官莊水電站庫區左岸轉角洞堆積體邊坡穩定性分析

袁俊陶 姜彥作 喻虎圻

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司水工設計分院 貴州 貴陽 550081)

官莊水電站庫區左岸轉角洞堆積體邊坡穩定性分析

袁俊陶 姜彥作 喻虎圻

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司水工設計分院 貴州 貴陽 550081)

分析了官莊水電站庫區左岸轉角洞堆積體邊坡的成因，采用中國水利科學研究院開發的土質邊坡穩定性分析程序STAB對邊坡的穩定性進行了計算和分析，考慮了暴雨、水庫蓄水、庫水驟降等對堆積體邊坡穩定性的影響，總結出轉角洞堆積體邊坡在上述情況下的穩定性特征，并據此提出了轉角洞堆積體的防護處理措施，為其他類似工程的邊坡穩定性分析和處理提供了借鑒。

堆積體；邊坡；穩定性分析；官莊水電站

一、前 言

官莊水電站位于芙蓉江干流中下游河段，地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內舊城鎮官莊壩，距貴陽市376km，距遵義市226km，距道真縣城25km，為芙蓉江干流水電梯級開發的第九級，距上游魚塘水電站約9.6km。官莊水電站正常蓄水位411m，相應庫容929萬m3，死水位407m，工程任務為發電，裝機容量50MW，年平均發電量1.825億kW.h。

工程所在區域河谷深切，兩岸地形不對稱，海拔高程376～1581m，相對高差500～1200m，屬侵蝕高中～低中山地貌區。地形坡度受巖性影響較大，灰巖分布河段地形多陡峻，主要位于左岸轉角洞滑坡下游及右岸，多為陡壁，地形坡度45°～70°；左岸第四系地層及志留系地層分布的河段多為緩坡地形，地形坡度一般10°～30°。區域地層屬黔北川南地層分區的遵義小區，區內均為沉積巖分布，除泥盆系缺失外，寒武系至三疊系地層均有出露，第四系較集中分布于山間盆地、巖溶洼地及河流沿岸階地、谷坡部位。工程區所處構造單元為揚子準地臺、黔北臺隆、遵義斷拱、鳳岡北北東向構造變形區，經歷了多次構造運動，尤其燕山期以來，西北部盆地內強烈沉降，東南大部隆起，地質構造形跡較為復雜。

轉角洞堆積體規模較大，總方量約1072×104m3，堆積體距壩址最近3.5km，距上游舊城鎮僅1km，在正常條件下發生整體失穩的可能性較小。轉角洞堆積體前緣發育1號、2號滑坡體，方量分別為75×104m3、65×104m3，局部穩定性相對較差，蓄水后在暴雨條件下可能發生局部失穩。由于堆積體分布區河道狹窄，前緣局部失穩可能堵塞河床，導致庫水位壅高，影響舊城鎮河段覆蓋層庫岸穩定。本文就轉角洞堆積體在蓄水前、后坡體的穩定性進行分析與評價。

二、轉角洞堆積體邊坡的基本地質條件

轉角洞堆積體位于壩址上游3.5km的左岸河段，順河長約670m，橫河寬最大達500m，堆積體分布高程自河床到620m，河流基本順直，總體流向為N17°W，河水面高程396～402m，枯期河水面寬28～45m，水深1～5m；蓄水后抬高水位9～15m，正常蓄水位高程河谷寬約70～110m。前緣460m高程以下地形略陡，坡度28°～34°；中部460～470m為一緩坡平臺，地形坡度一般小于5°，平臺順河方向長約200m，橫河方向寬約180m，均為水田分布；上游側后緣460～500m高程地形坡度約10°，下游側460～500m高程地形坡度10°～20°；上游側500m以上高程地形平緩，坡度約10°，下游側500m以上高程地形變陡，坡度30°～60°。

轉角洞前緣發育2個小滑坡堆積體(見圖1)，分布于轉角洞堆積體上、下游，滑坡地貌明顯；鉆孔揭露上游側1號滑坡體厚度9.5～12m，方量75×104m3，下游側2級滑坡厚度3.0～24.2m，方量65×104m3。上游側1號滑坡后緣形成10～20m高陡坡，往河方向地形明顯較矮，滑坡體前緣向河凸出。下游側2號滑坡區分布有I、II級階地，I級階地高程410～420m為基座階地；II級階地高程440～450m為堆積階地，鉆孔揭露I、II級階地殘存河砂，滑坡地貌較為明顯，前緣上翹，后緣弧形，滑坡應在I級階地以后，厚度變化較大。

圖1 轉角洞堆積體分布位置圖

堆積體下伏基巖主要為志留系下統韓家店組(S2h)紫紅色、灰綠色薄至中厚層泥巖，強度低，暴露后易風化崩解；北西側尚有二疊系下統梁山組(P1l)片狀灰巖、鈣質頁巖以及棲霞組(P1q)中厚至厚層灰巖、生物碎屑灰巖夾泥灰巖以及茅口組(P1m)厚層灰巖、泥質灰巖夾燧石團塊，下部生物碎屑灰巖夾透鏡狀灰巖，具眼球狀構造。下游2號滑坡區基本上為緩傾斜至順向坡結構，泥巖內部夾層發育，在雨水入滲后不斷軟化，堆積體前緣不斷崩落的塊碎石對坡面有加載作用，使得下部巖體向區域性斷裂帶產生擠壓變形，最終形成一定規模的基巖蠕變體分布于2號滑坡下部。

三、轉角洞堆積體成因分析

河谷寬谷期以后，由于地殼強烈抬升，河流急劇下切，形成峽谷地形。該部位峽谷岸坡為上硬下軟的順向坡地質結構，高陡的臨空條件及下部泥頁巖塑性巖體，使該段岸坡卸荷拉應力高度集中，早期順河向張性裂隙不斷發展，并由于P1q灰巖與下伏P1l及S2h泥巖的差異風化，在P1l及S2h泥巖分布地帶形成風化凹槽，加劇了上伏巖層卸荷松動帶沿臨空面方向產生崩塌、滑移破壞。另一方面，由于危巖體頂部拉裂隙的形成，有利于地表水的入滲，地表水沿后緣拉裂隙入滲，從而加劇了沿拉裂產生的溶蝕作用，使后緣邊界不斷擴展，峽谷岸坡不斷向后推進，詳見示意圖2。因此，轉角洞堆積體應以崩塌堆積性質為主。

圖2 轉角洞堆積體形成過程示意圖

統觀堆積體上布置的16個鉆孔資料及地質調查測繪成果，僅在堆積體前緣1號、2號滑坡區及2號滑坡區岸邊附近揭露有滑帶土(粘土含泥巖礫石)成分，其余鉆孔未揭露到滑帶。因此，推斷堆積體前緣如1號、2號滑坡區及局部變形開裂現象系堆積體覆蓋層內部的小滑坡，均是在暴雨影響下的堆積體內部局部邊坡調整行為。

四、轉角洞堆積體邊坡穩定性分析

根據轉角洞堆積體邊坡的特點，選取典型剖面，采用水科院土質邊坡穩定分析程序STAB進行邊坡穩定分析計算。

(一)堆積體邊坡典型剖面選取

由于文章篇幅有限，本文在1號滑坡范圍內選取剖面1-1、剖面2-2兩個典型剖面，分別見圖3、圖4；在2號滑坡范圍內選取剖面3-3、剖面4-4兩個典型剖面，分別見圖5、圖6。

圖3 轉角洞堆積體1號滑坡典型剖面(1-1’)

圖4 轉角洞堆積體1號滑坡典型剖面(2-2’)

圖5 轉角洞堆積體2號滑坡典型剖面(3-3’)

圖6 轉角洞堆積體2號滑坡典型剖面(4-4’)

由圖所示，轉角洞堆積體成分較復雜，內部有1、2號滑坡體、基巖蠕變體、灰巖層狀座滑巖體等，底部存在覆蓋層-基巖接觸帶、軟弱帶。

根據地質評價，轉角洞堆積體主要有四種滑動模式：

滑動模式I：沿基巖蠕變體底部軟弱帶整體滑動；

滑動模式II：沿基巖-覆蓋層接觸帶整體滑動；

滑動模式III：沿古滑坡體底界滑出；

滑動模式IV：前緣局部圓弧滑出。

(二)堆積體物理力學參數取值

邊坡穩定計算分析所采用的轉角洞堆積體和表層崩坡積物的物理力學參數是電站庫區前期勘察工作的成果，見表1、表2。

表1 天然狀態下轉角洞堆積體物理力學參數綜合取值表

表2 飽水狀態下轉角洞堆積體物理力學參數綜合取值表

(三)工況分析

轉角洞堆積體位于官莊水電站庫區中段，水庫正常蓄水位411m。堆積體坡腳在河道內，坡內水位線隨庫水位的消漲而變化。水庫為日調節水庫，庫水位變化頻繁，坡內地下水位是堆積體穩定的重要因素。區域內無活動斷裂通過，地震動反應譜特征周期為0.35s，地震動峰值加速度小于0.05g，相應地震基本烈度小于Ⅵ度，區域構造穩定性較好。本工程主要建筑物級別為3、4級，按《水工建筑物抗震設計規范》(NB35047-2015)，地震設防烈度達不到丁類，可不作抗震計算。查閱天然河道水文相關資料，轉角洞堆積體所在的芙蓉江河段河道水位消、漲幅度較大，河道水位落差超過15m。轉角洞滑坡體在天然狀態下歷經正常水位(持久工況)、汛期暴雨(短暫工況)、校核洪水位+水位驟降(偶然工況)等多種工況。因此，計算工況選擇堆積體蓄水前、后兩種狀態的各種水位工況(包括持久、短暫和偶然工況)。

(1)天然邊坡狀態(蓄水前)：持久工況，短暫工況，偶然工況

①天然工況(持久工況)：天然狀態一般情況下堆積體穩定性分析(坡外水位為正常河道水位，坡內地下水位線采用日常浸潤線)；

②天然暴雨工況(短暫工況)：天然狀態發生暴雨情況下堆積體穩定性分析(坡外水位為正常河道水位，坡內地下水位線抬升采用汛期暴雨浸潤線)；

③天然校核洪水+水位驟降工況(偶然工況)：天然狀況發生校核洪水+河道水位驟降情況下堆積體穩定性分析(坡外水位從500年一遇水位驟降到正常河道水位，坡內水位從校核洪水浸潤線降落到正常浸潤線)；

(2)蓄水后邊坡狀態：持久工況，短暫工況，偶然工況

④正常蓄水位工況(持久工況)：正常蓄水位時堆積體穩定性分析(坡外水位為正常蓄水位411m，坡內地下水位線采用正常蓄水后正常浸潤線)；

⑤蓄水后暴雨工況(短暫工況)：蓄水后暴雨工況下堆積體穩定性分析(坡外水位采用正常蓄水位411m，地下水位線按蓄水后汛期暴雨浸潤線)；

⑥蓄水后校核洪水+水位驟降工況(偶然工況)：蓄水后發生校核洪水+河道水位驟降情況下堆積體穩定性分析(坡外水位從500年一遇水位驟降到正常蓄水位，坡內水位從洪水浸潤線降落到正常浸潤線)。

蓄水前各工況河道水位和坡內浸潤線是根據現場實測的坡內、外水位資料擬定的，蓄水后各工況河道水位和坡內浸潤線根據蓄水前實測資料推測。

(四)邊坡安全系數取值

官莊水電站總庫容為1410萬m3，裝機容量50MW，工程等別為三等，工程規模中型，主要建筑物(如擋水壩、泄洪系統等)級別為3級建筑物，根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T5353-2006)，可知轉角洞堆積體屬于庫區邊坡B類Ⅲ級邊坡，由于庫區邊坡范圍內居民已經搬離，不存在因邊坡失穩而對居民造成生命財產損失問題，主要考慮工程因素即可，由于控制本工程規模的主要指標均位于三等工程的下限，所以邊坡安全系數亦取規范規定范圍的下限值，具體設計安全系數見表3所示。

表3 轉角洞堆積體邊坡設計安全系數表

(五)邊坡穩定性計算與分析

采用中國水利水電科學研究院開發的土質邊坡穩定分析軟件Stab2009對轉角洞堆積體蓄水前后各工況進行穩定性分析計算。Stab2009計算軟件根據剛體極限平衡法編制、用最優化原理搜索最小安全系數和相應臨界滑裂面。在計算過程中，邊坡沿折線滑動采用摩根斯頓—普賴斯法，堆積體內部圓弧滑動采用簡化畢肖普法。經計算，典型剖面1-1’、2-2’、3-3’、4-4’各工況各滑動模式下穩定安全系數見下表4：

表4 庫區轉角洞堆積體邊坡穩定計算結果

由計算結果可知，轉角洞堆積體沿基巖-覆蓋層接觸帶抗滑穩定安全系數均大于規范要求，沿蠕變體底部軟弱帶滑動的穩定安全系數也均大于規范要求，均有一定的富裕度；沿1號、2號滑坡體穩定基本滿足要求，個別工況計算安全系數略低于規范要求；沿河邊坡前緣圓弧滑動安全系數大多滿足規范要求，局部由于邊坡稍陡，安全系數略低于規范要求。

由各剖面天然工況(工況①)和正常蓄水位工況(工況④)計算結果可知，水庫蓄水后對邊坡的穩定有一定的影響，安全系數有所降低，但降低幅度較小，邊坡安全度處于同一水平內。根據對蓄水前后暴雨工況(工況②、⑤)和水位驟降工況(工況③、⑥)計算結果對比分析可知，暴雨工況對邊坡的穩定性影響較小，水位驟降時對邊坡的穩定性影響相對較大，但邊坡穩定性大多位置仍然可滿足規范要求。

水位驟降工況穩定性較低的部位為1號滑坡體，1號滑坡體上部局部已經出現了拉裂錯開的情況，因此計算結果與邊坡實際基本相符。由于穩定性相對較差的區域面積較小，方量不大，邊坡的滑動勢能也較小，可能發生失穩的邊坡規模有限，不會因局部的穩定問題引起邊坡的整體失穩而堵塞河道的情況。由于邊坡上部為水田，下部土體長期處于飽和狀態，邊坡滑動界面受地下水位的影響較小，在運行期邊坡整體穩定性不會出現起伏。因此邊坡穩定及其影響整體可控。

(六)邊坡防護處理措施

根據邊坡現狀及計算分析成果，邊坡整體處于穩定狀態，由于受外界條件的影響，堆積體沿河前緣局部有蠕變現象，對堆積體主要采取簡易防護和監測為主：

(1)在堆積體沿河前緣堆砌大塊石壓腳，同時可防止水流掏刷庫岸。

(2)為掌控邊坡的整體安全狀態，在邊坡布設4組監測儀器，對邊坡穩定性進行監測。

五、結論

通過對轉角洞堆積體邊坡進行穩定性計算和分析，可以得出以下結論：

(1)轉角洞堆積體坡體前緣出現的裂縫是由于坡體受外界條件影響，堆積體前緣局部蠕變導致的拉裂，邊坡整體是穩定的。

(2)轉角洞堆積體穩定性相對較差的區域較小，可能發生失穩的邊坡規模有限，不會因局部的穩定問題引起邊坡的整體失穩而堵塞河道的情況，因此轉角洞堆積體邊坡采取簡易大塊石壓腳防護為主，輔以安全監測，實時掌握堆積體整體穩定動態，為后期是否增加防護治理措施提供依據。

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袁俊陶(1987.02-)，男，漢族，江西省豐城人，工程師，碩士，中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，主要從事水利水電工程及巖土工程勘測設計工作。