水库蓄水对移民安置场地稳定性影响分析

祝敏刚, 郑晓晶, 覃雨璐, 何佳伟

(1.中国电建集团城市规划设计研究院有限公司, 广州 511458; 2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 成都 610036;3.广东省有色工业建筑质量检测站有限公司, 广州 510000)

进入20世纪以来,水库蓄水造成的灾害案例众多,且造成的影响巨大,如意大利瓦伊昂水库滑坡[1-2]最为典型,因此,水库蓄水对周边场地稳定性的影响是中外最为重要的研究课题之一。

目前,对于水库蓄水对岸坡稳定性影响方面的研究已有一定成果。熊茹雪等[3]研究发现对于某一库区而言,库水升降过程与周边场地稳定性之间具有密切的联系,而水位骤降影响效果更为显著[4];Tang[5]分析得出不同类型塌岸的演化特征及库水作用机制;Zheng等[6]通过模型试验,分析得出水位变化对岸坡的稳定性影响较大;唐红梅等[7]运用3D激光扫描分析土质岸坡变形破坏的演化过程;周剑等[8]通过三峡库区某滑坡15年的监测数据,发现边坡稳定性和变形速率随着库水位的变动均呈现规律性变化;李永康等[9]发现周边边坡变形速率随水库水位的变化规律;李鹏岳等[10]在研究中发现水库蓄水过程中,边坡稳定系数先升高后降低,且水位上升速率越大,稳定系数升高后衰减的幅度越大;刘兴[11]用FLAC3D分析,得出库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化的结论;李大龙等[12]通过现场调查、试验和数值模拟分析,发现库水上升时岸坡受浸泡软化的影响稳定性略有降低,库水下降时岸坡下滑力增加易失稳破坏;冯文凯等[13]研究发现库水升降循环次数达35次时堆积体将发生滑动,古滑坡再次复活。

近年来,大部分案例的研究对象均为水库岸坡,对于水库蓄水后大坝上游场地进行的稳定性分析成果偏少,且对库水位上升导致的大坝上游场地及场地内边坡变形特征的研究分析偏少,也少有相关蓄水后,在坡脚防护有效的条件下,发生后坡滑移～前缘场地剪出的变形的案例研究。现选取四川毛尔盖水库移民安置点场地及场地后缘公路外侧边坡为研究对象,采用现场勘察、室内试验、数值模拟分析相结合的手段对其变形范围及特征和不同工况的稳定性问题进行分析,旨在为类似项目研究提供借鉴。

1 工程概况

四川毛尔盖水库位于黑水河中游红岩乡至俄石坝河段,属于高山峡谷型水库,两岸谷坡陡峻,局部库尾段地形平缓,水库正常蓄水位为2 133 m。坝前壅水高142 m,库容5.35亿m3,死水位为2 063 m,调节库容为4.44亿m3,属高坝、大型水库。主库回水至红岩乡小学附近,回水长约13 km;支库回水至扎窝乡政府上游1 km附近和知木林乡政府下游3 km附近,回水长分别约16 km和约10 km。

安置点场地在黑水河右岸红岩乡云陵寺村,位于水库大坝上游约9 km处。沿右岸呈带状分布,长约500 m、宽度为50～70 m,占地面积约10亩,采用回填料对河漫滩、洪积扇和谷坡地带回填垫高,并在场地前缘设置防护工程。移民安置场地标高在2 135 m左右。S302省道公路从移民安置场地后坡通过,公路高程为2148～2150 m。

安置点场地后缘(临近省道S302公路)有一排民居,前缘(临近黑水河)有一排民居,中部为汽车便道。

水库于2011年3月20日开始下闸蓄水,7月3日库水位抬高至2 126 m,7月7日安置场地内侧临近公路(省道S302)地坪和村民住宅出现多处裂缝。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

公路(省道S302)内侧人工边坡高度为40～50 m,坡角达60°～70°。坡脚处采用浆砌石挡墙护坡,挡墙高度为2.5 m左右。场地左、右侧各有2个冲沟,沟谷宽度为10～20 m(图1)。

图1 研究区域现状

S302改线公路在修改过程中,直接将弃渣丢弃于坡外,形成人工堆积的公路外侧(安置点场地后缘)边坡,坡高为10～15 m,地形坡度为30°～50°,浅表采用框格梁和混凝土挡墙进行护坡(图2和图3)。

图2 采用浆砌石挡墙和喷射混凝土护坡

图3 采用混凝土挡墙和框格梁护坡

2.2 地层岩性

根据地质测绘与现场钻探结果表明,场地及后坡覆盖层主要为人工填土(Q4ml)、风成堆积物(Q4eol)、崩坡积物(Q4co+dl)、河流堆积物(Q4al),下伏地层为三叠系上统侏倭组(T3zh)砂岩夹千枚岩。

2.3 地质构造

场地内无断裂构造通过,仅其南侧约3 km处分布有近北西向日嘎断裂,该断裂带通过场地部位没有发现断层新活动的地貌特征显示[14]。

近场区有1次强震活动(汶川地震)的波及影响,场地属区域构造稳定性较差区。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地表水

移民安置场地后坡冲沟较发育,分布有4个冲沟。其中1号冲沟、2号冲沟长度为0.19～0.30 km,仅坡脚段存在常年流水,3号冲沟和4号冲沟长度为0.50～0.80 km,存在常年流水。其水源主要通过大气降水和地下径流补给,水量随季节变化,最终排入黑水河。场地地表水主要为黑水河河水,由于电站蓄水发电其水位总体较稳定。

2.4.2 地下水的类型及水位

场地覆盖层分别为碎石和角砾,由于场地所处地势较高,其透水性和保水性较差,场地地下水位埋深较大,主要表现为基岩裂隙水。

基岩裂隙水受大气降水和邻近水文单元补给,水量一般有限,受气候影响明显,多以小泉、滴水形式向陡坎及低洼地带溢出,汇入河流[15]。场地周围未见地下水出露现象,说明场地基岩地下水埋深较大。

3 蓄水后场地及公路外侧边坡变形情况

3.1 变形范围及特征

3.1.1 公路及外侧边坡变形范围及特征

2012年7月5日,水库第一次蓄水,水位上升至2 120 m,同年10月16日上升至2 133 m正常蓄水位,在水位逐渐上升的过程中,安置点后缘的S302公路及外侧边坡出现了一定程度的变形迹象(表1)。

表1 公路及外侧坡变形主要裂缝一览

公路及外侧坡变形迹象非常明显,主要集中于部分建筑后缘的S302公路(图4)及外侧边坡(图5)。其变形范围后缘至S302公路路面中央地带,后缘高程为2 149 m左右。统计表明,在公路及外侧坡共发现有8条主要的裂缝,其中4条位于公路路面,为拉裂缝,且出现一定程度的路面下错破坏,而在公路里侧挡墙及排水沟未见有变形裂缝。在公路外侧坡中下部则出现横纵交错的张拉或剪切裂缝,特别是在侧坡中部框格梁结合部位,可见较为明显的鼓胀现象,局部地段出现了框格梁剪切折断。

图4 路面张拉裂缝

图5 外侧边坡张拉裂缝

3.1.2 安置点场地变形范围及特征

安置点场地原地面高程为2 117～2 128 m,填高后现状地面为2 135 m高程左右。水库蓄水后,安置点场地靠S302公路侧房屋、排水沟等建筑出现了一定程度的拉裂变形迹象(表2和图6、图7):

表2 场地变形主要裂缝一览

图6 变形区前缘房屋与地面脱落形成反翘

图7 变形区后缘出现的水平向滑移裂缝

1)场地内部的变形范围来看,其变形前缘主要以内部便道内侧(S302公路方向)的排水沟为界,排水沟以里地面多见有张拉裂缝和剪切裂缝的存在,裂缝可见横向与纵向裂缝分布,裂缝最大延伸可达40 m左右,最大张开8 cm左右,最大下错5 cm左右,造成局部房屋和排水沟开裂,而在排水沟外侧(黑水河方向)未见有长大的拉张裂缝的存在,且房屋未见有开裂、张开等现象,仅存在少量细微的沉降裂缝分布。

2)从变形特征来看,场地变形具有以下特征:

①场地变形裂缝统计表明,场地内主要分布有26条张拉或剪切裂缝,其中横向裂缝17条,裂缝延伸长为3～40 m,普遍张开1～4 cm,最大张开可达8 cm左右,最大下错达5 cm,部分裂缝横穿房屋,造成房屋的开裂变形,横向裂缝以张性裂缝为主,局部地段可见有剪切裂缝出现。纵向裂缝9条,裂缝延伸长度为2～10 m,普遍张开为0.5～2 cm;②从裂缝运动方向来看,前缘分布的横向裂缝外侧垂直下错为主,最大下错可达8 cm左右,并造成部分房屋与地面脱落,而在后缘分布的横向裂缝可见有明显的水平错动,错动为1～3 cm,表现出一定的张剪性质,表明场地变形呈现后缘水平滑移,前缘反翘,并造成部分房屋与地面脱落的变形趋势,根据7月27日—12月14日房屋倾斜度观测成果统计表明,房屋倾斜度随时间逐渐扩大,累积倾斜度为3.32°～4.47°。

3.2 变形机制分析

3.2.1 公路外侧边坡变形破坏机制

2012年7月5日,水库水位上升至2 120 m,水位逐渐上升,至2012年10月16日上升至2 133 m正常蓄水位,在水位逐渐上升的过程中,S302公路及外侧边坡出现了一定程度的拉裂、下错等变形迹象,通过调查和分析发现:场地前缘边坡坡脚高程为2 125 m左右,水库水位在2012年8月2日左右蓄水至2 125 m,随着水位的逐渐上升,改变了坡脚原有的水-岩作用环境与条件[16],坡脚岩土体物理力学指标降低,影响边坡稳定。

另外,通过监测资料发现,在水位2 127～2 130 m时,公路外侧边坡上3处监测点均出现随着水位上升变形逐渐加大的特点,变形速率为0.85～1.74 mm/d;水位在2 130～2 133 m运行时,监测点合位移变形量为41.5～182.3 mm,随着水位上升变形快速加大的特点,变形速率为2.92～7.7 mm/d,变形速率明显加快。

总的来看,水库蓄水对场地及公路外侧边坡稳定有不利影响,特别是在2 130～2 133 m水位运行时,外侧坡变形速率明显加快,原有的拉张裂缝逐渐变宽,原有框格梁鼓胀部位出现框格梁折断现象,表明外侧坡在水位上升后出现了较大规模的变形。此外,由于外侧坡坡度为30°～50°,有利于地表水或降雨的入渗,坡体弃渣遇水后物理力学指标降低,若外侧坡产生深部的滑移,将可能从安置点场地剪出,从而对安置场地产生影响[17]。

3.2.2 安置点场地变形破坏机制

水库蓄水后,安置点场地后缘靠S302公路侧房屋、排水沟等建筑出现了一定程度的拉裂变形迹象,通过对场地变形范围及特征的分析,可认为影响场地变形的主要因素如下。

1)公路外侧坡变形。①安置点变形区前缘分布的横向裂缝多表现出向外垂直下错的趋势,下错幅度多在1～3 cm,最大可达5 cm左右,且造成部分已有房屋与地面脱落,形成房屋反翘倾斜的趋势,倾斜角度为3.32°～4.47°,这种反倾变形特征与一般的地面沉降有较为明显的区别,符合后坡滑移-前缘场地剪出的变形特征;②安置点变形区后缘排水沟两侧发生较为明显的下错,即内侧沟壁低于外侧沟壁6 cm左右,裂缝底部相对裂缝顶部向坡外水平位错2 cm左右,表明安置点变形区后缘处于下错兼水平错动的趋势,而这一区域填土厚度不大,变形不可能来自回填场地自身的变形,分析其形成主要源自公路外侧坡变形带动引起。

2)回填料及水的影响。安置点场地为回填垫高场地,垫高最大高度达18 m左右,如若回填料块度较大或碾压未满足设计要求,边坡抵抗水位升降与水下冲刷的能力减弱[18]。在蓄水后库水的作用下,场地将可能存在不均匀沉降问题,产生沉降裂缝,场地随机分布的少量沉降裂缝是由于回填垫高场地回填料块度较大或碾压未满足设计要求,在库水位的作用下造成。

4 蓄水后公路外侧边坡稳定性分析

随着水库水位上升,公路外侧边坡开始出现较大的变形,并由于其下错变形,使得安置点场地也出现了一定的变形,因此,初步宏观判断,蓄水后场地及公路外侧边坡稳定性差[19]。

4.1 计算依据和假设

4.1.1 剖面的选取

根据场地地形、地貌和地面地质调查,沿可能失稳方向选取高差相差最大的剖面进行稳定性计算(图8)。

图8 工程地质剖面

4.1.2 滑面假设

根据现场地质调查和监测资料分析,公路外侧坡失稳对场地的影响主要在:①外侧坡从坡脚挡墙以上失稳,滑动物质将直接堆砌于安置点场地,将可能覆盖已有建筑,造成对场地影响;②公路外侧坡直接从场地内剪出,滑动物质将直接破坏房屋地基,造成对场地的影响。因此,稳定性计算过程中,以上述两种滑动模式搜索可能的滑面,分析公路外侧边坡稳定性对场地的影响。

4.1.3 地下水位的确定

场地地下水主要受库水位影响,地下水位以库水位作为地下水位,未考虑地下水翘高。

4.1.4 计算参数的确定

根据室内试验成果和类似工程岩土体经验,结合地区性经验,综合考虑后提出场地相关土体物理力学参数建议值如表3所示。

表3 场地土体物理力学参数建议值

4.1.5 计算工况

根据现场工程地质调绘及钻孔资料确定地下水分布情况,破坏模式考虑公路外侧边坡沿挡墙剪出和场地剪出2种。

考虑的计算4种工况如下:天然工况,工况①;正常蓄水工况,工况②;正常蓄水+暴雨(潜在滑体全饱水),工况③;正常蓄水+地震工况,工况④。

4.2 稳定性计算

4.2.1 计算方法

计算方法采用通过毕肖普法搜索潜在的圆弧滑面,计算公路外侧坡安全系数。

4.2.2 稳定性计算成果

根据上述分析,计算结果如表4所示。

表4 场地稳定性计算成果

4.3 稳定性评价

天然状态下公路外侧边坡沿挡墙剪出和场地剪出安全系数分别为0.97、0.98,基本处于极限稳定状态,可能会产生小规模的变形。2011年5月前后在水库第一次蓄水之前,公路外侧边坡形成的框格梁鼓出便是边坡坡体弃渣自身内部变形引起。

由于坡体回填料中块石含量较大,且局部地段存在黏性土,水库蓄水后,引起坡内动水压力与静水压力的变化[20],场地内局部地段产生少量沉降裂缝,在正常蓄水工况下,水一方面削弱土体颗粒间摩擦阻力[21],降低剪切强度[22]。引起场地后援有附加荷载的公路外侧边坡产生变形,进而带动场地产生变形。两种破坏模式安全系数均为0.95,安全系数进一步降低,边坡变形可能进一步加剧,可能造成失稳。

通过对场地边坡高差最大的剖面进行稳定性分析计算发现,在正常蓄水、叠加暴雨、叠加地震工况下,公路外侧边坡稳定安全系数均不满足规范要求,均有可能发生变形破坏。

由于公路外侧坡坡脚距离安置点房屋最近仅3 m左右,无论哪种破坏模式,边坡失稳必然会对场地造成影响,因此,建议对公路外侧坡应加强支护工作。

5 结论

总的来看,场地前缘防护堤工程未见变形迹象,堤防工程基本完好,安置点场地整体稳定。水库蓄水后,场地前缘边坡坡体内部应力状态发生变化,强度降低[23],引起场地上部后缘S302公路外侧边坡和安置点场地内出现了明显的变形,通过对公路外侧边坡和场地的变形范围及特征的调查分析发现,其符合后坡滑移-前缘场地剪出的变形特征。

在库水位上升的影响下,在坡脚已有有效防治的条件下,先发生变形的是边坡上部后缘公路外侧坡,而其失稳对边坡前缘安置点场地产生影响。

在正常蓄水工况下,公路外侧边坡沿挡墙剪出和场地剪出两种破坏模式安全系数均为0.95;叠加暴雨作用后,安全系数降低到0.80和0.85;叠加地震作用下,安全系数分别为0.62和0.93。说明蓄水对场地及公路外侧边坡影响一般,安全系数降幅约为4%;蓄水叠加暴雨影响较大,安全系数降幅超过15%;蓄水叠加地震影响最大,公路外侧边坡沿挡墙剪出的安全系数降幅超过35%。