东庄水库坝前堆积体成因机制分析及稳定性评价

□刘建磊□王泉伟□周益民（黄河勘测规划设计有限公司）

东庄水库坝前堆积体成因机制分析及稳定性评价

□刘建磊□王泉伟□周益民（黄河勘测规划设计有限公司）

文章在分析堆积体物质组成及结构特征等地质环境的基础上，对坝前堆积体的成因机制、潜在变形破坏模式进行了进一步深入研究。结果表明，该堆积体主要在地形、构造、风化卸荷等因素作用下，岩体碎裂沿坡堆积，受河水及雨水等冲刷，进一步溶蚀胶结，逐步演化成如今的结构及外部特征。采用极限平衡法进行了计算，堆积体整体较稳定，在暴雨和水位降落工况下，稳定性欠佳，对顶部进行削坡处理后，稳定性满足要求。

东庄水库；堆积体；成因机制；稳定性评价

1 引言

东庄水库位于陕西境内泾河下游峡谷段，混凝土双曲拱坝，最大坝高230m，正常蓄水位789m，总库容30.60亿m3，工程等别为I等，工程规模为大（1）型。左岸近坝库段分布有一崩塌堆积体，距坝轴线较近，对大坝及附属建筑物布置有一定影响，一旦失稳将产生严重后果，因此开展稳定性分析评价工作十分必要。

2 堆积体工程地质条件

2.1 空间分布特征

堆积体位于大坝上游左岸,紧临围堰和导流洞进口，下游端距坝轴线约120m。坡面近直立，坡脚临水，出露高程592～709m，顺河长160m，分布宽一般10～30m，初估方量约9.60×104m3。

2.2 物质组成特征

地质调查和勘探平洞揭露，地表堆积体边界灌木植被丛生，界线清晰。堆积体物质主要由块径大小不一的灰岩岩块组成，块径一般0.20～0.40m，最大可达数米，探洞内可见原岩节理裂隙等结构面，偶见连续延伸。岩块嵌合较紧密，岩块间多充填淡黄色钙质和次生紫红色粘土，泥钙质胶结为主，具有松动后临坡堆积特征。表层物质受大气降雨、河水强烈冲刷，面蚀风化作用显著，岩块接触处泥钙质胶结较好，形成了独特的表层“硬壳”状结构。

2.3 结构特征

地表调查和探洞揭露，堆积体表层数米主要为散体状、碎裂状块石，以钙质胶结为主，多充填淡黄色钙质和次生紫红色粘土，溶蚀化后呈“硬壳”状。以里为碎裂状灰岩岩块，嵌合较紧密，原岩结构基本已破坏，局部原岩节理裂隙等结构面尚清晰可见，但延伸性很差。

3 形成机制分析

堆积体形成并保持现今的地貌及结构特征，是受地形、构造、风化卸荷、河水及降水等内外因素综合作用并逐步演化的结果内在因素：在泾河演变史上，河流快速下切，两岸多形成高陡的峭壁，为卸荷松弛变形破坏提供了有利的地形条件。f55断裂从堆积体后缘通过，成组陡倾大裂隙及节理发育，原岩遭受破坏，岩体较为破碎，为松弛堆积提供了物源基础。

外部因素：在风化卸荷外部营力作用下，节理裂隙等结构面的弱化进程进一步加剧，并随着时间的推移不断向深处发展，碎裂岩体不断松弛变形，最先在浅表部位发生规模不等的崩塌掉块，崩塌物质沿坡面堆积，内部岩体持续松动变形，但未发生大的错动塌落，呈嵌合状结构特征。在雨水河水冲刷、河水涨落等作用下，表层松散物质不断被冲刷带走，同时也不断加剧堆积体表层岩块的溶蚀化进程，局部崩塌堆积体架空，充填淋滤的粘土、岩屑等，浅表块体接触部位被钙质胶结，形成表层“硬壳”状结构，使堆积物保持着如今近直立的外部特征。

4 稳定性计算分析

堆积体以碎裂结构为主，坡面为碎块石与泥钙质胶结而成的近直立陡峻峭壁，现状条件下保持稳定，经受汛期洪水也未发生大规模的塌滑破坏，仅见局部零星的崩塌掉块现象，整体稳定性较好。

考虑到堆积体内部结构及岸坡特征，潜在破坏模式可能为卸荷碎裂状岩体内部圆弧型滑动和沿卸荷碎裂岩体边界的复合型滑动。经改进的Morgenstern-Price严格条分法，适用于圆弧形和非圆弧形，不仅考虑了条块底面的粘聚力和摩擦力，更考虑了条块间的法向力、切向力、竖向和水平地震惯性力，尤其是对较陡的滑面更具适用性。因此本次计算采用经改进的Morgenstern-Price严格条分法，选取代表性的主滑剖面1-1′（图1），对内部圆弧型和沿相对卸荷碎裂岩体边界进行滑面搜索，找出最危险滑动面，进行计算分析。

图1 1-1'计算剖面模型图

4.1 计算模型

从地质模型分析，堆积体物质主要块径大小不一的碎裂、块裂状碎块石组成，胶结程度较好，没有连续的控制性软弱结构面，经整体和局部圆弧型滑移搜索，其稳定系数较高，基本不存在内部局部圆弧型滑移的可能，其潜在滑移模式为沿卸荷碎裂岩体界面的滑移。

4.2 计算参数

堆积体物质组成制样和试验难度大，很难通过试验得到可靠的物理力学参数。因此在选择计算参数时，根据堆积体物质的相对破碎结构特征，采用基于GSI的Hoek-Brown经验方法确定岩体的抗剪强度指标。

Hoek-Brown准则是建立在岩体非线性破坏经验的基础上,用抛物线来拟合岩体破坏时的数据,适用于法向拉应力和法向压应力下的破坏条件，其准则计算表达式如下：

式中：σ1、σ3为破坏时的有效最大、最小应力，σc为完整岩石单轴饱和抗压强度；

mb、s、a为岩体的Hoek-Brown常量，它们均可表示为地质强度指标GSI的函数，其中mb为岩体的Hoek-Brown常数，s、a为表征节理岩体材料特征的常数：

式中：D为岩体扰动参数，取值介于0～1之间，0代表未扰动。

根据针对堆积体岩性及结构特征，参考坝址区灰岩室内物理力学试验成果，灰岩岩块取mi=10，GSI=40。利用公式(1)-(4)计算出堆积体天然状态下力学参数为：

综合规范提供的经验参数和采用基于GSI的Hoek-Brown准则计算的力学参数，最后选用天然状态下力学参数：

饱和参数进行一定的折减（c折减0.60～0.70，φ值降低5°），饱和内聚力c取185kPa，饱和内摩擦角φ取35°。

4.3 计算工况及荷载组合

计算工况主要考虑天然状态，暴雨，河水位涨落等因素，其计算工况组合方式见表1。

表1 计算工况组合方式表

4.4 计算方法

根据水工建筑物级别、崩塌堆积体边坡与水工建筑物的相互关系及边坡失稳后对建筑物的影响程度，划定为4级边坡，计算方法采用Morgenstern-Price严格条分法。

4.5 稳定性计算成果

采用上述方法进行计算，稳定性计算成果见表2。

表2 稳定性计算成果表

4.6 稳定性分析

4.6.1 极限平衡法计算结果分析

工况一至工况三，稳定性系数＞1.15（安全系数），堆积体处于稳定状态，并具有一定的安全裕度。

工况四，稳定性系数略大于安全系数1.10，堆积体处于稳定状态，但安全储备较小。

4.6.2 经历历史洪水稳定特征分析

据已有历史洪水资料，堆积体经历规模较大的洪水主要有五次，堆积体河段相应水位分别为635.40m（1841年）、630.30m（1911年）、622.30m（1933年）、619.50m（1966年）和617.10m（1973年）。经历历史最大洪水635m（1841a）时，堆积体仍处于稳定状态，未发生大规模的失稳破坏，与上述计算工况二（水位抬升至638.80m）堆积体仍处于稳定状态的结果基本相一致。

5 工程处理措施建议

堆积体距离坝线和上游围堰距离很近，失稳破坏对右岸导流洞进口等工程产生不利影响，因此需采取一定的工程措施。经对比分析，建议采取削坡处理方案，在堆积体650m高程设置宽2.00m的马道，向高处进行1：0.50削坡进行放坡清除。

进行放坡处理后，采用前述分析方法对最不利工况四进行计算，削坡处理后，1-1′剖面稳定系数在1.23～1.43，处于稳定状态。说明采取削坡减载方案是可行的。

6 结论与建议

堆积体表层主要为松散状、碎裂状块石，钙质胶结为主，充填淡黄色钙质和次生紫红色粘土，溶蚀化后呈“硬壳”状。形成并保持现今的地貌及结构特征，是受地形、构造、风化卸荷、河水及降水等内外因素综合作用并逐步演化的结果。经过稳定性计算分析，堆积体在天然和水位降落工况下处于稳定状态，但经受暴雨叠加工将处于失稳的边缘。因此建议采用削坡减载处理方案，对堆积体650m以上进行1：0.50削坡处理，处理后进行计算，堆积体处于稳定状态，削坡减载方案可行。

[1]工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]周念清,杨楠,汤亚琦,秦敏.基于Hoek-Brown准则确定核电工程场地岩体力学参数[J].吉林大学学报(地球科学版), 2013,43(5)P：1517-1522.

[3]闫长斌、李国权、陈东亮等.基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式[J].岩土力学,2011,32(10)P：2951-2956

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2016-06-13

（责任编辑：韦诗佳）

刘建磊(1984-)，工程师，主要从事水利水电工程勘测设计工作。