貴州某水庫工程壩址右岸堆積體穩定分析

趙之舉, 趙一桐

(1.上海勘測設計研究院有限公司,上海 200434; 2.三峽大學,湖北 宜昌 443002)

中國西南地區山高坡陡,河谷發育史中曾出現強烈的下切侵蝕,大地地貌多以剝蝕—堆積的中高山地貌為主,自然邊坡處于斜坡變形破壞的活躍期[1]。在長期的重力地質作用及降雨等作用下往往形成一些成因和結構復雜的大型堆積體[2],這些堆積物在極端條件下極易誘發地質災害,給工程建設和居民生活帶來了嚴重的威脅和影響。水庫工程邊坡相對于公路、鐵路、礦山等其他工程,易于受到水環境的影響,因此具有更多的復雜性和特殊性[3]。

貴州某水庫工程位于道真縣洛龍鎮附近,擬建水庫最大壩高約50 m,樞紐建筑物主要有堆石混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸取水兼放空及生態防水設施等。影響水庫壩址選擇的關鍵性問題是高臺壩上壩址右岸上游側的堆積體,該堆積體的分布厚度、結構特征及穩定性對大壩壩址、壩型選擇、樞紐建筑物布置及水庫運行均意義重大。鑒于該地區降雨集中、雨量充沛、地質災害易發,開展了可行性研究專項勘察研究工作。在查清堆積體的邊界條件物質組成和結構特征情況下,分別對天然工況、降雨工況、水庫運行工況下堆積體的局部滑弧穩定和整體穩定性進行了定性定量分析,為大壩壩型及樞紐建筑物布置的可行性研究提供可靠的依據。

1 地質背景

工程區位于鄂黔滇中山區西北部、毗鄰四川盆地。工程所在區域屬中亞熱帶季風濕潤氣候,降雨多發生在5—10月,多年平均降水量1 049.4 mm,降水較豐沛。水庫壩址處河谷呈較對稱的“V”型,河谷寬度約100 m左右,左岸地形坡度多在30°～46°,右岸地形坡度多在25°～40°。水庫擬建混凝土重力壩,壩高約49 m,正常蓄水位875.0 m,壩頂高程879 m,抬高水頭30 m。

工程區地層為志留系中統韓家店組(S2h)灰色頁巖夾粉砂質頁巖,巖層呈單斜產出,產狀傾向121°～135°,傾角20°～24°,巖層傾向河流下游,河谷為橫向谷。工程區地震動反應譜特征周期為0.35 s,地震動峰值加速度0.05g,相應的地震基本烈度為Ⅵ度。

高臺壩上壩址右岸壩軸線上游100～130 m處發育6#沖溝,沖溝上游溝腦位于二疊系灰巖陡坎下部、高程約1 100 m,溝口河床高程845 m,高差約255 m。沖溝發育長度約600 km,沖溝比降0.42%,其中上部地形坡度35°～45°,中下部地形坡度14°～18°。

2 結構特征

6#-1堆積體分布于壩址右岸上游側的6#沖溝中下部。堆積體后緣高程930 m,前沿高程845 m,地形坡度14°～18°。現狀沖溝分布于堆積體軸線上游側,溝心有季節性流水,沖溝切割深度1～2 m。堆積體坡面形態呈多級臺坎,坎高一般1.0～3.0 m,為人工開荒修筑的梯田(見圖1)。堆積體沿6#沖溝呈NE向條帶狀展布,前沿呈扇形堆積于溝口,后緣寬度約65 m,中部寬度約150 m,扇緣寬度約340 m,分布面積約4.25萬m2。

圖1 6#-1堆積體現狀地形地貌圖Fig.1 Topographic map of 6#-1 accumulation body

勘探揭示,堆積體成分主要由下部的①層碎、塊石和上部的②層含礫粉質粘土及碎礫石層組成,結構不均。

① 層粗粒土—碎塊石,粒徑一般2～20 cm,呈棱角狀—次棱角狀,成分多為灰巖,夾有含礫粉質粘土,呈松散—稍密狀,局部有架空現象,具明顯的崩坡積堆積物特征。

② 層細粒土—含礫粉質粘土,分布于堆積體表部及洪積扇前緣,厚度一般2.0～4.5 m,可塑—硬塑狀。下游溝口附近土體因含水量大、呈軟塑—可塑狀。堆積物與下伏基巖接觸良好,未見剪切滑動面。中部—前緣表層分布的含礫粉質粘土及碎礫石層層理明顯,具顯著的洪積成因特征。

堆積體上游鉆孔揭示無地下水位,僅下游856 m高程處地下水埋深約3.5 m。鉆孔揭示堆積體厚度14.5～20 m,總方量約為41萬m3,其中水庫正常蓄水位875 m以上12.4萬m3,正常蓄水位以下28.6萬m3。堆積體地質剖面見圖2。

圖2 6#-1堆積體工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of 6#-1 accumulation body1.頁巖(S2h);2.碎石土鉆孔及編號;4.弱風化下限;5.含礫粉質粘土含碎石粉質粘土弱風化下限。

3 成因分析

第四系堆積物的成因一般根據地面調查、走訪并結合勘探揭示的堆積體物質組成綜合分析。

從堆積體周邊地貌形態來看,后緣與基巖或殘坡積層接觸,未見明顯的滑坡拉裂壁及下沉臺坎。兩側與基巖或殘坡積層接觸,未見滑坡壁跡象,兩側山體坡面平順,為坡面流自然侵蝕切割形成,堆積體周邊無滑坡形成的地貌特征,故可排除堆積體滑坡成因。

從堆積物成分來看以二疊系(P)灰巖塊石、碎石為主,而堆積體兩側及后緣邊界均為志留系韓家店組的頁巖,因此6#-1堆積體碎塊石部分應主要來源于溝腦以上坡頂灰巖陡坎的早期崩塌堆積。

從堆積體結構特征來看,堆積體下部碎塊石層具架空現象,上部含礫粉質粘土及礫石層具洪流沉積層理,因此堆積體應為崩坡積、洪積混合堆積形成[4]。

堆積體沖溝頂部為二疊系灰巖高陡邊坡,受重力作用早期巖體卸荷崩塌并沿坡面滾落堆積于沖溝形成崩塌堆積物。后期堆積體后緣以上坡面殘坡積層及其滑塌體在雨季面流剝蝕、沖溝洪流推動下,碎屑推移質逐漸下移并堆積于沖溝內崩坡積碎塊石層之上和溝口處,在大雨、暴雨等強降雨條件下,歷史上沖溝曾形成過短暫的泥石流并堆積于溝口、形成洪積扇。綜合地形地貌及勘探揭示成果,該堆積體為崩塌堆積、坡洪積共同作用形成的產物,新近期以坡洪積堆積為主。

4 穩定分析

4.1 定性分析

堆積體總體地形坡度均勻,坡面人工開挖的臺坎可見成層分布、較為穩定的細粒土硬殼層。坡體完整、坡面未見裂縫、沉陷及滑塌等不良地質現象,初步分析現狀堆積體處于穩定狀態。

4.2 穩定計算

4.2.1參數取值

根據鉆孔原位動力觸探試驗錘擊數與抗剪強度參數的經驗關系,并結合邊坡反算法綜合確定的邊坡抗剪強度參數如表1所示。

表1 各巖土體物理力學參數取值表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil

4.2.2計算方法

計算采用規范推薦的條塊極限平衡法進行邊坡穩定性計算,按其簡化方式和假設條件不同可分為瑞典(Ordinary)、畢肖普(Bishop)、簡布(Janbu)、摩根斯坦—普萊斯(M-P)等方法。

根據場地基本地質條件和邊坡結構特征,選取沿堆積體中軸線地質剖面進行穩定性計算(計算剖面見圖2),分別考慮天然、水庫蓄水、暴雨、水庫蓄水+暴雨四種工況邊坡體運行條件,并以搜索覆蓋層內淺層圓弧滑動,以及指定基—覆界面為底滑面的破壞模式來計算堆積體邊坡的穩定性[5]。

4.2.3計算結果

堆積體穩定計算結果見表2,其中極限平衡M-P法二維計算模型如圖3-圖7所示。

表2 各工況堆積體穩定計算安全系數一覽表Table 2 List of safety coefficient for calculating stable accumulated bodies under various working condition

圖3 天然、最危險滑弧計算示意圖Fig.3 Calculation of natural and most dangerous sliding arc

圖4 水庫蓄水、最危險滑弧計算示意圖Fig.4 Calculation of reservoir water storage and most dangerous sliding arc

圖5 天然、指定底滑面穩定計算示意圖Fig.5 Schematic diagram for stability calculation of natural and specified bottom

計算結果表明,各工況下堆積體邊坡沿最危險滑弧面滑動的安全系數K均>1.16,沿基巖面滑動的安全系數為2.70,根據相關規范要求的大壩邊坡標準安全系數為1.05～1.1。可見,天然工況、暴雨工況及水庫蓄水工況下堆積體均處于穩定狀態。

圖6 暴雨、最危險滑弧計算示意圖Fig.6 Calculation of rainstorm and most dangerous sliding arc

圖7 蓄水+暴雨、最危險滑弧計算示意圖Fig.7 Calculation of storage+rainstorm and most dangerous sliding arc

5 結論

(1) 鉆孔勘探揭示,堆積體成分主要由下部的①層碎、塊石和上部的②含礫粉質粘土及碎礫石層組成,結構不均。

(2) 堆積體未見明顯的裂縫及沉陷,周邊未見滑坡壁,堆積物成分以灰巖塊石、碎石為主,下部碎塊石層具架空現象,上部含礫粉質粘土及礫石層具洪流沉積層理,堆積體為崩坡積、洪積混合堆積形成。

(3) 天然狀態、水庫蓄水、暴雨等四種工況運行條件下,堆積體沿最危險滑弧及指定基—覆界面滑動的安全系數均>1.16,現狀堆積體及運行期各種工況下均處于穩定狀態。

(4) 堆積體對壩址、壩型選擇及樞紐建筑布置影響不大,由于上述結論是在現狀地形地貌條件下進行的計算分析,對于工程建設施工開挖后的邊坡仍需根據開挖情況另行進行穩定分析,并采取必要的支護處理。

(5) 水庫工程建成后,壩前水庫淤積作用將有利于堆積體邊坡的長期穩定性。