庫(kù)壩址處河谷呈較對(duì)稱的“V”型,河谷寬度約100 m左右,左岸地形坡度多在30°～46°,右岸地形坡度多在25°～40°。水庫(kù)擬建混凝土重力壩,壩高約49 m,正常蓄水位875.0 m,壩頂高程879 m,抬高水頭30 m。

工程區(qū)地層為志留系中統(tǒng)韓家店組(S2h)灰色頁(yè)巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖,巖層呈單斜產(chǎn)出,產(chǎn)狀傾向121°～135°,傾角20°～24°,巖層傾向河流下游,河谷為橫向谷。工程區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,地震動(dòng)峰值加速度0.05g,相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

高臺(tái)壩上壩址右岸壩軸線上游100～130 m處發(fā)育6#沖溝,沖溝上游溝腦位于二疊系灰?guī)r陡坎下部、高程約1 100 m,溝口河床高程845 m,高差約255 m。沖溝發(fā)育長(zhǎng)度約600 km,沖溝比降0.42%,其中上部地形坡度35°～45°,中下部地形坡度14°～18°。

2 結(jié)構(gòu)特征

6#-1堆積體分布于壩址右岸上游側(cè)的6#沖溝中下部。堆積體后緣高程930 m,前沿高程845 m,地形坡度14°～18°?，F(xiàn)狀沖溝分布于堆積體軸線上游側(cè),溝心有季節(jié)性流水,沖溝切割深度1～2 m。堆積體坡面形態(tài)呈多級(jí)臺(tái)坎,坎高一般1.0～3.0 m,為人工開(kāi)荒修筑的梯田(見(jiàn)圖1)。堆積體沿6#沖溝呈NE向條帶狀展布,前沿呈扇形堆積于溝口,后緣寬度約65 m,中部寬度約150 m,扇緣寬度約340 m,分布面積約4.25萬(wàn)m2。

圖1 6#-1堆積體現(xiàn)狀地形地貌圖Fig.1 Topographic map of 6#-1 accumulation body

勘探揭示,堆積體成分主要由下部的①層碎、塊石和上部的②層含礫粉質(zhì)粘土及碎礫石層組成,結(jié)構(gòu)不均。

① 層粗粒土—碎塊石,粒徑一般2～20 cm,呈棱角狀—次棱角狀,成分多為灰?guī)r,夾有含礫粉質(zhì)粘土,呈松散—稍密狀,局部有架空現(xiàn)象,具明顯的崩坡積堆積物特征。

② 層細(xì)粒土—含礫粉質(zhì)粘土,分布于堆積體表部及洪積扇前緣,厚度一般2.0～4.5 m,可塑—硬塑狀。下游溝口附近土體因含水量大、呈軟塑—可塑狀。堆積物與下伏基巖接觸良好,未見(jiàn)剪切滑動(dòng)面。中部—前緣表層分布的含礫粉質(zhì)粘土及碎礫石層層理明顯,具顯著的洪積成因特征。

堆積體上游鉆孔揭示無(wú)地下水位,僅下游856 m高程處地下水埋深約3.5 m。鉆孔揭示堆積體厚度14.5～20 m,總方量約為41萬(wàn)m3,其中水庫(kù)正常蓄水位875 m以上12.4萬(wàn)m3,正常蓄水位以下28.6萬(wàn)m3。堆積體地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 6#-1堆積體工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of 6#-1 accumulation body1.頁(yè)巖(S2h);2.碎石土鉆孔及編號(hào);4.弱風(fēng)化下限;5.含礫粉質(zhì)粘土含碎石粉質(zhì)粘土弱風(fēng)化下限。

3 成因分析

第四系堆積物的成因一般根據(jù)地面調(diào)查、走訪并結(jié)合勘探揭示的堆積體物質(zhì)組成綜合分析。

從堆積體周邊地貌形態(tài)來(lái)看,后緣與基巖或殘坡積層接觸,未見(jiàn)明顯的滑坡拉裂壁及下沉臺(tái)坎。兩側(cè)與基巖或殘坡積層接觸,未見(jiàn)滑坡壁跡象,兩側(cè)山體坡面平順,為坡面流自然侵蝕切割形成,堆積體周邊無(wú)滑坡形成的地貌特征,故可排除堆積體滑坡成因。

從堆積物成分來(lái)看以二疊系(P)灰?guī)r塊石、碎石為主,而堆積體兩側(cè)及后緣邊界均為志留系韓家店組的頁(yè)巖,因此6#-1堆積體碎塊石部分應(yīng)主要來(lái)源于溝腦以上坡頂灰?guī)r陡坎的早期崩塌堆積。

從堆積體結(jié)構(gòu)特征來(lái)看,堆積體下部碎塊石層具架空現(xiàn)象,上部含礫粉質(zhì)粘土及礫石層具洪流沉積層理,因此堆積體應(yīng)為崩坡積、洪積混合堆積形成[4]。

堆積體沖溝頂部為二疊系灰?guī)r高陡邊坡,受重力作用早期巖體卸荷崩塌并沿坡面滾落堆積于沖溝形成崩塌堆積物。后期堆積體后緣以上坡面殘坡積層及其滑塌體在雨季面流剝蝕、沖溝洪流推動(dòng)下,碎屑推移質(zhì)逐漸下移并堆積于沖溝內(nèi)崩坡積碎塊石層之上和溝口處,在大雨、暴雨等強(qiáng)降雨條件下,歷史上沖溝曾形成過(guò)短暫的泥石流并堆積于溝口、形成洪積扇。綜合地形地貌及勘探揭示成果,該堆積體為崩塌堆積、坡洪積共同作用形成的產(chǎn)物,新近期以坡洪積堆積為主。

4 穩(wěn)定分析

4.1 定性分析

堆積體總體地形坡度均勻,坡面人工開(kāi)挖的臺(tái)坎可見(jiàn)成層分布、較為穩(wěn)定的細(xì)粒土硬殼層。坡體完整、坡面未見(jiàn)裂縫、沉陷及滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象,初步分析現(xiàn)狀堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 穩(wěn)定計(jì)算

4.2.1參數(shù)取值

根據(jù)鉆孔原位動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,并結(jié)合邊坡反算法綜合確定的邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil

4.2.2計(jì)算方法

計(jì)算采用規(guī)范推薦的條塊極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,按其簡(jiǎn)化方式和假設(shè)條件不同可分為瑞典(Ordinary)、畢肖普(Bishop)、簡(jiǎn)布(Janbu)、摩根斯坦—普萊斯(M-P)等方法。

根據(jù)場(chǎng)地基本地質(zhì)條件和邊坡結(jié)構(gòu)特征,選取沿堆積體中軸線地質(zhì)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算(計(jì)算剖面見(jiàn)圖2),分別考慮天然、水庫(kù)蓄水、暴雨、水庫(kù)蓄水+暴雨四種工況邊坡體運(yùn)行條件,并以搜索覆蓋層內(nèi)淺層圓弧滑動(dòng),以及指定基—覆界面為底滑面的破壞模式來(lái)計(jì)算堆積體邊坡的穩(wěn)定性[5]。

4.2.3計(jì)算結(jié)果

堆積體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,其中極限平衡M-P法二維計(jì)算模型如圖3-圖7所示。

表2 各工況堆積體穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)一覽表Table 2 List of safety coefficient for calculating stable accumulated bodies under various working condition

圖3 天然、最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation of natural and most dangerous sliding arc

圖4 水庫(kù)蓄水、最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算示意圖Fig.4 Calculation of reservoir water storage and most dangerous sliding arc

圖5 天然、指定底滑面穩(wěn)定計(jì)算示意圖Fig.5 Schematic diagram for stability calculation of natural and specified bottom

計(jì)算結(jié)果表明,各工況下堆積體邊坡沿最危險(xiǎn)滑弧面滑動(dòng)的安全系數(shù)K均>1.16,沿基巖面滑動(dòng)的安全系數(shù)為2.70,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求的大壩邊坡標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)為1.05～1.1。可見(jiàn),天然工況、暴雨工況及水庫(kù)蓄水工況下堆積體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 暴雨、最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算示意圖Fig.6 Calculation of rainstorm and most dangerous sliding arc

圖7 蓄水+暴雨、最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算示意圖Fig.7 Calculation of storage+rainstorm and most dangerous sliding arc

5 結(jié)論

(1) 鉆孔勘探揭示,堆積體成分主要由下部的①層碎、塊石和上部的②含礫粉質(zhì)粘土及碎礫石層組成,結(jié)構(gòu)不均。

(2) 堆積體未見(jiàn)明顯的裂縫及沉陷,周邊未見(jiàn)滑坡壁,堆積物成分以灰?guī)r塊石、碎石為主,下部碎塊石層具架空現(xiàn)象,上部含礫粉質(zhì)粘土及礫石層具洪流沉積層理,堆積體為崩坡積、洪積混合堆積形成。

(3) 天然狀態(tài)、水庫(kù)蓄水、暴雨等四種工況運(yùn)行條件下,堆積體沿最危險(xiǎn)滑弧及指定基—覆界面滑動(dòng)的安全系數(shù)均>1.16,現(xiàn)狀堆積體及運(yùn)行期各種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 堆積體對(duì)壩址、壩型選擇及樞紐建筑布置影響不大,由于上述結(jié)論是在現(xiàn)狀地形地貌條件下進(jìn)行的計(jì)算分析,對(duì)于工程建設(shè)施工開(kāi)挖后的邊坡仍需根據(jù)開(kāi)挖情況另行進(jìn)行穩(wěn)定分析,并采取必要的支護(hù)處理。

(5) 水庫(kù)工程建成后,壩前水庫(kù)淤積作用將有利于堆積體邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。