西藏某水电站坝前大型冰水堆积体稳定性研究

王有林，赵志祥，许晓霞，李常虎

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心,西安 710065)

0 前 言

青藏高原地区水利水电工程地处高寒、高海拔、高烈度等恶劣地质环境，给工程勘察设计、施工建设带来了极大的难度。藏东南的高山峡谷河流中冰水堆积物分布广泛，表现为河谷深切，堆积物厚度一般为数十米，部分可达数百米，规模巨大，体积可达数百万立方米至数千万立方米[1-3]。

冰水堆积物是在冰川堆积、重力堆积、水流堆积、风化残积、构造作用等综合堆积作用下形成的松散堆积体，具有典型的二元介质特征，颗粒分布具有明显的不同尺度、不均匀和随机分布特征[4-5]，工程性质表现为软弱的基质松散材料中存在大颗粒物质，成因、结构及工程地质特征复杂，常见于大型水利水电建设工程中，严重制约和影响中国青藏高原地区的水利水电开发。

青藏高原冰水堆积物成因类型复杂，主要为第四纪冰期与间冰期形成，具备的特征有规律可循，主要表现为颗粒粒径分布范围广，物质成分复杂，结构密实，少见架空现象。国内诸多学者对冰水堆积物的形成演化过程及其与古气候环境的关系等进行了有益探索[6-7]；进而在大量试验及相关工程资料收集的基础上对青藏高原典型冰水堆积物的渗流特性、强度特性以及变形特性等进行了较为深入的分析和研究[8-10]，并在建坝应用方面取得了丰富的实践经验。

西藏某水电站两岸边坡高陡雄伟，河谷深切。流域范围内冰川地貌发育，两岸冰碛和冰水堆积物沿江分布，其分布特征和稳定状态制约水电工程梯级电站选址和枢纽建筑物的布置；同时位于近坝库岸的大型堆积体在蓄水条件下可能存在失稳破坏，威胁大坝及其他水工建筑物的安全，因此正确认识近坝区大型冰水堆积体的发育特征及稳定性状况，并提出针对性的防治措施，对工程建设具有重要实践意义。本文在论述某电站坝前冰水堆积体发育特征的基础上，采用数值模拟方法分析其在不同工况下的稳定状态和对蓄水的敏感性，并预测评价冰水堆积体失稳破坏后对电站的影响，为电站工程建设提供支撑。

1 堆积体发育特征

1.1 分布特征

西藏某电站坝前大型冰水堆积体分布在右岸大型冲沟R-c1地带，距坝轴线约1 600 m，堆积体方量283.8×104m3。主要由块石、碎石土所构成，呈扇形胶结堆积，分布长度近530 m，临江高度410 m。

堆积体分布在右岸冲沟内，上部窄、下部宽，表面呈“锥”型。堆积体两侧基岩裸露，岩性为灰黑色细粒大理岩，高程2 870.00 m以下为一陡坎，岸坡坡度一般65°～70°；高程2 870.00 m以上岸坡较缓，岸坡坡度约40°左右。堆积体两侧谷坡坡度高陡，在冰川侵蚀作用下形成深切的冲沟地貌，对堆积体的向下运动有一定的约束作用。由于冲沟的形成与冰川运动相关，堆积体在自身重力场作用下胶结、自稳能力好，前缘40 m为近直立的陡坎，坡表无植被发育。

堆积体前缘直抵河床，河床高程2 712.00 m，堆积体后缘高程3 130.00 m，相对高差418 m。河床处堆积体宽度为350 m，坝顶高程2 940.00 m处宽度约40 m。堆积体前缘陡坎近直立，高度约40 m。陡坎以上堆积体平均坡度约34°。堆积体上部山体高陡，冲沟变浅窄且狭长，直通坡顶分水岭，堆积体全貌见图1。

图1 冰水堆积体全貌照片

1.2 坡体结构特征

堆积体粗颗粒岩性主要以灰岩和大理岩为主，物质组成中大于500 mm的颗粒约占0～14.2%，平均6.7%；200～500 mm颗粒约占10.6%；60～200 mm颗粒约占27.7%；20～60 mm颗粒约占17.5%；5～20 mm颗粒约占14.9%；小于5 mm的细粒约占22.7%，不均匀系数692，曲率系数14.665，级配不良。堆积体层状分布特征不明显，以块石砾石土为主，夹砂砾石层透镜体，块石和砾石以棱角状、次棱角状为主，少量次圆状。颗粒组成偏粗大，块石、碎石、砾石磨圆度较差。堆积体总体无明显的分选特征，磨圆度差，未见沉积层理。颗粒组成多元且不均一，结构上表现为巨粒、粗粒和细粒的无序混杂堆积，粗颗粒形成骨架，细颗粒镶嵌其中，具备一定的胶结性，组成物质在平面和空间上无显著变化规律。

通过坡表探槽内取样8组，获取其天然密度为2.2 g/cm3，天然干密度为2.17 g/cm3，最优含水量均值为7.5%；压缩系数0.14 MPa-1，压缩模量10.58 MPa，凝聚力45 kPa，平均摩擦角33°，临界水力坡降0.47。

钻孔揭露最大厚度72 m，堆积体底界面基于钻孔、物探探测综合确定(见图2)，地表结合三维激光扫描技术获取的激光点云，利用多重剖面综合计算获取其堆积体体积为283.8×104m3。

2 稳定性评价

2.1 计算模型与参数

坝前右岸大型冰水堆积体位于坝址上游1.6 km，规模大，其稳定状态对水电工程施工和运行安全具有重要影响。根据已有资料将右岸堆积体剖面复杂的地质原型概化为岩体力学数值模型，计算模型见图3。模型单元选用三角形、四边形等参常应变单元，单元数2695个，节点数1731个，模型分析容差0.001，地震动峰值加速度0.18g。

图2 冰水堆积体工程地质剖面

采用数值模拟，分析不同工况条件下的应力状态。考虑天然工况、正常蓄水位2 940.00 m工况、地震工况以及蓄水+地震共4个工况。计算模拟参数见表1。

表1 计算参数

2.2 最大主应力分布特征

根据计算结果，堆积体内最大主应力σ1分布主要受坡形、物质组成等因素的影响和控制，局部出现一定的应力集中。

天然状态下(见图4)，堆积体影响范围内最大主应力σ1分布较为均匀，量值在1.00～3.00 MPa范围内变化，受坡面临空效应影响，坡面处σ1为最小值。在地震工况下，堆积体影响范围内最大主应力σ1分布形态未发生明显变化，其量值与天然状态相比明显增高，量值在1.00～3.50 MPa范围内变化。堆积体内应力分布规律与天然状态基本相近，分布范围和应力量值有所增加。

图4 天然工况下最大主应力分布

在水库正常蓄水位2 940.00 m的工况条件下(见图5)，堆积体影响范围内最大主应力σ1量值稍高于天然状态，应力量值在1.00～4.00 MPa；蓄水工况下堆积体内应力分布特征与天然状态类似，应力量值略有增加。在水库正常蓄水位2 940.00 m并同时遭受最强地震作用的最不利工况条件下，浅表层最大主应力σ1明显增加，堆积体坡脚和后缘产生应力集中。最大主应力σ1量值范围仍处于1.00～4.0 MPa，浅表层应力增加明显，深部未发生明显变化。

2.3 最小主应力分布特征

天然状态下(见图6)，堆积体影响范围内最小主应力σ3整体量值普遍较小，浅表层应力分布较均匀，总体应力量值在0.00～1.25 MPa范围内变化。在遭受区域最强地震作用工况下，堆积体影响范围内最小主应力σ3在-0.30～1.25 MPa范围内变化。与天然状态相比浅表层应力量值减小，深部应力量值无明显变化，拉应力分布范围变大。

图5 蓄水工况下最大主应力分布

图6 天然工况下最小主应力分布

图7 蓄水工况下最小主应力分布

在水库正常蓄水位2 940.00 m的工况条件下(见图7)，堆积体影响范围内最小主应力σ3整体分布仍较均匀，应力量值保持在0～0.75 MPa。根据图6和图7所示，通过比较天然状态和蓄水工况下的最小主应力σ3分布，浅表层应力分布特征基本一致，量值略有增加；深部应力分布产生较大变化，坡脚和堆积体底面处出现应力集中现象，应力量值减小。

在水库正常蓄水位2 940.00 m、并同时遭受最强地震作用的最不利工况条件下，深部最小主应力σ3分布较均匀，浅表部应力量值较蓄水状态下有所减小，深部未发生明显变化。应力影响范围有所扩大。

2.4 最大剪应力分布特征

天然状态下，堆积体影响范围内最大剪应力τmax分布均匀稳定，量值较低，总体在0.50～1.50 MPa范围内变化(见图8)。

图8 天然工况下最大剪应力分布

在遭受区域最强地震作用工况下，最大剪应力τmax分布特征与天然状态基本一致，量值局部略有增加。在堆积体坡脚和底面前缘出现了应力集中现象，剪应力量值与其它部位相差0.25～0.50 MPa。

在水库正常蓄水位2 940.00 m的工况条件下，堆积体影响范围内剪应力τmax分布仍较均匀(见图9)，与天然状态相比剪应力量值略有增加。堆积体内应力集中部位及其分布特征基本类似于天然状态，但剪应力量值较天然状态有所改变，最大值τmax=1.50 MPa。堆积体坡脚处应力集中现象明显，相比天然状态剪应力量值有所增加。坡脚部位剪应力量值一般高出其他部位0.50～1.00 MPa。

在水库正常蓄水位2 940.00 m、并同时遭受最强地震作用的最不利工况条件下，浅表部最大剪应力τmax量值明显高于蓄水工况，一般为1.00～2.00 MPa。应力集中主要出现在坡脚部位，最大剪应力τmax量值超过其他部位0.50～1.00 MPa。

图9 蓄水工况下最大剪应力分布

2.5 稳定性评价

结合冰水堆积体所做的地质勘察工作及分析，建立了极限平衡计算模型，潜在破坏面为基—覆界面。该堆积体厚度较大，最大厚度72 m，其前缘直至河床。潜在滑移控制面为堆积体与基岩的接触带，剪出口处于河面常水位附近。

根据计算结果(见表2)，冰水堆积体天然状态下稳定性较好，处于基本稳定状态，但在地震不利工况下处于欠稳定状态。蓄水后其稳定性大大减小，计算的整体稳定性系数小于1，发生整体性失稳破坏的可能较大。并且该堆积体处于坝前近坝库岸范围内，一旦整体性失稳破坏将对大坝的安全稳定造成较大的影响。

表2 稳定性计算结果

为了进一步研究其稳定性与蓄水位的关系，对不同蓄水位下的堆积体稳定性进行了敏感性分析，根据计算结果(见图10)，天然工况下水位低于2 850.00 m时，堆积体整体处于基本稳定状态；当水位升至2 850.00 m附近时，堆积体存在失稳可能；在地震、暴雨等不利工况条件下，当水位在2 750.00 m以上时，就存在失稳的可能性，地震条件下甚至低于2 750.00 m就存在失稳的可能性。

通过以上分析，可以得出初步结论：当水库建设中围堰截流的安全运行高度2 750.00 m时，在天然条件下不存在安全隐患；当暴雨条件下其围堰高度低于2 750.00 m时，库区内的堆积体稳定性基本大于1，但在接近2 750.00 m时，其安全储备不足；在地震条件下，库区内右岸堆积体的安全蓄水高度明显下降，2 725.00 m左右将达到极限状态。因此，围堰的设计除考虑不同概率条件下的洪水位外，尚应考虑堆积体的影响。

图10 堆积体蓄水敏感性分析

3 堆积体对电站的影响评价

3.1 失稳后的滑速计算

根据稳定性评价成果，堆积体蓄水后大部分将被水淹没，在蓄水后其稳定性急剧下降，稳定性差。由于其距坝址近，规模巨大，一旦失稳，其造成的涌浪可能危及大坝安全，为此开展了冰水堆积体失稳涌浪研究。

目前对于滑坡或边坡失稳后滑速计算方法很多，其中能量法研究滑坡体系内能量转化关系，基于能量守恒定律，研究滑动前后的体系总能量，理论较成熟，参数易获取；潘家铮法充分考虑了滑面形态和滑动模式，研究方法更能真实反映滑体结构。本文以最不利因素考虑，堆积体最大失稳范围以两侧冲沟为界，宽度40～350 m，长约500 m，体积283.8×104m3。本工程初拟围堰高程为2 750.00 m，初期蓄水高程2 850.00 m，正常蓄水位2 940.00 m，选用以上水位进行最大滑速计算，计算得到不同库水位条件下的最大滑速见表3。堆积体随着蓄水水位的升高，滑速呈现降低的趋势，分析认为产生这种现象与库水的顶托力有关。堆积体失稳后的最大滑速为11.1 m/s，属极高速滑坡。

3.2 涌浪计算

滑坡失稳入库后会产生涌浪，对大坝的安全造成极大影响，因此需研究滑坡产生的涌浪至坝前的最大浪高，为设计提供依据。涌浪计算以滑速和滑坡体积为基础，目前计算滑坡涌浪的方法包括潘家铮法、北京水科院算法和模型试验法等[11]，本次研究主要采用水科院算法。

表3 滑速计算成果

正常蓄水位2 940.00 m时，用潘家铮法对堆积体得到的滑速进行计算，各水位条件下产生的涌浪高度一般均小于3 m。能量法滑速研究成果计算的涌浪最大高度为3.43 m(见表4)。以最不利工况考虑，综合预测该冰水堆积体失稳入库后，在坝前产生的最大涌浪高度为3.43 m。

表4 堆积体2 940.00 m水位时不同滑速下的涌浪高度

涌浪的预测涉及复杂的岩土力学、动力学、运动学、流体力学等相关学科，国内外尚无一例事先预测而后期经验证较为准确的案例，事后的验证、拟合性分析计算存在人为因素。鉴于堆积体距坝址区近，一旦失稳破坏对水工建筑物有较大影响，因此从工程安全角度，需重视堆积体的稳定性及可能产生的涌浪破坏，采取必要的防护措施，并布置相应的安全监测手段。

4 结 论

(1) 研究流域河谷两岸冰水堆积体颗粒粒径分布范围广，结构密实，少见架空现象，呈弱胶结性，具有明显的不同尺度特征、不均匀特征和随机分布特征，成因、结构及工程地质特征复杂。

(2) 冰水堆积物形成时代久远，大多经历了长时期的压密、固结，大多具有结构密实、高密度、孔隙率小、渗透性弱、胶结较好的特点。变形模量、压缩模量较其他松散覆盖层高得多，属典型的高承载力、低压缩性土，天然状态下冰水堆积体岸坡整体稳定性好，局部成近直立状态。

(3) 蓄水后堆积体大多位于水下，细颗粒发生软化，同时胶结作用减弱，饱水条件下导致内聚力降低明显，内摩擦角变化不大。蓄水后的稳定性大大减小，整体稳定性系数小于1，可能会发生整体性失稳破坏。

(4) 水库蓄水水位越高，堆积体失稳后的滑速反之越小，但变化不明显，失稳后最大滑速为11.1 m/s。失稳后产生的涌浪至坝前最大浪高为3.43 m。冰水堆积体距坝址近，失稳后产生的涌浪对施工期的安全和水工建筑物运行影响较大，需采取针对性的防治措施和布置必要的监测措施。