三门峡西段村水库泄洪洞—消力池部位黄土岸坡稳定性分析

符新阁, 应敬浩, 田 乐

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

三门峡西段村水库泄洪洞—消力池部位黄土岸坡稳定性分析

符新阁, 应敬浩, 田 乐

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

西段村水库位于黄河支流的涧河上,大坝右岸消力池部位黄土岸坡施工过程中出现失稳变形现象,致使消力池施工被迫停止。为保证安全,需对消力池及上游右坝肩至泄洪洞出口段黄土边坡进行稳定性评价,为此,开展了必要的地质研究工作,并应用计算软件进行了分析计算,提出了针对性的处理措施。本研究成果在工程中的应用,解决了关键性工程地质问题和难题,为节省投资,加快施工进度以及防治地质灾害提供了依据。

消力池；黄土边坡；稳定性分析

三门峡西段村调蓄水库位于黄河一级支流的涧河上,是中西部某市为解决当地工农业用水的省级重点工程。该水库为均质土坝,最大坝高45.6 m,总库容2 970×104m3,为中型水库。主体工程布置于右岸,主要由泄洪洞、输水洞、溢洪道及消力泄水明渠等组成,建筑物级别为二级。2002年4月,在施工过程中,消力池黄土边坡局部出现变形。为确保工程安全地运营,需对该段黄土边坡的稳定性进行必要的分析评价。

1 边坡工程地质条件

西段村水库泄洪洞—消力池区段位于一近南北向黄土梁东侧的黄土岸坡处,在地貌单元上属黄土丘陵区,区内沟谷纵横、岸坡陡立,黄土塬、梁等地貌形态交错分布。地形起伏较大,地面高程一般在535～584 m。常年有水的涧河自北西向南东从边坡左侧前缘通过本区,河谷开阔,呈不对称的“U”型,并发育有Ⅰ、Ⅱ级阶地,左岸阶地出露齐全,右岸Ⅱ级阶地大部分缺失。右岸黄土梁梁顶平坦宽阔,周边岸坡较为高陡,上部近于直立,坡高近50 m,自然坡角一般30°～40°。左岸为漫滩及阶地组成的宽缓黄土斜坡。

区内构造简单,地层稳定,仅见有Q3黄土中的垂直裂隙与Q2黄土中的网纹状裂隙,未见有断层等构造形迹出现。出露地层除河谷中有少量的Q4砂砾石和黄土外,基本上为近水平沉积的巨厚层Q2浅褐红色粉质粘土和Q3棕黄色粉质粘土所覆盖,未见基岩出露。

本区地下水埋藏较深,主要受大气降水及西北山体地下水的补给,涧河为本区唯一地表径流水源,常年有水,枯水季节流量一般在0.3 m3/s,常水位高程535 m左右,为本区地下水排泄基准面。根据现场和室内试验,本区土体河床底部含砂砾石透镜体粘土层的渗透系数相对较大,达3×10-4cm/s,属中等透水层外；其余粉质粘土层及含钙质结核粘土层,渗透系数(k)大多为10-5～10-8cm/s,均为弱—微透水层。

区内分布的不良物理地质现象主要为崩塌和滑坡。崩塌主要发生在右岸黄土陡坎处,崩塌后的黄土堆积于岸坡下部,常成为塌岸的主要物质。滑坡则位于二级消力池处,为一自然形成的黄土滑坡,宽约150 m,长85 m左右,平面上呈椭圆形,约8×104m3,属小型滑坡。

工程区地震动峰值加速度为0.05～0.1g,对应地震基本烈度按Ⅶ度考虑。

西段村水库泄洪洞—消力池区段地质图见图1。

2 稳定性分析与评价

2.1 定性分析

西段村水库泄洪洞出口—消力池段全长267.8 m,设计有两级半消力池、海漫和陡坡,高程由543～528.8 m。右岸边坡由涧河右岸高陡黄土梁开挖而成,总长约200 m,坡向129°,坡高40～50 m,设计坡比为1∶0.75,每12 m高开挖一条宽4 m的马道,坡面不再作加固处理。2002年4月,边坡已基本开挖到位。

图1 西段村水库泄洪洞至消力池区段地质图Fig.1 The geological map of the spillway tunnel to stilling basin in the Xiduancun reservoir1.人工堆积土；2.(河漫滩)冲洪积土；3.滑动堆积土；4.(黄土梁)冲洪积土；5.崩积土;6.滑坡体。

地质勘察发现黄土失稳变形主要发生在二级消力池上部,该部位历史上曾发生过多次滑动,为一黄土老滑坡,现状条件下的变形失稳主要是对老滑坡体坡脚的开挖造成的重新复活,已作专题研究和处理。本文研究的该滑坡之外的黄土岸坡,组成物质主要为Q2老黄土,且含钙质结核层,土体密实,透水性差,强度相对较高,自稳能力好。经调查,除局部陡立(自然坡角一般>45°)岸坡上部有少量崩塌外,几十年来未见有明显的变形痕迹,自然状况下是稳定的。

2.2 定量分析

开挖后的泄洪洞出口—消力池右岸边坡,坡度变陡、临空面增大,原有的力学平衡状态被改变。水库蓄水后,由于地下水位抬升,土体重度增加、抗剪强度降低、土体渗透压力也会对岸坡稳定产生不利影响。随着环境地质条件的改变,各种影响边坡稳定性因素的增加,需对消力池开挖边坡的稳定进行必要的分析评价。

2.2.1 计算方法选择

消力池右岸边坡以粉质粘土为主夹有较多的钙质结核,考虑到钙质结核未胶结形成稳定的层,可作为计算分析的安全储备,整个岸坡可作为单层均质土坡来进行稳定性分析。目前,国际国内对于均质土坡稳定性分析多采用毕肖普法与瑞典条分法,此两种方法工程实例比较多,有成熟先进的计算分析软件,对于黄土均质土坡比较适合[1]。

2.2.2 计算模型建立

计算选取垂直于坡向的E-E′(图2)、F-F′剖面(图3),两剖面为消力池岸坡区的两种典型坡型,基本代表了岸坡区地质条件,满足稳定性分析要求。因此,选择E-E′、F-F′剖面作为典型剖面来进行岸坡的稳定计算是合适的。

由于土质岸坡失稳多沿最危险弧形面滑动,选定剖面处岸坡骤然变陡的坡脚点作为计算原点,按照消力池右岸边坡设计开挖坡度的原型建立相应的计算剖面。给出计算原点、上下土层的参数值,包括厚度(h)、重度(γ)及抗剪强度(c、φ)等,运用毕肖普法与瑞典条分法,搜索计算出该剖面在此模型下的最危险圆弧滑动面的圆心、半径及安全系数。另外,在考虑地下水作用时,按前述分析工况及设计高水位时可能的绕坝渗漏情况等给出地下水面线的起始原点及形状、土体饱和重度(γsat)参与计算分析；考虑地震作用影响时,按天然状况和设计高水位两种情况分别与Ⅶ度地震烈度进行综合分析。

2.2.3 计算参数选择

土体抗剪强度以原状土样UU试验成果为基础,根据原地形条件下的边坡长期稳定情况,反演分析了土体的强度参数；经对比分析,并结合其它工程实践经验类比,确定了土的天然状态下物理力学计算参数[2]。

图2 E-E′剖面推测最危险滑动面计算示意图Fig.2 The schematic diagram of the most dangerous sliding surface of the E-E′ profile

图3 F-F′剖面推测最危险滑动面计算示意图Fig.3 The schematic diagram of the most dangerous sliding surface of the F-F′ profile

力学参数选择为c=45 kPa,φ=22°；岸坡为均质土坡,根据试验成果土体含水率较高,考虑水库蓄水影响,土的重度(钙质结核因素)取大值平均,确定在天然状态下,土体重度γ=19.6 kN/m3,土体饱和重度γ=20.0 kN/m3；在考虑水库蓄水影响时,根据设计资料,利用上下游的水位差(577.8～544.5 m)和平距(140 m),计算出水库渗漏的水力坡度i=0.24,以此坡度作为岸坡中地下水的水力坡度；地震影响按Ⅶ度地震烈度计算,地震水平加速度取0.1g。各计算参数见表1。

表1 泄洪洞—消力池段黄土边坡土的物理力学参数表Table 1 The soil physical and mechanical parameters of the loess slope which in the spillway tunnel to the stilling basin section

2.2.4 计算结果及评价

应用成熟的边坡稳定分析软件,在自然状态和蓄水后地下水影响两种状态下,对消力池右岸边坡的E-E′、F-F′剖面分别进行了稳定性计算,结果见表2、表3。

表2 E-E′剖面稳定计算结果Table 2 The stability calculation results of E-E′ profile

表3 F-F′剖面稳定计算结果Table 3 The stability calculation results of F-F′ profile

计算结果显示：在不考虑地震作用,设计开挖边坡为自然条件下,各种计算方法所得稳定系数结果均>1,设计开挖边坡处于稳定状态。考虑地下水的影响时,略>1,处于基本稳定状态或平衡状态；地震因素对边坡的稳定性影响比较显著,在考虑Ⅶ度地震烈度影响时,安全系数接近于1(0.95～1.02),说明边坡处于极限平衡状态。

由于毕肖普法计算时考虑了块体间的侧向力,计算结果比较符合实际,瑞典条分法没有考虑块体间的侧向力,计算结果偏于保守。同时,计算分析应用UU试验参数,与有效应力法计算结果相比也偏于安全。

3 处理措施

由于设计开挖边坡虽在天然状况下处于稳定状态,但在考虑地下水，尤其在考虑地震工况时,安全裕度不大。因此,建议适当放缓坡度或结合坡脚处海漫、消力池的混凝土边墙支护等工程进行适当加固处理,并注意坡面排水等,以保证工程的安全运营。现状条件下,根据地质建议采取1∶1.1左右的综合开挖坡比,并结合坡脚处海漫、消力池的混凝土边墙支护措施后,黄土边坡的稳定性满足了工程要求。

4 结语

西段村水库泄洪洞口—消力池段黄土边坡自然状态下处于基本稳定状态,该二级消力池部位施工过程中的黄土岸坡变形属一老黄土滑坡的重新复活。设计开挖的泄洪洞出口—消力池段黄土边坡现状条件下处于基本稳定状态,考虑最不利的工况条件,即发生Ⅶ度地震和水库蓄水至设计洪水位时边坡的稳定系数偏低,安全裕度不大。建议适当放缓坡度或增加其它加固措施,并注意坡面排水等,以保证工程的安全运营。目前,根据地质建议采取1∶1.1左右的综合开挖坡比,并结合坡脚处海漫、消力池的混凝土边墙支护措施后,黄土边坡的稳定性满足了工程要求,经受了近十年的运行考验,稳定状况良好。

研究成果在为解决关键性工程地质等问题提供强有力技术支撑的同时,也为类似工程的黄土边坡设计,提供了良好的借鉴。

[1] 潘家峥.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京：水利出版社,1980.

[2] 应敬浩，张书光，郭卫新.三门峡西段村水库消力池滑坡特征及稳定性分析评价[J].资源环境与工程,2009，23(5):637-639.

(责任编辑：陈文宝)

The Loess Slope Stability Analysis of Spillway Tunnel to Stilling Pool in the Xiduan Village Reservoir Which is the Key Project of Sanmenxia

FU Xinge, YING Jinghao, TIAN Le
(YellowRiverEngineeringConsultCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The Xiduan village reservoir located in the Jian river which is the Yellow River tributaries,the buckling deformation in the loess slope which located on the right bank of the dam stilling pool appears in the process of construction,which was forced to stop the construction of the stilling pool. In order to ensure the safety,it must analyze the slope stability which located in the stilling pool and the upstream right abutment to the export of flood discharging tunnel,so the necessary geological researches and the analysis calculations were carried out,the treatment measures were put forward at last. This research is applied in the project,solved the key issues and problems of engineering geology. It provides basis for saving investment,accelerating the construction process,prevention and controlling the geological disasters.

stilling pool;loess slope;stability analysis

2014-09-17；改回日期：2014-11-07

符新阁 (1967-),男，高级工程师,硕士,地质工程专业,从事工程地质与水文地质勘察、研究工作。E-mail:Fuxg@yrec.cn

P642

A

1671-1211(2015)01-0055-04

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20141229.0937.003.html 数字出版日期:2014-12-27 09:37