西藏某水電站壩前大型冰水堆積體穩(wěn)定性研究

王有林，趙志祥，許曉霞，李常虎

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.國家能源水電工程技術研發(fā)中心高邊坡與地質災害研究治理分中心,西安 710065)

0 前 言

青藏高原地區(qū)水利水電工程地處高寒、高海拔、高烈度等惡劣地質環(huán)境，給工程勘察設計、施工建設帶來了極大的難度。藏東南的高山峽谷河流中冰水堆積物分布廣泛，表現(xiàn)為河谷深切，堆積物厚度一般為數(shù)十米，部分可達數(shù)百米，規(guī)模巨大，體積可達數(shù)百萬立方米至數(shù)千萬立方米[1-3]。

冰水堆積物是在冰川堆積、重力堆積、水流堆積、風化殘積、構造作用等綜合堆積作用下形成的松散堆積體，具有典型的二元介質特征，顆粒分布具有明顯的不同尺度、不均勻和隨機分布特征[4-5]，工程性質表現(xiàn)為軟弱的基質松散材料中存在大顆粒物質，成因、結構及工程地質特征復雜，常見于大型水利水電建設工程中，嚴重制約和影響中國青藏高原地區(qū)的水利水電開發(fā)。

青藏高原冰水堆積物成因類型復雜，主要為第四紀冰期與間冰期形成，具備的特征有規(guī)律可循，主要表現(xiàn)為顆粒粒徑分布范圍廣，物質成分復雜，結構密實，少見架空現(xiàn)象。國內諸多學者對冰水堆積物的形成演化過程及其與古氣候環(huán)境的關系等進行了有益探索[6-7]；進而在大量試驗及相關工程資料收集的基礎上對青藏高原典型冰水堆積物的滲流特性、強度特性以及變形特性等進行了較為深入的分析和研究[8-10]，并在建壩應用方面取得了豐富的實踐經驗。

西藏某水電站兩岸邊坡高陡雄偉，河谷深切。流域范圍內冰川地貌發(fā)育，兩岸冰磧和冰水堆積物沿江分布，其分布特征和穩(wěn)定狀態(tài)制約水電工程梯級電站選址和樞紐建筑物的布置；同時位于近壩庫岸的大型堆積體在蓄水條件下可能存在失穩(wěn)破壞，威脅大壩及其他水工建筑物的安全，因此正確認識近壩區(qū)大型冰水堆積體的發(fā)育特征及穩(wěn)定性狀況，并提出針對性的防治措施，對工程建設具有重要實踐意義。本文在論述某電站壩前冰水堆積體發(fā)育特征的基礎上，采用數(shù)值模擬方法分析其在不同工況下的穩(wěn)定狀態(tài)和對蓄水的敏感性，并預測評價冰水堆積體失穩(wěn)破壞后對電站的影響，為電站工程建設提供支撐。

1 堆積體發(fā)育特征

1.1 分布特征

西藏某電站壩前大型冰水堆積體分布在右岸大型沖溝R-c1地帶，距壩軸線約1 600 m，堆積體方量283.8×104m3。主要由塊石、碎石土所構成，呈扇形膠結堆積，分布長度近530 m，臨江高度410 m。

堆積體分布在右岸沖溝內，上部窄、下部寬，表面呈“錐”型。堆積體兩側基巖裸露，巖性為灰黑色細粒大理巖，高程2 870.00 m以下為一陡坎，岸坡坡度一般65°～70°；高程2 870.00 m以上岸坡較緩，岸坡坡度約40°左右。堆積體兩側谷坡坡度高陡，在冰川侵蝕作用下形成深切的沖溝地貌，對堆積體的向下運動有一定的約束作用。由于沖溝的形成與冰川運動相關，堆積體在自身重力場作用下膠結、自穩(wěn)能力好，前緣40 m為近直立的陡坎，坡表無植被發(fā)育。

堆積體前緣直抵河床，河床高程2 712.00 m，堆積體后緣高程3 130.00 m，相對高差418 m。河床處堆積體寬度為350 m，壩頂高程2 940.00 m處寬度約40 m。堆積體前緣陡坎近直立，高度約40 m。陡坎以上堆積體平均坡度約34°。堆積體上部山體高陡，沖溝變淺窄且狹長，直通坡頂分水嶺，堆積體全貌見圖1。

圖1 冰水堆積體全貌照片

1.2 坡體結構特征

堆積體粗顆粒巖性主要以灰?guī)r和大理巖為主，物質組成中大于500 mm的顆粒約占0～14.2%，平均6.7%；200～500 mm顆粒約占10.6%；60～200 mm顆粒約占27.7%；20～60 mm顆粒約占17.5%；5～20 mm顆粒約占14.9%；小于5 mm的細粒約占22.7%，不均勻系數(shù)692，曲率系數(shù)14.665，級配不良。堆積體層狀分布特征不明顯，以塊石礫石土為主，夾砂礫石層透鏡體，塊石和礫石以棱角狀、次棱角狀為主，少量次圓狀。顆粒組成偏粗大，塊石、碎石、礫石磨圓度較差。堆積體總體無明顯的分選特征，磨圓度差，未見沉積層理。顆粒組成多元且不均一，結構上表現(xiàn)為巨粒、粗粒和細粒的無序混雜堆積，粗顆粒形成骨架，細顆粒鑲嵌其中，具備一定的膠結性，組成物質在平面和空間上無顯著變化規(guī)律。

通過坡表探槽內取樣8組，獲取其天然密度為2.2 g/cm3，天然干密度為2.17 g/cm3，最優(yōu)含水量均值為7.5%；壓縮系數(shù)0.14 MPa-1，壓縮模量10.58 MPa，凝聚力45 kPa，平均摩擦角33°，臨界水力坡降0.47。

鉆孔揭露最大厚度72 m，堆積體底界面基于鉆孔、物探探測綜合確定(見圖2)，地表結合三維激光掃描技術獲取的激光點云，利用多重剖面綜合計算獲取其堆積體體積為283.8×104m3。

2 穩(wěn)定性評價

2.1 計算模型與參數(shù)

壩前右岸大型冰水堆積體位于壩址上游1.6 km，規(guī)模大，其穩(wěn)定狀態(tài)對水電工程施工和運行安全具有重要影響。根據(jù)已有資料將右岸堆積體剖面復雜的地質原型概化為巖體力學數(shù)值模型，計算模型見圖3。模型單元選用三角形、四邊形等參常應變單元，單元數(shù)2695個，節(jié)點數(shù)1731個，模型分析容差0.001，地震動峰值加速度0.18g。

圖2 冰水堆積體工程地質剖面

采用數(shù)值模擬，分析不同工況條件下的應力狀態(tài)。考慮天然工況、正常蓄水位2 940.00 m工況、地震工況以及蓄水+地震共4個工況。計算模擬參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2.2 最大主應力分布特征

根據(jù)計算結果，堆積體內最大主應力σ1分布主要受坡形、物質組成等因素的影響和控制，局部出現(xiàn)一定的應力集中。

天然狀態(tài)下(見圖4)，堆積體影響范圍內最大主應力σ1分布較為均勻，量值在1.00～3.00 MPa范圍內變化，受坡面臨空效應影響，坡面處σ1為最小值。在地震工況下，堆積體影響范圍內最大主應力σ1分布形態(tài)未發(fā)生明顯變化，其量值與天然狀態(tài)相比明顯增高，量值在1.00～3.50 MPa范圍內變化。堆積體內應力分布規(guī)律與天然狀態(tài)基本相近，分布范圍和應力量值有所增加。

圖4 天然工況下最大主應力分布

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下(見圖5)，堆積體影響范圍內最大主應力σ1量值稍高于天然狀態(tài)，應力量值在1.00～4.00 MPa；蓄水工況下堆積體內應力分布特征與天然狀態(tài)類似，應力量值略有增加。在水庫正常蓄水位2 940.00 m并同時遭受最強地震作用的最不利工況條件下，淺表層最大主應力σ1明顯增加，堆積體坡腳和后緣產生應力集中。最大主應力σ1量值范圍仍處于1.00～4.0 MPa，淺表層應力增加明顯，深部未發(fā)生明顯變化。

2.3 最小主應力分布特征

天然狀態(tài)下(見圖6)，堆積體影響范圍內最小主應力σ3整體量值普遍較小，淺表層應力分布較均勻，總體應力量值在0.00～1.25 MPa范圍內變化。在遭受區(qū)域最強地震作用工況下，堆積體影響范圍內最小主應力σ3在-0.30～1.25 MPa范圍內變化。與天然狀態(tài)相比淺表層應力量值減小，深部應力量值無明顯變化，拉應力分布范圍變大。

圖5 蓄水工況下最大主應力分布

圖6 天然工況下最小主應力分布

圖7 蓄水工況下最小主應力分布

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下(見圖7)，堆積體影響范圍內最小主應力σ3整體分布仍較均勻，應力量值保持在0～0.75 MPa。根據(jù)圖6和圖7所示，通過比較天然狀態(tài)和蓄水工況下的最小主應力σ3分布，淺表層應力分布特征基本一致，量值略有增加；深部應力分布產生較大變化，坡腳和堆積體底面處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力量值減小。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m、并同時遭受最強地震作用的最不利工況條件下，深部最小主應力σ3分布較均勻，淺表部應力量值較蓄水狀態(tài)下有所減小，深部未發(fā)生明顯變化。應力影響范圍有所擴大。

2.4 最大剪應力分布特征

天然狀態(tài)下，堆積體影響范圍內最大剪應力τmax分布均勻穩(wěn)定，量值較低，總體在0.50～1.50 MPa范圍內變化(見圖8)。

圖8 天然工況下最大剪應力分布

在遭受區(qū)域最強地震作用工況下，最大剪應力τmax分布特征與天然狀態(tài)基本一致，量值局部略有增加。在堆積體坡腳和底面前緣出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，剪應力量值與其它部位相差0.25～0.50 MPa。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下，堆積體影響范圍內剪應力τmax分布仍較均勻(見圖9)，與天然狀態(tài)相比剪應力量值略有增加。堆積體內應力集中部位及其分布特征基本類似于天然狀態(tài)，但剪應力量值較天然狀態(tài)有所改變，最大值τmax=1.50 MPa。堆積體坡腳處應力集中現(xiàn)象明顯，相比天然狀態(tài)剪應力量值有所增加。坡腳部位剪應力量值一般高出其他部位0.50～1.00 MPa。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m、并同時遭受最強地震作用的最不利工況條件下，淺表部最大剪應力τmax量值明顯高于蓄水工況，一般為1.00～2.00 MPa。應力集中主要出現(xiàn)在坡腳部位，最大剪應力τmax量值超過其他部位0.50～1.00 MPa。

圖9 蓄水工況下最大剪應力分布

2.5 穩(wěn)定性評價

結合冰水堆積體所做的地質勘察工作及分析，建立了極限平衡計算模型，潛在破壞面為基—覆界面。該堆積體厚度較大，最大厚度72 m，其前緣直至河床。潛在滑移控制面為堆積體與基巖的接觸帶，剪出口處于河面常水位附近。

根據(jù)計算結果(見表2)，冰水堆積體天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震不利工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。蓄水后其穩(wěn)定性大大減小，計算的整體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞的可能較大。并且該堆積體處于壩前近壩庫岸范圍內，一旦整體性失穩(wěn)破壞將對大壩的安全穩(wěn)定造成較大的影響。

表2 穩(wěn)定性計算結果

為了進一步研究其穩(wěn)定性與蓄水位的關系，對不同蓄水位下的堆積體穩(wěn)定性進行了敏感性分析，根據(jù)計算結果(見圖10)，天然工況下水位低于2 850.00 m時，堆積體整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當水位升至2 850.00 m附近時，堆積體存在失穩(wěn)可能；在地震、暴雨等不利工況條件下，當水位在2 750.00 m以上時，就存在失穩(wěn)的可能性，地震條件下甚至低于2 750.00 m就存在失穩(wěn)的可能性。

通過以上分析，可以得出初步結論：當水庫建設中圍堰截流的安全運行高度2 750.00 m時，在天然條件下不存在安全隱患；當暴雨條件下其圍堰高度低于2 750.00 m時，庫區(qū)內的堆積體穩(wěn)定性基本大于1，但在接近2 750.00 m時，其安全儲備不足；在地震條件下，庫區(qū)內右岸堆積體的安全蓄水高度明顯下降，2 725.00 m左右將達到極限狀態(tài)。因此，圍堰的設計除考慮不同概率條件下的洪水位外，尚應考慮堆積體的影響。

圖10 堆積體蓄水敏感性分析

3 堆積體對電站的影響評價

3.1 失穩(wěn)后的滑速計算

根據(jù)穩(wěn)定性評價成果，堆積體蓄水后大部分將被水淹沒，在蓄水后其穩(wěn)定性急劇下降，穩(wěn)定性差。由于其距壩址近，規(guī)模巨大，一旦失穩(wěn)，其造成的涌浪可能危及大壩安全，為此開展了冰水堆積體失穩(wěn)涌浪研究。

目前對于滑坡或邊坡失穩(wěn)后滑速計算方法很多，其中能量法研究滑坡體系內能量轉化關系，基于能量守恒定律，研究滑動前后的體系總能量，理論較成熟，參數(shù)易獲取；潘家錚法充分考慮了滑面形態(tài)和滑動模式，研究方法更能真實反映滑體結構。本文以最不利因素考慮，堆積體最大失穩(wěn)范圍以兩側沖溝為界，寬度40～350 m，長約500 m，體積283.8×104m3。本工程初擬圍堰高程為2 750.00 m，初期蓄水高程2 850.00 m，正常蓄水位2 940.00 m，選用以上水位進行最大滑速計算，計算得到不同庫水位條件下的最大滑速見表3。堆積體隨著蓄水水位的升高，滑速呈現(xiàn)降低的趨勢，分析認為產生這種現(xiàn)象與庫水的頂托力有關。堆積體失穩(wěn)后的最大滑速為11.1 m/s，屬極高速滑坡。

3.2 涌浪計算

滑坡失穩(wěn)入庫后會產生涌浪，對大壩的安全造成極大影響，因此需研究滑坡產生的涌浪至壩前的最大浪高，為設計提供依據(jù)。涌浪計算以滑速和滑坡體積為基礎，目前計算滑坡涌浪的方法包括潘家錚法、北京水科院算法和模型試驗法等[11]，本次研究主要采用水科院算法。

表3 滑速計算成果

正常蓄水位2 940.00 m時，用潘家錚法對堆積體得到的滑速進行計算，各水位條件下產生的涌浪高度一般均小于3 m。能量法滑速研究成果計算的涌浪最大高度為3.43 m(見表4)。以最不利工況考慮，綜合預測該冰水堆積體失穩(wěn)入庫后，在壩前產生的最大涌浪高度為3.43 m。

表4 堆積體2 940.00 m水位時不同滑速下的涌浪高度

涌浪的預測涉及復雜的巖土力學、動力學、運動學、流體力學等相關學科，國內外尚無一例事先預測而后期經驗證較為準確的案例，事后的驗證、擬合性分析計算存在人為因素。鑒于堆積體距壩址區(qū)近，一旦失穩(wěn)破壞對水工建筑物有較大影響，因此從工程安全角度，需重視堆積體的穩(wěn)定性及可能產生的涌浪破壞，采取必要的防護措施，并布置相應的安全監(jiān)測手段。

4 結 論

(1) 研究流域河谷兩岸冰水堆積體顆粒粒徑分布范圍廣，結構密實，少見架空現(xiàn)象，呈弱膠結性，具有明顯的不同尺度特征、不均勻特征和隨機分布特征，成因、結構及工程地質特征復雜。

(2) 冰水堆積物形成時代久遠，大多經歷了長時期的壓密、固結，大多具有結構密實、高密度、孔隙率小、滲透性弱、膠結較好的特點。變形模量、壓縮模量較其他松散覆蓋層高得多，屬典型的高承載力、低壓縮性土，天然狀態(tài)下冰水堆積體岸坡整體穩(wěn)定性好，局部成近直立狀態(tài)。

(3) 蓄水后堆積體大多位于水下，細顆粒發(fā)生軟化，同時膠結作用減弱，飽水條件下導致內聚力降低明顯，內摩擦角變化不大。蓄水后的穩(wěn)定性大大減小，整體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，可能會發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞。

(4) 水庫蓄水水位越高，堆積體失穩(wěn)后的滑速反之越小，但變化不明顯，失穩(wěn)后最大滑速為11.1 m/s。失穩(wěn)后產生的涌浪至壩前最大浪高為3.43 m。冰水堆積體距壩址近，失穩(wěn)后產生的涌浪對施工期的安全和水工建筑物運行影響較大，需采取針對性的防治措施和布置必要的監(jiān)測措施。