去學(xué)水電站色叢組庫岸邊坡整體穩(wěn)定性分析

于立宏，鄭亞臣，范文進，韓立軍，張懷芝

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

1 工程概況

去學(xué)水電站位于四川省甘孜藏族自治州得榮縣和云南迪慶藏族自治州香格里拉縣交界部位的金沙江二級支流碩曲河干流上。水庫正常蓄水位2330m，死水位2310m，總庫容1.326億m3，瀝青混凝土心墻壩，最大壩高164.2m，裝機246MW。地震基本烈度為Ⅷ度。

色叢組位于一第四系更新統(tǒng)沖洪積階地上，階地對岸為高聳近直立高度超過800m陡崖，階地庫岸邊坡高20～25m，地形坡度65°～75°，基巖巖性為板巖，覆蓋層厚20～30m，成份主要為混合土卵石，弱膠結(jié)，密實狀態(tài)，弱透水性，混合土卵石與基巖接觸部位為一厚10～20cm的粉土質(zhì)礫層，粉土質(zhì)礫層為該區(qū)軟弱夾層，如圖1所示。覆蓋層有沿粉土質(zhì)礫層整體下滑趨勢[1]。水庫蓄水后，地下水位會被壅高，必然導(dǎo)致該區(qū)粉土質(zhì)礫層部分位于地下水位以下，由于水文環(huán)境的改變，從而導(dǎo)致粉土質(zhì)礫層性狀發(fā)生變化[2]，覆蓋層整體是否會沿著粉土質(zhì)礫層發(fā)生滑動破壞，對于去學(xué)水電站水庫蓄水方案確定、庫岸防護方案選擇、水庫是否正常運營等意義重大。

圖1 色叢組典型工程地質(zhì)剖面圖

2 色叢組庫岸邊坡整體穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質(zhì)分析

該區(qū)為階地，所以色叢組庫岸邊坡形成時間要早于現(xiàn)代河床內(nèi)覆蓋層形成的時間[3]。從圖1中可以看出，階地區(qū)基巖面已高于河流水位高程，高于河床內(nèi)河底基巖面43m，說明碩曲河在下切階地下面基巖的漫長過程中，色叢組庫岸邊坡一直處于沿粉土質(zhì)礫層下滑的狀態(tài)，在這段漫長的地質(zhì)歷史時間內(nèi)，邊坡地表不斷受到水流沖刷、風(fēng)化剝蝕作用[4]，相當(dāng)于邊坡不斷處于“卸載”過程中，最終形成了如今的邊坡地貌形態(tài)、地形剖面，邊坡在地質(zhì)歷史時期中覆蓋層不斷經(jīng)受著“成巖”作用[5]，邊坡坡體自身整體性在不斷加強。

中國地震局分析預(yù)報中心地震數(shù)據(jù)庫查明：自1515年有地震記錄以來，邊坡區(qū)可能遭受過17次Ⅴ度烈度和4次Ⅵ度烈度地震影響，其中1970年1月—2016年10月邊坡近場區(qū)就記錄到M2.0～2.9級地震46次，M3.0～3.9級地震31次，M4.0～4.9級地震12次。當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)(尤其是長者)也未見到過該區(qū)覆蓋層邊坡整體發(fā)生過滑動破壞。具體代表性強震對該工程區(qū)影響程度見表1。

由上述分析及表1中成果可以看出，該區(qū)覆蓋層邊坡在漫長的地質(zhì)歷史中經(jīng)受住了地震烈度為Ⅵ度地震作用而未發(fā)生整體破壞，說明該區(qū)可能經(jīng)受了地震動峰值加速度值至少為0.04g的地震而保持整體穩(wěn)定[6]。如果此種情況下，該區(qū)碩曲河河水位高于去學(xué)水電站水庫正常蓄水位情況，那么可以確定去學(xué)水電站蓄水后，該區(qū)邊坡依然穩(wěn)定；如果不是此種情況時，可以假定地震動峰值加速度值為0.04g地震發(fā)生時，邊坡覆蓋層整體處于不利受力狀態(tài)情況下的極限平衡狀態(tài)，即可以假定邊坡覆蓋層整體在地震動峰值加速度值為0.04g地震發(fā)生時穩(wěn)定性安全系數(shù)為1，這樣就可以在該區(qū)選擇2個典型單寬工程地質(zhì)剖面利用極限平衡公式組成方程組進行反演計算[7]，從而求出邊坡抗滑動破壞時相對保守的滑動面抗剪參數(shù)C值、φ值，受力分析原理如圖2所示。

表1 代表性強震對色叢組工程區(qū)影響程度

圖2 地震發(fā)生時物體受力原理

由圖2分析推導(dǎo)出的邊坡單位寬度極限平衡條件下穩(wěn)定性計算公式為：

(1)

式中，F(xiàn)—安全系數(shù)；G—下滑物體重力；G′—水平地震力，G′=0.04G；α—邊坡坡角；l—滑面長度；c，φ—粉土質(zhì)礫層抗剪強度參數(shù)值。

2個典型單寬剖面的具體情況見表2。

表2 2個典型單寬剖面的具體情況

剖面1-1計算過程及成果如下：

=[(3.103×107×cos 20°-0.04×3.103×107×sin 20°)·tgφ+130.8×106·c]/(3.103×107×sin 20°+0.04×3.103×107×cos 20°)

令F=1，則：

=2.439tgφ+11.104C

(2)

剖面2-2計算過程及成果如下：

=[(2.528×107×cos 20°-0.04×2.528×107×sin 20°)·tgφ+122.2×106·c]/(2.528×107×sin 20°+0.04×2.528×107×cos 20°)

令F=1，則：

=2.439tgφ+12.734C

(3)

方程(2)、(3)聯(lián)立成方程組，解得C=0MPa，tgφ=0.41。

2.2 計算分析

水庫蓄水后，因為混合土卵石透水性相對較強，庫水和地下水連通性相對較好，地下水位被壅高，一部分粉土質(zhì)礫層將會位于地下水位以下，覆蓋層會受到地下水產(chǎn)生的力作用，受地下水影響粉土質(zhì)礫層抗剪強度會降低。對地下水位以下粉土質(zhì)礫層抗剪強度參數(shù)進行折減[8]，根據(jù)葛洲壩工程泥化夾層的試驗研究資料成果，將地下水位以下的粉土質(zhì)礫層抗剪強度參數(shù)數(shù)值取2.1節(jié)算出值的0.8倍。

利用圖2分析推導(dǎo)出的計算公式為：

(4)

式中，F(xiàn)—安全系數(shù)；G1—地下水位以上下滑物體重力；G2—地下水位以下考慮地下水影響的下滑物體有效重力；α—邊坡坡角；l1—地下水位以上滑面長度；l2—地下水位以下滑面長度；C1、φ1—地下水位以上粉土質(zhì)礫抗剪強度值，C1=0.0MPa，tgφ1=0.41；C2、φ2—地下水位以下粉土質(zhì)礫抗剪強度值，C2=0.0MPa,tgφ2=0.41×0.8=0.328。

水庫正常蓄水位運行時，該區(qū)庫水位高程為2330(水庫正常蓄水位)+0.17(尾水超高值)=2330.17m，2個典型工程地質(zhì)單寬剖面的具體情況見表3。

剖面1-1計算過程及成果如下：

=(2.04×107×cos20°×0.41+0.46×107×cos 20°×0.328)/[(2.04+0.46)×107×sin 20°]=1.08

表3 2個典型工程地質(zhì)單寬剖面的具體情況

剖面2-2計算過程及成果如下：

=(0.58×107×cos 20°×0.41+0.50×107×cos 20°×0.328)/[(0.58+0.50)×107×sin 20°]=1.02

計算成果表明2個典型工程地質(zhì)剖面覆蓋層安全系數(shù)均大于1，說明水庫正常蓄水位運行工況下，2個典型的工程地質(zhì)剖面上覆蓋層整體是安全的，覆蓋層邊坡整體是穩(wěn)定的。

2.3 綜合分析

大壩建成水庫下閘蓄水后，粉土質(zhì)礫層抗剪參數(shù)軟化折減至水庫蓄水后計算所用到的參數(shù)值是一個漫長過程[9]，同時，隨著水庫的形成與運行，碩曲河河水變成庫水，水庫淤積的進行，時間的推移，淤積物會越來越多[10]，會致邊坡坡角覆蓋的淤積物沉降、密實，增加了邊坡整體穩(wěn)定性。同時，由于水庫蓄水，水位高程抬高，邊坡一部分將位于水下，地下水和庫水作用令混合土卵石層局部穩(wěn)定性受到影響而降低[11]，邊坡局部將發(fā)生變形以至破壞，邊坡局部穩(wěn)定性差的地方由于環(huán)境改變將發(fā)生坍方，將產(chǎn)生庫岸再造現(xiàn)象[12]，塌坍下來的物質(zhì)將堆積在坡角，這些物質(zhì)增加了邊坡整體穩(wěn)定性。這些因素共同作用下，該邊坡在水庫蓄水后，明顯遭受到“削坡減載”和“壓腳”作用[13]，有利于庫岸邊坡整體穩(wěn)定。

綜上分析，該區(qū)庫岸邊坡在水庫蓄水后整體穩(wěn)定性依然較好。

3 結(jié)語

如今，去學(xué)水電站水庫蓄水已二年，色叢組庫岸邊坡僅局部發(fā)生了崩塌破壞，邊坡整體沒有發(fā)生滑動破壞，也未見有發(fā)生整體滑動破壞的跡象，邊坡整體穩(wěn)定性增強了，這和分析結(jié)論相一致，說明邊坡整體穩(wěn)定性分析是正確的。

無論工程地質(zhì)條件多么復(fù)雜，在信息和科技發(fā)達(dá)的今天，只要我們加大理論和實踐相結(jié)合的力度，認(rèn)真研究分析，總會找到解決問題的途徑和方法，色叢組庫岸邊坡整體穩(wěn)定性分析是在工程地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，充分利用地震的科研成果進行的，效果較好，為大家提供了一個解決問題的思路。