贵州某水库工程坝址右岸堆积体稳定分析

赵之举, 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)

中国西南地区山高坡陡,河谷发育史中曾出现强烈的下切侵蚀,大地地貌多以剥蚀—堆积的中高山地貌为主,自然边坡处于斜坡变形破坏的活跃期[1]。在长期的重力地质作用及降雨等作用下往往形成一些成因和结构复杂的大型堆积体[2],这些堆积物在极端条件下极易诱发地质灾害,给工程建设和居民生活带来了严重的威胁和影响。水库工程边坡相对于公路、铁路、矿山等其他工程,易于受到水环境的影响,因此具有更多的复杂性和特殊性[3]。

贵州某水库工程位于道真县洛龙镇附近,拟建水库最大坝高约50 m,枢纽建筑物主要有堆石混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸取水兼放空及生态防水设施等。影响水库坝址选择的关键性问题是高台坝上坝址右岸上游侧的堆积体,该堆积体的分布厚度、结构特征及稳定性对大坝坝址、坝型选择、枢纽建筑物布置及水库运行均意义重大。鉴于该地区降雨集中、雨量充沛、地质灾害易发,开展了可行性研究专项勘察研究工作。在查清堆积体的边界条件物质组成和结构特征情况下,分别对天然工况、降雨工况、水库运行工况下堆积体的局部滑弧稳定和整体稳定性进行了定性定量分析,为大坝坝型及枢纽建筑物布置的可行性研究提供可靠的依据。

1 地质背景

工程区位于鄂黔滇中山区西北部、毗邻四川盆地。工程所在区域属中亚热带季风湿润气候,降雨多发生在5—10月,多年平均降水量1 049.4 mm,降水较丰沛。水库坝址处河谷呈较对称的“V”型,河谷宽度约100 m左右,左岸地形坡度多在30°～46°,右岸地形坡度多在25°～40°。水库拟建混凝土重力坝,坝高约49 m,正常蓄水位875.0 m,坝顶高程879 m,抬高水头30 m。

工程区地层为志留系中统韩家店组(S2h)灰色页岩夹粉砂质页岩,岩层呈单斜产出,产状倾向121°～135°,倾角20°～24°,岩层倾向河流下游,河谷为横向谷。工程区地震动反应谱特征周期为0.35 s,地震动峰值加速度0.05g,相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

高台坝上坝址右岸坝轴线上游100～130 m处发育6#冲沟,冲沟上游沟脑位于二叠系灰岩陡坎下部、高程约1 100 m,沟口河床高程845 m,高差约255 m。冲沟发育长度约600 km,冲沟比降0.42%,其中上部地形坡度35°～45°,中下部地形坡度14°～18°。

2 结构特征

6#-1堆积体分布于坝址右岸上游侧的6#冲沟中下部。堆积体后缘高程930 m,前沿高程845 m,地形坡度14°～18°。现状冲沟分布于堆积体轴线上游侧,沟心有季节性流水,冲沟切割深度1～2 m。堆积体坡面形态呈多级台坎,坎高一般1.0～3.0 m,为人工开荒修筑的梯田(见图1)。堆积体沿6#冲沟呈NE向条带状展布,前沿呈扇形堆积于沟口,后缘宽度约65 m,中部宽度约150 m,扇缘宽度约340 m,分布面积约4.25万m2。

图1 6#-1堆积体现状地形地貌图Fig.1 Topographic map of 6#-1 accumulation body

勘探揭示,堆积体成分主要由下部的①层碎、块石和上部的②层含砾粉质粘土及碎砾石层组成,结构不均。

① 层粗粒土—碎块石,粒径一般2～20 cm,呈棱角状—次棱角状,成分多为灰岩,夹有含砾粉质粘土,呈松散—稍密状,局部有架空现象,具明显的崩坡积堆积物特征。

② 层细粒土—含砾粉质粘土,分布于堆积体表部及洪积扇前缘,厚度一般2.0～4.5 m,可塑—硬塑状。下游沟口附近土体因含水量大、呈软塑—可塑状。堆积物与下伏基岩接触良好,未见剪切滑动面。中部—前缘表层分布的含砾粉质粘土及碎砾石层层理明显,具显著的洪积成因特征。

堆积体上游钻孔揭示无地下水位,仅下游856 m高程处地下水埋深约3.5 m。钻孔揭示堆积体厚度14.5～20 m,总方量约为41万m3,其中水库正常蓄水位875 m以上12.4万m3,正常蓄水位以下28.6万m3。堆积体地质剖面见图2。

图2 6#-1堆积体工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile of 6#-1 accumulation body1.页岩(S2h);2.碎石土钻孔及编号;4.弱风化下限;5.含砾粉质粘土含碎石粉质粘土弱风化下限。

3 成因分析

第四系堆积物的成因一般根据地面调查、走访并结合勘探揭示的堆积体物质组成综合分析。

从堆积体周边地貌形态来看,后缘与基岩或残坡积层接触,未见明显的滑坡拉裂壁及下沉台坎。两侧与基岩或残坡积层接触,未见滑坡壁迹象,两侧山体坡面平顺,为坡面流自然侵蚀切割形成,堆积体周边无滑坡形成的地貌特征,故可排除堆积体滑坡成因。

从堆积物成分来看以二叠系(P)灰岩块石、碎石为主,而堆积体两侧及后缘边界均为志留系韩家店组的页岩,因此6#-1堆积体碎块石部分应主要来源于沟脑以上坡顶灰岩陡坎的早期崩塌堆积。

从堆积体结构特征来看,堆积体下部碎块石层具架空现象,上部含砾粉质粘土及砾石层具洪流沉积层理,因此堆积体应为崩坡积、洪积混合堆积形成[4]。

堆积体冲沟顶部为二叠系灰岩高陡边坡,受重力作用早期岩体卸荷崩塌并沿坡面滚落堆积于冲沟形成崩塌堆积物。后期堆积体后缘以上坡面残坡积层及其滑塌体在雨季面流剥蚀、冲沟洪流推动下,碎屑推移质逐渐下移并堆积于冲沟内崩坡积碎块石层之上和沟口处,在大雨、暴雨等强降雨条件下,历史上冲沟曾形成过短暂的泥石流并堆积于沟口、形成洪积扇。综合地形地貌及勘探揭示成果,该堆积体为崩塌堆积、坡洪积共同作用形成的产物,新近期以坡洪积堆积为主。

4 稳定分析

4.1 定性分析

堆积体总体地形坡度均匀,坡面人工开挖的台坎可见成层分布、较为稳定的细粒土硬壳层。坡体完整、坡面未见裂缝、沉陷及滑塌等不良地质现象,初步分析现状堆积体处于稳定状态。

4.2 稳定计算

4.2.1参数取值

根据钻孔原位动力触探试验锤击数与抗剪强度参数的经验关系,并结合边坡反算法综合确定的边坡抗剪强度参数如表1所示。

表1 各岩土体物理力学参数取值表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil

4.2.2计算方法

计算采用规范推荐的条块极限平衡法进行边坡稳定性计算,按其简化方式和假设条件不同可分为瑞典(Ordinary)、毕肖普(Bishop)、简布(Janbu)、摩根斯坦—普莱斯(M-P)等方法。

根据场地基本地质条件和边坡结构特征,选取沿堆积体中轴线地质剖面进行稳定性计算(计算剖面见图2),分别考虑天然、水库蓄水、暴雨、水库蓄水+暴雨四种工况边坡体运行条件,并以搜索覆盖层内浅层圆弧滑动,以及指定基—覆界面为底滑面的破坏模式来计算堆积体边坡的稳定性[5]。

4.2.3计算结果

堆积体稳定计算结果见表2,其中极限平衡M-P法二维计算模型如图3-图7所示。

表2 各工况堆积体稳定计算安全系数一览表Table 2 List of safety coefficient for calculating stable accumulated bodies under various working condition

图3 天然、最危险滑弧计算示意图Fig.3 Calculation of natural and most dangerous sliding arc

图4 水库蓄水、最危险滑弧计算示意图Fig.4 Calculation of reservoir water storage and most dangerous sliding arc

图5 天然、指定底滑面稳定计算示意图Fig.5 Schematic diagram for stability calculation of natural and specified bottom

计算结果表明,各工况下堆积体边坡沿最危险滑弧面滑动的安全系数K均>1.16,沿基岩面滑动的安全系数为2.70,根据相关规范要求的大坝边坡标准安全系数为1.05～1.1。可见,天然工况、暴雨工况及水库蓄水工况下堆积体均处于稳定状态。

图6 暴雨、最危险滑弧计算示意图Fig.6 Calculation of rainstorm and most dangerous sliding arc

图7 蓄水+暴雨、最危险滑弧计算示意图Fig.7 Calculation of storage+rainstorm and most dangerous sliding arc

5 结论

(1) 钻孔勘探揭示,堆积体成分主要由下部的①层碎、块石和上部的②含砾粉质粘土及碎砾石层组成,结构不均。

(2) 堆积体未见明显的裂缝及沉陷,周边未见滑坡壁,堆积物成分以灰岩块石、碎石为主,下部碎块石层具架空现象,上部含砾粉质粘土及砾石层具洪流沉积层理,堆积体为崩坡积、洪积混合堆积形成。

(3) 天然状态、水库蓄水、暴雨等四种工况运行条件下,堆积体沿最危险滑弧及指定基—覆界面滑动的安全系数均>1.16,现状堆积体及运行期各种工况下均处于稳定状态。

(4) 堆积体对坝址、坝型选择及枢纽建筑布置影响不大,由于上述结论是在现状地形地貌条件下进行的计算分析,对于工程建设施工开挖后的边坡仍需根据开挖情况另行进行稳定分析,并采取必要的支护处理。

(5) 水库工程建成后,坝前水库淤积作用将有利于堆积体边坡的长期稳定性。