水库岸坡开挖蠕变体形成机制与稳定性评价

唐运刚

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

1 研究区概况

1.1 工程概况

永不落水库位于西盟县中课镇库杏河上游段永古河支流沟口处,地理坐标为东经99°32′18″～99°39′58″,北纬22°50′46″～22°56′00″。

正常蓄水位1 071.5 m,总库容1 488.3万m3,最大坝高约86.2 m,坝顶长258.72 m,坝顶高程1 076.2 m;水库主要为集镇供水、农村人畜饮用供水、农业灌溉供水。

1.2 基本地质条件

工程区位于澜沧—耿马地震构造带,区域构造稳定性属差级。地震动峰值加速度为0.40g,地震动反应谱特征周期为0.45 s,对应地震基本烈度为Ⅸ度。

坝址河床属于构造侵蚀浅切割低山及河流堆积地貌,地形完整性差。坝址区河道较顺直,河谷呈开阔的“U”字形。右岸坝顶以下自然坡度约33°,坝顶以上自然坡度约21°。心墙坝基开挖坡比1∶1.52,坝顶开挖坡比1∶4.07。

右岸山顶及岸坡上覆第四系残坡积、崩坡积层及坍滑体紫红色砂质粘土、碎石土,厚3.5～5.0 m,局部厚度8～10 m;河床上覆第四系冲洪积及一级阶地灰褐色砂卵砾石、夹孤块石层,厚4.5～5.0 m,结构松散。下伏基岩为侏罗系中统花开左组(J2h)紫红色泥质粉砂岩、砂岩、长石砂岩。

坝址区无区域断裂穿插,地层倾向下游偏左岸,总体属单斜构造[1]。

2 蠕变体变形特征、影响因素及形成机制

2.1 蠕变体基本概况

2014年11月29日,永不落水库坝址右岸坝基开挖过程中坝基岸坡山体发生了蠕变,造成右岸岸坡后缘坡面多处拉裂,前缘近河床段局部造成了剪切凸起破坏,蠕变体边沿裂缝呈现圈椅状展布。蠕变发生后,在坡面布置14个监测点进行24小时全天监测[2]。

2.2 平面形态特征及规模

经现场调查及施工方测量放线,蠕变体的平面形态呈圈椅状,其后缘拉张裂缝最高点高程约1 130 m,前缘剪切凸起点最低高程约995 m,后缘拉张裂缝与前缘剪切凸起点最大高差约135 m。地表最大纵长约268 m,中部宽约200 m,后缘宽约80 m,前缘宽度约240 m,水平投影面积约5.2万m2。蠕变体前缘厚度10～15 m,中部最大厚度约20 m,后缘厚度8～10 m,平均厚度约16.8 m,体积约60万～70万m3。平面形态见图1、图2[3-4]。

2.3 变形特征

坝址右岸斜坡蠕动变形始于2014年11月29日,据斜坡坡面14个监测点监测数据显示,至12月8日仍持续发展。主要表现为斜坡上地面开裂,心墙坝基前缘局部受剪鼓胀凸起,凸起约5～10 cm。两侧及后缘形成圈椅弧形状边界裂缝1条,该条裂缝基本与蠕变体平面边界一致,长约650 m,基本勾绘出了蠕变体的平面形态,该裂缝后缘宽度25～35 cm,裂缝上、下在垂直向上已形成了20～30 cm的错动;坝顶以上后缘开挖平台(拟建管理所房屋场地)部位形成了数条相对较集中羽状拉张裂缝,目前裂缝垂直贯通深度6～7 m。

图1 蠕变体平面形态示意图Fig.1 Schematic diagram of plane shape of creep body

图2 蠕变体变形边界示意照片Fig.2 Photo of deformable boundary of creep body

2.4 蠕变体影响因素

(1) 地形地貌条件因素:坝址河床属于构造侵蚀浅切割低山及河流堆积地貌,地形完整性差。纵向地形呈上缓下陡的趋势,坝顶高程以下地形坡度约33°,坝顶高程以上地形坡度约21°,蠕变体表面平均坡角约25°,其纵向形态为凸形,横向上地形起伏较大,呈中部稍凸两侧较凹的环形趋势,总体地形具备良好的临空条件。

(2) 地层岩性因素:山体岩体岩性为碎屑岩红层,蠕变体内以薄—中层状泥质粉砂岩夹中层状砂岩、长石砂岩为主,蠕变体岩体多呈强风化,强风化平均深度约13～15 m,岩体结构呈碎裂镶嵌的层状结构;总体岩质软,属软岩。

据前期钻孔压水试验成果分析,蠕变体岩(土)体渗透系数较大,在强大气降水作用下地表水易下渗软化岩体,潜势滑动面内岩体多呈强风化,其自身力学指标较差。由此可知,地层岩性因素为蠕变形成提供了的物质基础。

(3) 地质构造因素:蠕变体所在斜坡为顺向坡,上部残坡积厚度较薄,厚约3.5～5 m。蠕变体中央坝肩部位岩体产状20°∠36°,河床坝轴线坡脚产状20°∠22°,总体为顺向坡,与主滑方向(N5°E)成较小锐角。地形坡度与岩层倾角相差较小,尤其坡脚岩层倾角与坡角基本一致。由此可见,层面为优势结构面,为蠕变提供了有利的力学机制条件。

(4) 大气降雨因素:区内降水形式主要为降雨,雨量充沛、夏雨集中、多暴雨,且近年来降雨频率增大,且降雨强度也较往年增大,暴雨入渗使岩体含水量剧增,重度增加,雨季地表水短期的赋存会产生一定的静水压力,在岩体强透水带会形成地下水渗流面,产生瞬间的动水压力,暴雨入渗降低了岩体的力学指标。因此,暴雨的作用增大了下滑力,同时会降低了山体的抗滑能力,使坡体稳定性变差。大范围的强降雨是影响山体稳定的主要自然因素。

(5) 坝基开挖因素:坝基开挖尤其心墙的开挖,开挖成坡过程中斜坡岩体向开挖临空方向卸荷回弹,使原有结构面尤其顺坡向层面松弛,同时又可在集中应力和剩余应力的作用下,产生一系列新的表层结构面(后缘及坡体的地表拉裂缝)或改造一些原有结构面(坡脚的剪切鼓胀凸起点)。即坝基的开挖导致了岩体向斜坡前临空方向发生剪切蠕变,其后缘发育自坡面向深部发展的拉张裂缝。

2.5 蠕变体演化形成机制及防治的必要性分析

综上主要影响因素分析,地形地貌条件为蠕变体变形提供了初步的临空地形条件;地层岩性因素为蠕变形成提供了的物质基础;层面为优势结构面,为蠕变提供了有利的力学机制条件;强降雨是影响山体稳定的主要自然因素;坝基的开挖后,后缘形成了拉张裂缝,后缘边界裂缝已有垂直错动迹象,坡前临空方向发生剪切蠕变,是斜坡蠕变变形的诱发因素。

目前,蠕变体处于蠕滑—拉裂阶段,表现为后缘拉裂,拉裂缝在坡面上呈羽状展布;前缘局部剪切鼓胀凸起。随着蠕变剪切进一步发展,中部剪应力集中部位可能被扰动扩容,使斜坡下半部分逐渐鼓胀隆起;随着蠕变变形体开始转动,后缘边界裂缝进一步明显下沉,拉裂面可能由目前的拉张转为渐趋闭合,一旦潜势剪切面被剪断贯通,可能发展为中层滑坡。因此,在此蠕变期间及时采取工程处理措施防治滑坡的发生是十分必要的。

3 蠕变体稳定性分析及评价

此次稳定性分析方法:采用目前清基后的蠕变体典型剖面进行抗剪参数反演分析,结合前期勘察阶段资料综合确定稳定性分析计算参数,然后利用所确定的参数对清基前原始地形剖面进行稳定性分析与评价,以此来验证所提出的参数的可靠性,为后期防治设计提供参数依据。

3.1 计算剖面的选取及滑动面的确定

图3 蠕变体坡面监测点位移方向及变形主方向示意图Fig.3 Schematic diagram of displacement direction and main direction ofdeformation of slope monitoring points

通过综合分析确认,蠕变体变形主方向为N5°E(见图3)。根据实地踏勘结合山体变形主方向综合确定主剖面。坝址区右岸清基后蠕变体参数反演分析采用的典型剖面为Ⅱ-Ⅱ′计算剖面,原始地形稳定性分析计算剖面为相同位置的Ⅲ-Ⅲ′计算剖面。由于蠕变体后缘已出现较为明显的拉张裂缝,前缘位于清基后齿槽下部局部岩体发生剪切鼓状凸起,结合前期勘察阶段钻孔压水实验资料及平硐编录资料综合分析,确定潜势滑动面,其具体计算剖面见图4、图5。

图4 右岸清基后蠕变体参数反演分析Ⅱ-Ⅱ′计算剖面图Fig.4 Inversion analysis of creep parameters of the right bank after clearingthe foundation Ⅱ-Ⅱ′ calculation profile

图5 右岸原始地形稳定性分析Ⅲ-Ⅲ′计算剖面图Fig.5 Stability analysis of the original topography onthe right bank Ⅲ-Ⅲ′ calculation section

3.2 计算工况及荷载组合

3.2.1 计算工况

根据踏勘情况,目前右岸山体天然状况下已处于整体变形状态,变形体周围裂缝呈现圈椅状,且裂缝具有一定的宽度,考虑到降雨对蠕变体的稳定性影响较大,更会加剧其变形,故本次参数反演分析及稳定性分析只考虑一种计算工况:天然状况(蠕变体自重)。

3.2.2 荷载组合

自重:整个蠕变体上基本无建筑物。因此,参数反演分析过程中考虑蠕变体无集中荷载,基本荷载主要为潜势滑面上蠕变体的自重。变形体重度计算中,对于地下水位面以上的变形体取天然重度,地下水位面以下的变形体取浮重度,对于原始地形坡面稳定性分析只考虑潜势滑动面上岩土体自重。

3.3 稳定性计算方法及计算公式

坝址区右岸蠕变体潜势滑动面呈折线型,根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)第5.2.8条当滑动面为折线形时,可采用传递系数法进行稳定性评价,其稳定系数计算公式如下(考虑动水压力,不考虑地震力的作用)[5]:

Ri=[Wicosαi+Disin(βi-αi)]tanφi+cili(i=1,,n)

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1(j=i)

式中:Fs为稳定系数;Ri为作用于第i块段的抗滑力(kN/m);Ti为作用于第i块段潜势滑面上的滑动分力(kN/m);Rn为作用于第n块段的抗滑力(kN/m);Tn为作用于第n块潜势滑动面上的滑动分力(kN/m);Di为作用于第i块的动水压力(kN/m);Wi为第i条块自重标准值与相应附加荷载之和(kN/m);Ci为第i条块潜势滑面粘聚力标准值(kPa);φi为第i条块潜势滑面内摩擦角标准值(°);ψj为第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块时的传递系数(j=i时)。

其中滑体内渗透压力计算公式如下:

Di=γihiLicosαisinβi

式中:γi为水的重度,取10 kN/m3;hi为第i条块地下水位(m);Li为第i条块潜势滑面长度(m);αi为第i条块潜势滑面倾角(°);βi为第i条块地下水流向。

3.4 计算参数的确定及参数建议取值

3.4.1 前期勘察参数建议值

前期勘察阶段对岩体物理力学指标提出了建议值(见表1),因建议值取值范围较大,造成对原始地形坡面稳定性分析结果的不确定性。针对该蠕变体目前的变形破坏现象以及其所处状态分析,对蠕变体进行反演分析是具备条件,同时也是符合实际的。为此,本次原始地形坡面稳定性计算参数采用前期勘察成果与蠕变体参数反演相结合的方式进行综合确定。

表1 岩体物理力学指标建议值Table 1 Recommended values of physical and mechanical indexes of rock mass

3.4.2 潜势滑面岩土体参数反演

坝址区右岸山体目前处于整体变形状态,坡面裂缝呈圈椅状展布,变形体后缘出现拉张裂缝,两侧出现羽状裂缝,前缘坡脚局部鼓状凸起。本次潜势滑面参数反演分析选用蠕变体主滑方向Ⅱ-Ⅱ′剖面为实体模型,枯雨季节岩体处于整体强变形状态,根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)第5.2.7条,对处于整体变形—滑动状态的滑坡稳定系数为0.95～1.00。反演分析采用不平衡推力法(传递系数法),其计算模型见图4。

根据参数反演的结果所作的FOS-Φ,FOS-C,Φ-C相关曲线图。由图6-图8可知,FOS-C关系曲线中直线族倾角为0.539°,FOS-Φ关系曲线中直线族倾角为2.605°,表明稳定性系数FOS对内摩擦角Φ的反应比对内聚力C的反应要略灵敏些。反演工况下的稳定性系数取0.95时,C=5 kPa,Φ= 21.655°;C=6 kPa,Φ=21.448°;C=7 kPa,Φ=21.237°;C=8 kPa,Φ=21.031°;C=9 kPa,Φ=20.831°;C=10 kPa,Φ=20.618°;C=11 kPa,Φ=20.414°;C=12 kPa,Φ=20.200°;C=13 kPa,Φ=19.998°;C=14 kPa,Φ=19.787°;C=15 kPa,Φ=19.580°。根据参数反演成果推荐的潜势滑动面岩体抗剪强度参数范围C=13～15 kPa,Φ=19.5°～20°。

图6 参数反演FOS-Φ关系曲线图Fig.6 Parameter inversion FOS-Φ relation curve

图7 参数反演FOS-C关系曲线图Fig.7 Parameter inversion FOS-C relation curve

图8 参数反演Φ-C关系曲线图Fig.8 Parameter inversion Φ-C relation curve

3.4.3 建议参数的确定

根据上述参数,结合初设阶段参数取值,本次计算潜势滑动面岩土体抗剪强度取值根据各值所占的权重综合确定(表3)。

表3 潜势滑带岩体抗剪强度参数权重及取值Table 3 Weight and value of shear strength parameters of rock massin potential sliding zone

3.5 原始地形坡面稳定性计算结果

利用前述建立的蠕变体Ⅱ-Ⅱ′典型剖面,在相同位置建立Ⅲ-Ⅲ′原始地形计算剖面模型、计算工况以及确定稳定性计算参数,利用传递系数法(不平衡推力法)计算Ⅲ-Ⅲ′计算剖面的稳定性系数(表4)。

根据《滑坡防治工程勘察规范》9.4.6条中稳定状态划分规定1.05≤FOS=1.09<1.15,所以原始地形边坡处于基本稳定状态,与实际情况基本相符。

表4 原始地形坡面稳定性计算结果Table 4 Calculation results of slope stability of original terrain

4 蠕变体防治工程措施地质建议

(1) 在坝顶以上一定范围内建议进行适量的削方减载,改变后缘边坡的几何形态,以减小后缘的下滑力,改善蠕变体的稳定性。

(2) 工程区雨季周期时间较长,降雨量充沛,蠕变体边界及坡面需采取系统排水工程措施,以防止雨季大量地表水下渗降低岩体的力学指标。

(3) 蠕变体需采取一定的支挡结构措施。蠕变体中轴线较长,结合坝址区水工建筑物布置情况建议采取分段支挡。即在蠕变体中部坝顶高程附近采取适宜的抗滑支挡结构措施,以提高蠕变体中上部坝顶以上部分的抗滑稳定性;坝脚宜采取一定的抗滑支挡结构工程措施,提高蠕变体下部坝基范围内的抗滑稳定性。

(4) 坝基心墙齿槽部位坡段建议采取系统锚固措施和固结措施,锚固端应深入潜势滑动面以下10 m,以提高蠕变岩体强度,增强岩体的抗变形能力。

(5) 加强监测工作:监测点的布置应针对形态特征明显、变形密集的地段布设,并能形成点、线、面、体的三维立体监测网,包括地表位移监测、深部位移监测、地下水动态监测等[6-8]。

5 结论

本文针对水库大坝开挖边坡出现的蠕动变形体,对蠕变体的变形特征、影响因素、演化形成机制等进行分析,通过对清基后蠕变体参数反演分析的稳定性计算,结合前期勘察阶段资料,综合确定稳定性计算参数,然后利用所确定的参数对清基前原始地形剖面进行稳定性分析与评价,以此来验证所提出参数的可靠性,为后期防治设计提供参数依据。

通过综合分析,建议对蠕变体采取坡面系统排水措施、支挡结构措施、坝基心墙齿槽部位系统锚固措施和固结措施等综合防治措施。同时,还应加强地表位移监测,建议采取地表及深部位移综合监测、地下水动态监测等系统监测措施。