玛尔水电站右岸倾倒体结构特征与稳定分析

赵之举, 何燕云, 赵一桐

(1.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434; 2.三峡大学,湖北 宜昌 443002)

玛尔水电站位于巴基斯坦东北部印度河支流吉拉姆河上,电站水库总库容约1.2亿m3,最大坝高约90 m,拟建建筑物由碾压混凝土重力坝、坝后式厂房及溢流、泄洪等建筑物组成。坝址地形条件适宜修建混凝土重力坝,但坝址右坝肩为一倾倒变形体岸坡,倾倒体的发育规模、空间分布、结构特征及稳定性对枢纽建筑物布置意义重大,为此开展了右岸倾倒变形体的勘察研究工作。本文针对倾倒体的稳定分析,不仅考虑了水库蓄水前后的各种自然工况,更为关注的是水库蓄水初期、中期边坡的稳定状况。

1 边坡地质条件

工程区处于印度板块与欧亚板块碰撞带之西构造附近,地震活动活跃,50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.30g,区域构造稳定性较差[1-2]。

坝段河谷为一纵向谷,沿河谷发育一背斜构造。两岸山体雄厚,为中陡倾角反向坡,岸坡岩性由上第三系穆里组(N1m)的砂岩及泥质岩相间组成,岩层倾角40°～70°,岩体差异风化严重、强卸荷水平深度约50 m,层间挤压破碎带及软弱夹层较为发育。坝址左岸自然边坡坡度25°～35°,右岸为倾倒变形体边坡。

坝址右岸边坡上缓下陡,高程610.0 m以上边坡较缓,地形坡度15°～25°;高程590～610.0 m段地形坡度约30°～40°,590 m高程以下40°～55°。倾倒体边坡覆盖层以残坡积砂质粘土为主,残坡积厚度一般1～4 m,边坡前缘坡脚附近基岩露头良好。根据边坡岩体组合特征,边坡岩体可划分为7个岩性组,分别是:⓪层粉砂质泥岩,块状;①层砂岩夹粉砂质泥岩,次块状—碎裂状;②层粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩、砂岩,碎裂—片状;③层砂岩,次块—碎裂状;④层粉砂质泥岩、砂岩互层,碎裂夹碎块状;⑤层砂岩,次块—碎裂状;⑥层砂岩、泥质粉砂岩互层,层状—块状。其中①～⑤层岩组位于倾倒变形体范围。

边坡处于坝址河床背斜的西翼。正常岩层产状走向NW330°～340°/倾向SW,倾角50°～70°,现状坡面岩层倾角一般15°～40°,坡面岩层倾角较天然产状倾角偏缓,岩层均有不同程度的倾倒现象。

边坡体内未见明显的断层通过,主要的地质构造为层间剪切带和裂隙构造。剪切带发育宽度一般1～30 cm,剪切面光滑、多有擦痕,剪切带物质多为碎屑夹泥型,结构面倾角一般接近岩层倾角,为25°～55°。构造裂隙主要为走向NW、NWW和NEE三组,由于倾倒体处于强风化、强卸荷带内,裂隙面多铁锰质氧化物浸染,卸荷张开或充填碎屑及次生夹泥。平硐揭示的倾倒体潮湿,但无滴水、渗水现象,处于地下水位以上。倾倒体边坡纵向剖面见图1。

2 倾倒体结构特征

根据平硐揭示倾倒体水平深度20.0～48.0 m,钻孔揭示倾倒体垂直深度约30.0 m,估算倾倒变形体方量35.0万～40.0万m3。

根据平硐揭示,倾倒体由强风化、强卸荷的砂岩、泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩组成,岩体结构呈次块状—碎裂状和薄层状。不同深度、不同岩性倾倒体边坡变形程度和破坏形式存在差异。边坡浅部岩体一般变形程度强,深部岩体变形程度变弱[3],边坡体内硬质岩砂岩一般表现为倾倒松弛破坏,泥质粉砂岩及粉砂质泥岩岩性较软,多表现为弯曲破碎变形。

图1 倾倒体边坡纵向剖面图Fig.1 Longitudinal section map of dump slope1.粉砂质泥岩;2.泥质粉砂岩;3.砂岩;4.平硐;5.岩组编号;6.倾倒体界线;7.强风化下限;8.强卸荷带下限;9.地下水位线。

3 成因机制

坝址右岸边坡为软岩与硬岩相间分布的中陡倾角反向坡,受河流侵蚀作用影响前缘边坡较陡,局部软岩被水流掏蚀形成空洞。在重力、地应力、地震等内外营力共同作用下,边坡岩体一方面向临空方向卸荷变形,产生拉张裂缝;同时边坡岩体中的泥质岩及软弱夹层等软弱岩体在重力作用下也发生压缩蠕变,产生不均匀的塑性变形;由于临空方向软岩挤出的影响,靠近坡外的岩体纵向压缩变形量大于坡内的岩体,受坡体下部软岩不均匀变形的影响,边坡岩体逐渐出现了“点头哈腰”,以致产生倾倒变形。在岩体倾倒变形的形成过程中,由于软质岩适应变形能力较强,变形后多呈弯曲的缓坡状,硬质岩多呈折断、倾倒、块体间张开、不连续排列及架空现象。

4 稳定性分析

4.1 定性分析

根据勘探揭示及地表测绘,目前变形体地表未见拉裂变形迹象,倾倒变形体下部也未见贯通性结构面,初步分析倾倒变形体在天然状态下整体处于稳定状态。但在水库蓄水期及暴雨、地震工况下,库水对岩体的饱和、软化作用以及地震作用会降低倾倒岩体的强度和稳定性,倾倒变形体可能存在局部失稳和整体稳定的潜在风险,威胁大坝及其他泄洪建筑的安全。

4.2 极限平衡法计算分析

根据边坡岩性、岩体结构特征进行的岩体质量分级,该倾倒体边坡岩体级别属Ⅳ级差的—Ⅴ级岩体,参考平硐原位岩体抗剪断试验成果,倾倒变形体下界面附近各岩组层岩体物理力学参数如表1所示。

表1 各岩组层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

采用极限平衡法进行边坡稳定性分析,计算软件为加拿大RocScience公司的Slide软件,分别对不同运行期、不同工况下,倾倒体沿其下界面整体滑动和沿倾倒体内最危险滑弧局部失稳的安全性进行了计算,计算结果如表2所示。边坡二维计算模型如图2、图3所示。其中,水库蓄水后分别计算蓄水初期(L=20 m)、中期(L=40 m)和正常蓄水运行期(L=65 m)不同库水位工况的稳定性。水位骤降为从正常蓄水位585 m降至正常运行排沙水位572 m。

根据水电工程相关规范及标准[4]确定的该边坡为A类Ⅱ级边坡,相应的安全系数取值[1]:正常运行期1.2;正常运行+暴雨期(含水位骤降)1.1;正常运行+地震工况1.05。

表2 各工况稳定性计算安全系数Table 2 Safety coefficient of stability calculation in various working conditions

图2 蓄水后正常运行与正常运行+地震工况计算图Fig.2 Calculation chart of normal operation and normal operation + earthquake condition after water storage

图3 蓄水后正常运行(水位585)与(水位540)暴雨工况计算图Fig.3 Calculation diagram of normal operation after storage (water level 585) and (water level 540) of heavy rain condition

(1) 倾倒体岸坡在蓄水前和蓄水后除地震工况外,其余工况沿潜在底滑面整体失稳的可能性不大;边坡除蓄水前的天然状态和蓄水后的正常+暴雨短暂工况外,其余各工况下均存在局部失稳的风险。

(2) 边坡的主要失稳形式为短暂及偶然工况下的局部破坏,高烈度地震工况破坏性最大。水库蓄水初期(L=540 m)和中期(L=560 m)边坡失稳的风险较正常蓄水位(L=585 m)运行期大,因此库水对边坡的稳定影响主要表现在蓄水初期—中期。

5 结论

(1) 倾倒变形边坡岩体呈次块状—碎裂状和薄层状构造,边坡岩体质量级别属Ⅳ级差的—Ⅴ级岩体,不同深度、不同岩性倾倒体边坡变形程度和破坏形式存在差异。硬质岩砂岩一般表现为倾倒松弛破坏,泥质岩多表现为弯曲破碎变形。

(2) 本工程的倾倒变形体形成机制是软岩压缩—挤出—倾倒—折断、弯曲变形的结果;折断面的进一步发展连通最终形成潜在的底滑面。

(3) 倾倒体在不同工况下稳定性差异较大,最危险的工况是长时间暴雨期、地震工况,主要的失稳破坏形式为局部边坡失稳,除地震工况外发生整体滑动破坏的可能性不大,最危险时段发生在水库蓄水初期—中期,相对于蓄水前,正常蓄水后的边坡稳定性则变化不大。

(4) 该倾倒变形体边坡存在较大的失稳风险,边坡失稳破坏对大坝及其他建筑物威胁重大,需采取必要的措施进行处理。

[1] 吴彩虹,刘益锋,王瑞,等.巴基斯坦玛尔水电站防震抗震专题研究报告[R].上海:上海勘测设计研究院有限公司,2016.

[2] 电力行业水电规划设计标准化技术委员会.水电水利工程区域构造稳定性勘察技术规程:DL/ T 5335—2006[S].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 马德林,杨绍平,许荣刚.某水电站库区倾倒变形体稳定性研究[J].四川地质学报,2014,34(4):599-602.

[4] 电力行业水电规划设计标准化技术委员会.水电水利工程边坡设计规范:DL/ T 5353—2006[S].北京:中国电力出版社,2007.