五馬水庫大壩左岸山體穩定性分析

陳世偉

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

五馬水庫位于山西省古縣縣城西南五馬村東北約1 km處。壩址所在河流屬汾河一級支流——洪安澗河南支。大壩壩型為漿砌石重力壩，是一座以工業供水、發電為主的小（一）型水庫。附屬建筑物主要包括非溢流壩段、漿砌石溢流壩段、泄洪排沙洞、水電站及排水洞等。水庫正常蓄水位682.5 m，庫容992萬m3，最大壩高58.6 m，壩頂長253 m，壩頂寬6 m，壩頂高程684.1 m。

2 左壩山體工程地質

左岸山體為基巖山區，具山間河谷地貌，河流呈“S”型。谷底地面高程為 631～639 m，坡角 35°～45°，山頂高程約735 m，高差96～104 m，屬侵蝕低中山區。左岸山體出露地層主要為三疊系下統劉家溝組（T1l）地層，巖性為細粒砂巖、粉砂巖、礫巖及泥巖。據基巖巖性及工程地質特性，將其自下而上分為33個巖組。其中T1l-1～T1l-14巖組位于河床高程以下，T1l-15～T1l-33巖組分布于壩址兩岸。河床高程以上至正常高庫水位之間左壩肩發育6層較連續的泥巖層。左岸山體巖層呈單斜構造，層理發育，巖層產狀為N45°W.SW∠8°。另外還發育F1斷層：該斷層自水庫庫區穿過壩址左岸山梁鞍部伸向下游，距壩基左端開挖面最近點約105 m，為一正斷層，斷面走向N35°～50°E，傾向SE，傾角 60°～71°，斷距 10～15 m，斷層破碎帶寬 1.5～2 m，向下游南西方向延伸長度約1 km。巖體中主要發育兩組節理裂隙，其產狀分別為：第一組N30°～55°E/NW∠70°～88°或 SE∠80°～85°，第二組 N40°～65°W/NE∠75°～88°或 NE∠65°～80°。其中第一組裂隙面多平直光滑，延伸較長，裂隙寬0.1～0.3 cm，裂隙間距最小0.35 m，最大2 m，一般0.5～1.5 m，泥或鈣質充填、半充填，部分裂隙閉合；第二組裂隙面較平直，延伸短，裂隙寬0.05～0.1 cm，裂隙間距最小0.6 m，最大8 m，一般 3～6 m，多閉合。

壩址區地下水類型分為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩種類型。松散巖類孔隙水含水層主要分布于河漫灘卵石混合土層，埋深0.5～2 m。碎屑巖類裂隙水含水層為三疊系下統劉家溝組中的細砂巖及礫巖，泥巖、粉砂質泥巖為隔水層。左壩肩地下水水位631～640 m。總體來看，地下水主要接受上游來水及大氣降水補給，由上游流向下游、兩岸補給河流。

3 左岸巖體穩定性及評價

3.1 左岸山體穩定性分析

左壩肩為一單薄山梁，走向近東西向，上部基巖裸露，巖層傾向下游偏左岸，山頂高程725 m，而河床底高程633 m，岸坡坡角約21°，大于巖層傾角，因此左岸下游具備臨空條件。

左壩肩存在F1斷層，斷層距左岸開挖面約105 m，斷面走向 N35°～50°E，傾向 SE，傾角 60°～71°，斷距10～15 m，斷層破碎帶寬1.5～2.0 m，構成左岸山體側緣分割邊界條件。

組成左岸山梁的地層巖性為細砂巖、粉砂巖、泥巖及礫巖層，在庫水位下連續發育多層泥巖。該泥巖層在水庫正常蓄水后有軟化、泥化的可能，因此左岸單薄山梁具備底面滑動條件。

左岸巖體中主要發育兩組節理裂隙，產狀分別為：第一組 N45°～52°E/NW 或 SE∠70°～85°，第二組N47°～58°W/NE 或 SW∠70°～86°，裂隙面多平直光滑，延伸較長，裂隙寬0.1～0.3 cm，發育間距0.5～1.5 m。兩組裂隙與巖層層理的相互切割構成了該巖體地下水下滲的主要通道。

左岸單薄山梁基巖出露，上游背水坡陡立，可構成山梁的后緣，同時，第二組裂隙走向與左岸巖層傾向大致垂直，也可構成后緣拉裂面。

綜上所述，左岸山體具備了滑坡產生的滑面、側緣、后緣和臨空等條件。當水庫蓄水后，在大氣降水和庫水長期入滲的情況下，泥巖層有可能軟化、泥化。在庫水、地震力等因素作用下，該左岸單薄山梁具備產生順層滑動的條件。

3.2 左岸山梁穩定性計算

采用剛體極限平衡法對左岸山梁進行穩定驗算，基本評價公式為：

式中：K——安全系數；

N——垂直于滑裂面的作用力，kN；

f1——抗剪斷摩擦系數；

c1——抗剪斷凝聚力，kPa；

A——計算滑裂面的面積，m2；

T——沿滑裂面的作用力，kN。

滑面選取 T1l-16，T1l-18，T1l-20，T1l-22，T1l-24，T1l-26六個擬選泥巖層，分別考慮擬滑面泥巖未泥化和泥化兩種情況；計算工況分天然狀態、水庫正常蓄水狀態和有地震力作用下的狀態。后緣選取與滑面相交的較大貫通性裂隙面GL2。

表1 左岸山體穩定計算成果統計表

建議泥化夾層抗剪斷指標 f′=0.25、c ′=0.01 MPa；未泥化泥巖抗剪斷強度參數 f′=0.38、c′=0.02 MPa。安全系數評價標準按《水利水電邊坡設計規范》選取，工程邊坡為4級，正常狀態邊坡穩定安全系數取1.15，地震狀態取1.05。經計算，左岸山體在各狀態下穩定性見表1。

3.3 左岸山梁穩定性評價

據表1可知，在天然狀態（水庫未蓄水）時：泥巖未泥化，安全系數值為3.19～6.0，處于穩定狀態。在天然狀態（水庫未蓄水）并考慮有地震時：泥巖未泥化，安全系數值為2.31～3.47，處于穩定狀態。在水庫正常蓄水，滑體部分飽和時：泥巖未泥化，安全系數值為2.47～3.02，處于穩定狀態；泥巖泥化，安全系數值為1.58～1.94，處于穩定狀態。在水庫正常蓄水并考慮滲透壓力時：泥巖未泥化，安全系數值為1.69～3.02，處于穩定狀態；泥巖泥化，GL2與T1l-16組合的安全系數為1.08，處于不穩定狀態，其余組合的安全系數為1.20～1.94，處于穩定狀態。水庫正常蓄水并考慮滲透壓力和地震時：泥巖未泥化，安全系數值為1.27～2.21，處于穩定狀態；泥巖泥化，GL2與T1l-16，T1l-18，T1l-20組合的安全系數分別為0.81，0.89，1.02，處于不穩定狀態；GL2與T1l-22組合的安全系數為1.05，處于臨界狀態；其余組合的安全系數為1.25～1.42，處于穩定狀態。

4 工程處理建議

五馬水庫左岸單薄山梁在正常蓄水后存在滑動的可能性，為確保水庫正常運行，建議采取開挖、防滲、排水、抗阻等綜合措施，防止泥巖層軟化、泥化并減少滲透壓力。具體措施如下：開挖：將左壩肩松散巖體及強風化層全部清除。開挖后，整個滑體將減重，對左岸山體穩定有利。固結灌漿：壩肩開挖后對巖基進行固結灌漿處理，一方面可增加地基的整體性和強度，另外還可增加結構面（主滑面）的抗剪強度，提高邊坡穩定性。設防滲帷幕及排水減壓：建議在左岸單薄山梁段設防滲帷幕，其下限高程為625.5～654.5 m，在F1斷層帶及其影響帶內增大灌漿帷幕下限深度，切實做好防滲處理措施；同時在滑面附近設排水洞。這樣既可減少泥巖泥化，又可減少壩肩巖體中的滲透壓力，對左岸山體穩定有利。在左壩肩下游應適當采取阻滑措施，以提高左壩肩的穩定性。