崩滑堰塞湖沉積物工程地質特性研究

楊紹平，王子忠

(1.四川水利職業技術學院，四川崇州 611231 ；2.四川省水利水電勘測設計研究院，成都 611731)

在我國西南山區由于山高坡陡、構造復雜、地震活動頻繁等原因造成崩滑堵江（堰塞湖）災害時有發生，特別是5.12 汶川大地震后在四川形成了大大小小的地震堰塞湖多達百余個。崩滑堵江（堰塞湖）災害在全球各地均有分布，國內外目前對此問題的研究主要集中在崩滑堵江事件的分布、識別、天然堆石壩的形成和特征以及堵江事件的環境效應等。很少研究其沉積物工程特性及工程地質問題，在水電資源開發中，經常遇到崩滑堵江形成的堰塞沉積物，本文以四川丹巴縣關州水電站為例，對堰塞沉積物的工程特性及利用其作為閘壩基礎的主要工程地質問題進行研究。

1 地質概況

關州水電站位于四川省丹巴縣大渡河一級支流小金河干流上。地貌上處于川西高原東部，屬川西高山至高原過渡地帶的侵蝕型高山峽谷地貌。在大地構造上位于松潘—甘孜造山帶的小金、丹巴弧形構造帶的北西翼。工程場地位于川西北強隆起內部，新構造運動以第四紀大面積整體間歇性隆升為主。

區內除寒武紀地層缺失外，從震旦紀至三疊紀均有出露。巖層以火山巖、海相砂泥巖、碳酸鹽巖建造為主，三疊紀末期的印支運動使區內地層普遍褶皺，并發生變質形成一系列淺變質巖系，局部中等變質。

地震危險性概率分析結果表明，工程區地震基本烈度為Ⅶ度。關州水電站閘壩址位于小金河阿娘寨崩滑堆積體上游約1km處，處于堰塞湖沉積物之上，固需對堰塞湖沉積物工程地質特性研究。

2 堰塞沉積物的形成

2.1 小金河崩滑堵江事件的形成機制分析

崩滑堵江事件堵斷河道后，形成天然堆石壩與水庫，河流中的固體徑流在天然水庫中淤積，形成堰塞沉積物。關州水電站閘壩基堰塞沉積物的形成是電站壩址下游約1Km 的阿娘寨崩滑堆積體堵斷小金川河后產生的，首先對阿娘寨崩滑堆積體堵江的特點及其機制闡述如下：

據現場地質測繪資料，崩滑體后緣山頂高程達3 500～3 800m，該段小金河河底高程約為2 100m，相對高差達1400～1800m，地形高陡，見圖1。如此高陡的岸坡與工程場地位于川西北強烈隆起區，第四紀大面積整體間歇性隆升，河流快速下切有關。高陡的岸坡為巖體的變形破壞提供了臨空條件。

高程2 700m 以上的岸坡巖石為板巖與變質砂巖，巖石飽和抗壓強度一般70～80Mpa；高程2 700～2 200m 巖性以絹云母千枚巖為主，巖石飽和抗壓強度約20～30Mpa。巖層產狀N10°～15°W/NE∠60°～63°，傾向坡內偏河流上游（圖1）。河流岸坡巖性為上硬下軟的結構，構造上屬于反向斜坡。此類斜坡由于下部的千枚巖軟巖在重力下的蠕變彎曲變形，上部板巖與變質砂巖失去支撐產生彎曲-拉裂[2]型式的變形破壞，最終導致上部斜坡巖體產生傾倒型崩塌破壞，在岸坡坡腳形成崩塌堆積體，堆積體堵斷河流形成了天然堆石壩。據現場勘察，堆積體中孤石、塊石成分主要為板巖與變質砂巖，與組成斜坡的上部巖性基本一致，證實了上述的斜坡變形破壞機制。堆積體在后期再次沿最大剪應力潛在滑動面產生圓弧滑動，由此使得堆積體在地貌上表現為多級平臺，因此阿娘寨堆積體其形機制為崩滑堆積體。

2.2 堰塞沉積物的形成

圖1 阿娘寨滑坡與堰塞沉積分布圖

圖2 壩址區河床堰塞沉積物剖面圖

3 堰塞沉積物的工程地質特性研究

3.1 分層特征

據現場鉆孔巖芯鑒定，小金河堰塞沉積物按其工程地質特征從上至下可分為5層（圖2），各層特征見表1。

由表1可知，堰塞沉積物在垂向上各層的工程地質特性差異主要表現在土壤組成顆粒級配的差異上，這種差異應與地質歷史時期氣候等因素引起的水動力條件變化有關。

表1 壩址區堰塞沉積物分層特性表

3.2 形成地質年代

測定地層年代的方法有多種，如放射性碳（14C）、電子自旋共振（ESR）、熱釋光（TL）等[3]。電子自旋共振（ESR）、熱釋光（TL）法測定地層年代其技術本身誤差率分別為25%～30%及10%～20%，誤差年限分別為（0.025～45）×104a 及（0.010～60）×104a；對于崩滑堵江事件形成的堰塞沉積物來講，其地質年代一般在晚更新世～全新世，這兩種測定方法顯然誤差太大。而14C 法技術本身誤差率為1.5%～2.5%，誤差年限為0～1500a，故以14C 法來測定堰塞沉積層的年代更為合適。

據ZK23 孔（孔深7～10m）及ZK17 孔（孔深24～26m）取土樣14C 法測定，堰塞沉積物的地質年代分別為6310±120a，6430±70a，屬第四紀全新統沉積物。

表2 第②、③、④層堰塞沉積物物理力學試驗成果

3.3 各層堰塞沉積物的物理力學性質指標

在堰塞沉積堆積層上興建工程建筑物，首先應對其物理力學特性進行研究。針對堰塞沉積物的前述分層特點，對閘壩基礎持力層范圍內的第②、③、④層的相應指標進行了測試，其試驗成果分別見表2～表4。

表2 試驗成果表明，堰塞沉積物各層粒度差異較大，相應地各層結構差異較大，各層干密度在 1.28～1.71g/cm3之間，這種較大的差異正是各層粒度及結構差異的的反映。按各堰塞沉積層壓縮系數劃分，第②層砂壤土為低壓縮，第③、④層壤土及粉質粘土屬于中等壓縮性土；各土層具有一定的抗剪能力。

為研究堰塞沉積層作為閘壩基礎持力層的承載能力，對第②層砂壤土和第③層壤土進行了現場標準貫入及靜力觸探測試。表3 及表4 的測試成果表明各土層具有一定的承載能力，第②層砂壤土承載力標準值fk=173～175KPa，第③層壤土承載力標準值土fk=132KPa。

表3 第②層堰塞沉積物N63.5 標準貫入測試成果統計表

表4 第②、③層堰塞沉積物靜力觸探測試成果統計表

表5 閘壩基礎沉降計算成果表

4 堰塞沉積物工程地質問題分析

4.1 地基壓縮變形

鑒于河床堰塞堆積層厚度約50～90m，本工程閘壩設計壩高僅17m，全部將其對其進行挖出換填，在技術上存在松散堆積層深基邊坡穩定，基坑涌水等問題；在投資方面顯然也不經濟。因此，需要考慮利用堰塞沉積層作為閘壩基礎。由前述可知，閘壩地基為工程特性各異的堰塞沉積層組成，屬層狀結構軟基，在上部荷載作用下，存在壓縮變形問題。據各持力層土的物理力學特性指標，計算地基沉降變形時各土層的壓縮模量分別為：第②層砂壤Es＝11.5MPa，第③、層壤土Es＝10.3MPa，第④層粉質粘土Es＝7.7MPa。地基沉降計算采用分層總和法計算地基最終沉降量，計算成果見表5。

表5 的計算結果表明：在完建和正常蓄水位兩種工況下，閘室的沉降量大于《水閘設計規范》（SL265-2001）要求的地基最大沉降量小于15cm、沉降差小于5cm 的要求，需進行基礎處理。

4.2 滲透及滲透變形問題

據鉆孔抽（注）水試驗，第②層砂壤土滲透系數K=（4～30）×10-4cm/s，屬中等透水層；第③層壤土滲透系數K=1.9×10-6～2.6×10-5cm/s，屬微透水層。埋藏于右岸河床岸坡的Q4col+dl孤塊碎石土層（見圖2）滲透系數K=（4.6～65）×10-2cm/s，屬強透水層，強透水帶厚度20～55m。因此河床壩基存在壩基滲漏和滲透穩定問題，其中右岸壩基的孤塊碎石土層為集中滲漏的強透水帶。

4.3 地震液化問題

工程區地震基本烈度為Ⅶ度，按照相關規范，對各堰塞沉積層地震液化問題論述如下：

第②層砂壤土的粘粒含量為7.4%，小于《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）N.0.3 條第3款16%之規定，可能發生液化；又據標貫資料，第②層砂壤土N63.5＝7～9＜Ncr=11.3～14，故第②層砂壤土在Ⅶ度地震條件下將產生地震液化。

第③層壤土的粘粒含量分別及23.3%，大于《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）N.0.3 條第3 款16%之規定，Ⅶ度地震條件下不存在地震液化問題。

第④層、第⑤層及第⑥層位于地面29.5m 以下，遠大于《建筑物抗震設計規范》（GB50011-2001）規定的地震液化判別范圍0～20m，故不需要研究其地震液化特性。

綜上所述第②砂壤土層在Ⅶ度地震條件下存在地震液化問題，需要采取相應的抗液化處理措施；其余各堰塞沉積層不存在地震液化問題。

5 結論及認識

1）堰塞沉積物的形成與山體崩滑堵江事件總是相關的，而崩滑堵江事件的發生一般又與陡峻的地形、復雜的巖性和構造組合、以及地震等因素關系密切；5.12 地震形成大量的堰塞湖，隨著時間的推移，在其天然水庫中也會形成堰塞沉積物，水電工程實踐中常常需要研究堰塞沉積物作為壩基的工程特性及相關工程地質問題，本文有一定的借鑒意義。

2）堰塞沉積物是河流岸坡巖體發生崩滑堵江形成天然堆石壩及水庫之后，在地質歷史時期于天然水庫靜水環境下沉積的河流固體徑流物質，其顆粒級配一般以砂粒～粘粒等細粒為主。由于當時氣候及河流水動力條件的變化，堰塞沉積物也表現出不同的顏色、粒度結構及相應的工程特性分層變化。

3）各堰塞沉積層的結構變化在物性參數上表現為不同的干密度指標，并對應不同的力學特性。

4）堰塞沉積層作為低閘壩基礎，需要對壓縮變形、滲漏及地震液化等方面的工程適宜性作出分析評價，并進行相應的工程處理。

[1]黃潤秋，王士天，張倬元，等.中國西南地殼淺表層動力學過程及其工程環境效應研究[M].成都：四川大學出版社，2001

[2]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理（第二版）[M].北京：地質出版社，1994

[3]DL／T5335-2006，水電水利工程區域構造穩定性勘察技術規程[S]