西藏拉洛水利樞紐工程近壩堆積體穩(wěn)定性分析

張 濤，黃振偉，趙冰波，潘 坤

(1.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

青藏高原平均海拔4 000 m以上，號稱“世界屋脊”，在強烈的構(gòu)造運動和地表營力的共同作用下，溝壑縱橫，高寒、缺氧，自然環(huán)境惡劣且獨特。一直以來，西藏受制于特殊的地理環(huán)境，社會經(jīng)濟發(fā)展較內(nèi)地慢。隨著近年來國家經(jīng)濟實力和科技水平的提升，西藏地區(qū)社會經(jīng)濟加速發(fā)展，開始大力興建水利水電等大型基礎設施工程。然而，河谷邊坡在經(jīng)歷河流下切作用和構(gòu)造變形的破壞作用下，產(chǎn)生強烈的表生改造，形成了大量成因復雜的大型堆積體邊坡。小型堆積體邊坡規(guī)模小，成因及工程地質(zhì)特性易查清，可通過清方和整體加固處理，難度小、成本低；大型堆積體邊坡處理難度大，其穩(wěn)定性問題是相關工程建設的重要挑戰(zhàn)[1-2]。

對于大型堆積體邊坡的穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外專家學者進行了大量研究，主要包括成因機制[3-6]、空間效應[7-10]、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特性[11-12]、力學試驗[13-16]、穩(wěn)定性數(shù)值模擬[17-19]等。其中，關于成因機制、空間效應、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征的研究方法已相對成熟，但是在基于力學試驗研究基礎上獲取堆積體穩(wěn)定性計算參數(shù)方面，受堆積體物質(zhì)介質(zhì)的復雜性和試驗方法的局限性等影響，參數(shù)選取的合理性與實際存在一定偏差，仍需結(jié)合具體對象進行工程地質(zhì)類比，參考相關工程經(jīng)驗選取合理參數(shù)。因此，以西藏拉洛水利樞紐工程為例，開展相關大型堆積體邊坡穩(wěn)定研究工作具有重要的工程價值。

西藏拉洛水利樞紐工程位于雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲上，主要任務為灌溉兼顧供水、發(fā)電和防洪，并促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善[20]。水庫正常蓄水位4 298 m，總庫容2.965億m3。建筑物主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪消能建筑物、導流建筑物、過魚建筑物組成，壩型為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大高度61.5 m，壩頂高程4 305 m，壩長425.6 m。本文研究的2號堆積體位于壩址上游側(cè)，距大壩僅105 m，引水隧洞及導流洞進口均位于堆積體內(nèi)(圖1)。施工中對中、下部進行的大量開挖以及后期水庫蓄水等因素，會對該堆積體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。該堆積體一旦失穩(wěn)，將危及邊坡中、下部引水隧洞和導流洞進口安全。此外，水庫蓄水后，堆積體位于近壩庫段，失穩(wěn)后可能堵塞河道，使水庫失去功效。因此，應對堆積體進行穩(wěn)定性分析計算，為該工程可行性研究階段壩址選擇提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

圖1 堆積體邊坡地貌Fig 1 Geomorphic features of the accumulation slope

1 堆積體基本特征

2號堆積體兩側(cè)及其后緣為基巖陡坎，平面形態(tài)上似“圈椅”狀。在平面上，堆積體前緣順河向長850 m，橫河向?qū)?05～440 m，前緣較后緣有更為寬敞的空間。后緣高程3 720～4 140 m，河床高程3 635 m，地表坡度36°左右，中部發(fā)育一沖溝。根據(jù)地表地質(zhì)測繪及鉆探揭露、地面物探解譯成果，堆積體平面分布面積19.3萬m2，基覆界面起伏，厚度一般為14～45 m，最厚處可達50余m，體積約483萬m3，為一大型敞口型堆積體。

堆積體內(nèi)地下水為孔隙水，堆積體本身為崩坡積粗粒土，滲透性強。根據(jù)前期調(diào)研及鉆孔揭露，旱季堆積體內(nèi)基本上無地下水；雨季堆積體坡表或沖溝會有暫時性洪流，坡體內(nèi)地下水變動頻繁，總體較低。地下水主要受大氣降水補給，含水量一般較小。

2 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

2.1 物質(zhì)組成

堆積體是一種由不同大小土顆粒組成的混合物，粒徑級配是描述其土體結(jié)構(gòu)的主要方式，也是反映其物理力學性質(zhì)的重要形式。在現(xiàn)場重塑大尺寸直剪試驗結(jié)束后，對2組試樣(SG-1，SG-2)，各6組樣品分別進行了顆粒分析試驗，試驗結(jié)果見圖2。結(jié)果表明：堆積物小于5 mm的顆粒含量為5%～25%，小于0.075 mm的顆粒含量為0.2%～3%；巨粒(>60 mm)含量為20%～46%，屬碎石混合土。

圖2 堆積體粒徑級配曲線Fig.2 Particle gradation curve of the accumulation slope

堆積體容重是進行邊坡穩(wěn)定性計算的重要指標，為了盡可能準確獲得堆積體在天然狀態(tài)下的容重值，利用現(xiàn)場施工便道，選擇4個代表性點位開展了現(xiàn)場大容重試驗。試驗方法：① 選點，開挖試坑(尺寸約1.5 m×1.5 m×1.5 m)，邊開挖邊用編織袋打包，臺秤稱量質(zhì)量；② 鋪大尺寸塑料膜，利用鉆探水泵在河里提水，采用灌水法量測試坑體積；③ 整理試驗數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，堆積體天然容重為19.9～21.8 kN/m3。

為初步查明堆積體的滲透性，在ZK52和ZK53孔進行了4組注水試驗，試段長3～5 m。試驗成果表明，堆積體的滲透系數(shù)為3.15×10-2～4.67×10-3cm/s。結(jié)合對堆積體的地質(zhì)認識綜合分析，結(jié)果表明，滲透系數(shù)值基本反映了堆積體滲透性，滲透性等級為強-中等透水。

2.2 結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)堆積體的形態(tài)及物質(zhì)組成，在平面上可大致分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)(圖3)：Ⅰ區(qū)前緣抵江，后緣高程在3 660 m附近，呈條帶狀順河分布，以碎塊石為主，顆粒相對較粗，坡度稍緩；Ⅱ區(qū)后緣高程3 960 m，顆粒較細，范圍最大，以碎礫石為主。

圖3 堆積體工程分區(qū)(單位：m)Fig.3 Zoning of accumulation slope

根據(jù)堆積體覆蓋層等厚度線圖和地質(zhì)剖面(圖4，5)可以看出，覆蓋層底部基巖面起伏，堆積體鉛直厚度一般14～45 m，厚薄不均，最厚可達50余m，沿縱向和橫向變化較大，總體上后緣較前緣薄，勘探揭露覆蓋層厚15.7～45.1 m，與下伏基巖接觸面間不存在相對軟弱層。

圖4 堆積體等厚度線圖Fig.4 Equal thickness diagram of accumulation body

圖5 堆積體典型工程地質(zhì)剖面Fig.5 Typical engineering geological profile of accumulation body

從勘探路后緣開挖面和地質(zhì)剖面可以看出：在堆積體下部，表層主要為碎石土、塊石土及塊碎石，多呈松散狀態(tài)，開挖面塊石在重力作用下多已掉落，夾大孤石(圖6(a)，(d))。從堆積體中、上部開挖斷面可以看出，表層為碎石土，下部為碎石土層夾風積砂層，二者相互交疊，總體上以碎石層為主，具層理特征，風積砂厚0.3～1.5 m(圖6(b)，(c))，干燥、質(zhì)純、基本無膠結(jié)，結(jié)構(gòu)松散，呈薄層狀或透鏡體狀，分布不均，遇水后強度將會顯著降低。

結(jié)合樞紐布置，堆積體共布置鉆孔3個，鉆孔ZK54位于堆積體中部偏下，ZK52，ZK53位于下部(圖3)。各鉆孔從上往下的揭露地層依次如下。

ZK54：① Qdl碎石土，厚4.9 m，夾風積砂；② Qcol+dl碎塊石土，厚20.2 m，局部夾0.7 m厚碎石土；③ Qdl碎石土，厚4.1 m，夾少量黏性土及粉土粉砂；④ Qcol碎塊石，厚3.7 m；⑤ 基巖。

ZK52：① Qcol+dl碎塊石土，厚8 m；② Qcol+dl塊石夾碎塊石土，厚9.5 m；③ 基巖。

ZK53：① Qcol+dl碎塊石土，厚40.5 m；② Qal砂礫卵石，厚4.6 m；③ 基巖。

可以看出，堆積體組成在豎直方向上差異較大，粗細交替，厚薄不均，總體上細下粗；橫向上，堆積體下部物質(zhì)組成較中上部粗。

根據(jù)物質(zhì)組成及地形坡度，堆積體在平面上可分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，與下伏基巖接觸面不存在相對軟弱層，覆蓋層底部基巖面起伏。在豎直方向上具有一定分層，粗細不均，在成因上，堆積體為多期崩積、坡積作用相互交替，或同時疊加作用形成，因此該堆積體總體上為崩坡積混合層。另外，在堆積體邊坡中上部夾有風積砂透鏡體或薄層，結(jié)構(gòu)松散，為相對軟弱層，遇水后強度將會顯著降低。

3 堆積體抗剪強度試驗

從現(xiàn)場堆積體施工便道開挖露頭來看，堆積體主要由塊、碎石土組成，局部夾大孤石，具架空現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)松散-稍密，難于成樣，且現(xiàn)場試驗條件較差，開展堆積體的原位直剪試驗較困難。為了獲得穩(wěn)定性計算需要的相應物理力學參數(shù)，利用壩址勘探平硐(斷面2 m×2 m)作為試驗場地，對堆積體進行了野外重塑大尺度直剪(快剪)試驗。

通過現(xiàn)場調(diào)研施工便道揭示的露頭可以看出：總體上堆積體顆粒以碎礫石為主，棱角-次棱角狀，相互搭接或鑲嵌，構(gòu)成土體骨架，全充填或半充填粉土及風化巖屑，呈干燥狀態(tài)；局部為塊石，偶夾孤石，塊石大部分在自重作用下已剝落，總體上并未形成堆積體的骨架。根據(jù)有效應力原理，其對堆積體物理力學性質(zhì)的影響較小。因此，取樣主要為碎礫石組分布占大多數(shù)的碎石土，一共取了2組，每組含6個試樣，1組顆粒相對較細，1組顆粒相對較粗。

2組試樣總重共計1.178 t，全部運至工程區(qū)平硐進行重塑大尺度樣直剪試驗。在平硐底板澆筑水泥坑，坑深20 cm、寬70 cm、長70 cm，坑內(nèi)鋪填碎石料，上置剪切鋼模，鋼模內(nèi)空高30 cm、寬55 cm、長55 cm，在鋼模內(nèi)充填碎石料。以鋼模內(nèi)碎石料與基坑碎石料間接觸面為試驗剪切面。最大正壓力1.2 MPa。分級加載剪切荷載，每級剪切荷載下穩(wěn)定5 min。將峰值抗剪強度作為抗剪強度，不進行抗剪(摩擦)試驗。試驗完成后，清空鋼模、基坑碎石料，重新充填，作為下點試驗的試體。針對剛模內(nèi)碎石料稱重，計算試樣密度。

現(xiàn)場共取了兩組代表性崩坡積體碎石土試樣，每組含6個樣品。試樣具體分組：SG-1組，編號SG-1-1～SG-1-6；SG-2組，編號SG-2-1～SG-2-6。分別對12個樣品按照前述方法進行了12組現(xiàn)場重塑直剪試驗(以SG-2-6試樣為例，見圖7)。通過對各組試樣獲取的抗剪強度與法向應力的關系進行擬合，并繪制相應的擬合曲線，從而求取其相應的抗剪強度參數(shù)(圖8)。

圖7 堆積體SG-2-6試樣土直剪試驗Fig.7 Soil shear test of accumulation body SG-2-6 specimen

圖8 堆積體直剪試驗正壓力與抗剪強度關系曲線Fig.8 Curve of positive pressure and shear strength of crushed soil straight shear test of accumulation body

測試結(jié)果如下：SG-1組(碎石粒徑2～10 cm)，容重19.9～21.7 kN/m3，平均容重20.7 kN/m3，抗剪強度參數(shù)f′=0.72，φ′=35.8°，C′=0.06 MPa；SG-2組(碎石粒徑2～15 cm)，容重20.8～26.8 kN/m3，平均容重23.4 kN/m3，抗剪強度參數(shù)f′=0.80，φ′=38.6°，C′=0.04 MPa。

4 堆積體穩(wěn)定性分析

4.1 堆積體穩(wěn)定性宏觀判斷

從堆積體平面形態(tài)和物質(zhì)組成看，堆積體前緣寬敞，后緣逐漸收窄，在堆積過程中，堆積物呈扇狀向河谷擴散，為典型的敞口型堆積體；在物質(zhì)組成上，前緣主要為碎塊石，粒徑粗大，后緣以碎礫石為主，顆粒相對較細；在厚度上，前緣總體也較后緣厚。這種堆積體邊坡在自然工況下，一般較為穩(wěn)定[10]。

現(xiàn)場詳細調(diào)查和勘探表明：坡體前緣未見剪出口、地表隆起、泉水等滑動跡象，后緣也未發(fā)現(xiàn)土體剪切拉裂、下沉等變形特征，由于雨水沖刷，僅在局部坡表發(fā)生過小規(guī)模的溜滑。堆積體基覆界面起伏，內(nèi)部未見明顯滑帶。為此，從宏觀上看，自然狀態(tài)下堆積體邊坡是穩(wěn)定的。但是，由于其組成物質(zhì)的不均勻性，局部土石比變化較大，性狀差異明顯，且堆積中部勘探路開挖面揭露風積砂薄層或透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，在連續(xù)暴雨、水庫蓄水及地震等作用下，堆積體存在較大滑動風險。

4.2 計算方法及工況

當前，邊坡穩(wěn)定性計算方法主要有極限平衡法和有限元法兩大類，工程實踐中，極限平衡法的應用較為普遍，積累了大量的工程經(jīng)驗，是SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》推薦的堆積體邊坡穩(wěn)定性計算的基本方法。因此，本文采用極限平衡法進行穩(wěn)定性計算。為了簡化計算邊界，對典型剖面基巖與覆蓋層接觸面進行了簡化(圖9)。

圖9 極限平衡法計算簡圖Fig.9 Calculation diagram of limit equilibrium method

在大壩建設階段及后期運營中，堆積體會經(jīng)歷庫水位變化、降雨、地震等。結(jié)合工程特征(邊坡工程安全等級為二級)，依據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》確定穩(wěn)定性分析的工況及標準。

4.3 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場直剪試驗和原位容重試驗，堆積體土體的內(nèi)摩擦角為35.8°～38.6°(堆積體自然穩(wěn)定坡角約36°，二者基本相當)，黏聚力為40～60 kPa，天然容重為19.9～21.8 kN/m3。鑒于堆積體未見明顯的滑動帶，考慮到其物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性及大壩工程的重要性，在現(xiàn)場試驗取值的基礎上，參考類似工程經(jīng)驗，對相關計算參數(shù)進行了適當折減，得到了主要巖土體參數(shù)綜合取值(表1)。其中堆積體天然容重取現(xiàn)場原位容重試驗值的小值，天然狀態(tài)下的抗剪強度指標取小值的同時進行了適當折減，折減系數(shù)取0.9；基巖的參數(shù)來源于壩址區(qū)巖體物理力學試驗。

表1 選取的計算參數(shù)Tab.1 Computation parameters

4.4 計算結(jié)果及分析

各工況下堆積體穩(wěn)定性計算的結(jié)果如表2所示。

表2 堆積體邊坡穩(wěn)定性計算成果Tab.2 Calculation results of accumulation slope stability

根據(jù)計算結(jié)果分析如下：

(1) 在天然狀態(tài)下，a剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.153，b剖面為1.135，堆積體是穩(wěn)定的，與堆積體穩(wěn)定性的宏觀判斷結(jié)果基本一致。

(2) 天然+暴雨工況下，a剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.099，b剖面為1.056，堆積體也基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部穩(wěn)定性可能較差，與天然工況相比，其a，b剖面穩(wěn)定性系數(shù)分別下降了4.7%，7.0%。從滲透試驗可知，堆積體的滲透性等級為強-中等透水，暴雨條件下入滲條件較好，堆積體內(nèi)地下水位快速上升，土體飽和，強度降低，加之孔隙水壓力上升，其穩(wěn)定性降低。根據(jù)石振明[21]研究，暴雨通過改變堆積體內(nèi)孔隙水壓力的大小，改變邊坡的應力場狀態(tài)，影響邊坡的穩(wěn)定性，且對于碎石土這類高滲透性邊坡，在相同的降雨補給條件下，孔隙水壓力的增長或消散速率均較大。

(3) 天然+地震(Ⅷ度)工況下，a剖面穩(wěn)定系數(shù)為0.996，b剖面為1.044，部分區(qū)域處于極限狀態(tài)，部分可能發(fā)生失穩(wěn)，相比較于天然工況分別下降13.6%，8.0%。這是由于地震作用下，土體結(jié)構(gòu)被破壞，穩(wěn)定性下降，且較暴雨作用影響明顯。實際上，高烈度地震會對邊坡產(chǎn)生2種作用[22]：① 地震慣性力的作用；② 地震產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力迅速增大和積累作用。天然狀態(tài)下，堆積體邊坡地下水位較低，與河水位相當，土體滲透性良好，此時地震慣性力對邊坡的穩(wěn)定起主導作用。

(4) 正常蓄水位狀態(tài)下，a剖面穩(wěn)定系數(shù)為0.776，b剖面為0.751，堆積體已發(fā)生失穩(wěn)，這是由于庫水的長期浸泡及滲透使土體劣化，土體飽和，強度較低，與天然工況相比，其a，b剖面穩(wěn)定性系數(shù)下降十分明顯，分別達32.7%，33.8%，邊坡的穩(wěn)定性顯著下降。暴雨、地震(Ⅷ度)、正常蓄水位3種環(huán)境條件下，堆積體邊坡的穩(wěn)定性受到蓄水因素的影響最大，也最顯著，其次是地震作用，影響最小的是暴雨。

(5) 在庫水位驟降工況下，a剖面穩(wěn)定系數(shù)為0.759，b剖面為0.702，堆積體已發(fā)生失穩(wěn)，相較于正常蓄水位工況下，分別降低了2.2%和6.5%。這是因為在正常蓄水位下，堆積體長期被水浸泡，土體被弱化，加上短期內(nèi)庫水位的快速下降，堆積體內(nèi)產(chǎn)生的超孔隙水壓力來不及消散，二者疊加，土體抗剪強度進一步降低，導致邊坡穩(wěn)定性變差。

總的來看，壩前2號崩坡積體天然狀況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當遭遇地震(烈度為Ⅷ度)后處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；正常蓄水后，在庫水作用下不穩(wěn)定。邊坡級別為2級，無論天然工況或蓄水后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均未達到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準。

5 結(jié) 論

(1) 在現(xiàn)場精細地質(zhì)測繪的基礎上，通過高密度電阻率法與鉆探相結(jié)合，較為準確地確定了該2號堆積體的規(guī)模。堆積體為一敞口型大型堆積體。工程地質(zhì)勘察和分析表明：堆積體為多期崩積、坡積作用相互交替疊加形成，均勻性差，豎直方向上具有一定分帶，但不明顯，總體上為崩坡積混合堆積物。

(2) 堆積體邊坡成因復雜，局部可能存在不穩(wěn)定夾層，尤其邊坡中上部夾有風積砂透鏡體或薄層，結(jié)構(gòu)松散，為確定的相對軟弱層，在極端工況條件下可能失穩(wěn)。計算表明：堆積體邊坡在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)；天然+暴雨條件下基本穩(wěn)定；在水庫蓄水和地震工況下，均不穩(wěn)定；若邊坡級別按2級考慮，無論天然工況或蓄水后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均未達到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準。

(3) 堆積體規(guī)模較大，距大壩最近僅150 m，引水隧洞及導流洞進口均位于堆積體內(nèi)，一旦失穩(wěn)將危及邊坡中、下部引水隧洞和導流洞進口安全。計算表明，在水庫蓄水后，邊坡失穩(wěn)可能性極大，一旦失穩(wěn)甚至可能堵塞河道，使水庫失去功效。因此，考慮到大壩的建設和運營安全，不宜選擇該壩址。