弱胶结宽级配卵漂石工程地质特性及边坡稳定性研究

雷世兵 黄振伟 蒲进 张涛 孙韬 熊宇康

收稿日期：2023-09-20

基金项目：

中国大唐集团有限公司科研项目“西藏扎拉水电站工程区弱胶结卵漂石混合土工程特性及边坡稳定性研究”（CWEME-2404XZ-F002）

作者简介：

雷世兵，男，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察与研究工作。E-mail：94213148@qq.com

引用格式：

雷世兵，黄振伟，蒲进，等.

弱胶结宽级配卵漂石工程地质特性及边坡稳定性研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：27-32，42.

摘要：

青藏高原山区河流阶地发育，区域内卵漂石具有弱胶结、宽级配、超大粒径颗粒含量较多等特点，工程地质特性及边坡稳定性研究难度大。采用现场原位试验、室内试验和地质调查测绘等方法，初步查明西藏扎拉水电站工程区卵漂石颗粒级配及抗剪强度。通过近景测量摄影、图像处理技术与常规颗粒分析试验相结合可确定颗粒级配，基于实测边坡地形和调查稳定坡角，结合稳定性反演计算可获得抗剪强度参数。结果表明：天然和饱水条件下卵漂石的内摩擦角差别不大，但饱水条件黏聚力仅为天然条件的25%～40%，由此对正常蓄水位以下、以上的库坝区边坡分别采取不同的支护措施，确保了处理方案的安全性与经济性。研究结果可为库坝区卵漂石边坡稳定性计算评价及处理方案设计提供地质依据。

关键词：

弱胶结； 宽级配； 卵漂石； 地质特性； 边坡稳定性； 扎拉水电站

中图法分类号：O319.56

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.005

文章编号：1006-0081（2024）06-0027-06

0  引  言

西南地区为高山峡谷地貌，构造运动强烈，海拔高，天气寒冷。在特殊的地形地质环境和气候条件下，河流阶地发育，阶地物质成分复杂，由粗粒土、细粒土组成，且主要为卵漂石［1］，卵漂石具有弱胶结、宽级配、超大粒径的漂石含量较多等3个显著特点。在这些河流上兴建水利水电工程，涉及卵漂石地基与边坡的利用及加固等关键地质问题，需要对工程地质特性进行研究。

目前，针对上述卵漂石乃至弱胶结宽级配的巨（粗）粒土，工程勘察重点在于探查、分析其空间分布和地质结构及成因机制［2-4］，对工程地质特性研究并不深入。颗粒级配和抗剪强度是土最重要的工程地质特性，颗粒级配在很大程度上又影响着抗剪强度，由于巨（粗）粒土颗粒粒径分布范围很广，大者直径可达10 m以上，小者为小于0.075 mm的粉粒、黏粒，采用现行技术标准进行颗粒分析试验以取得准确的级配数据变得相当困难［5］。巨（粗）粒土抗剪强度一般依据试验数据取值，但扰动样破坏了原始的胶结性，且通过采用剔除法、等量替代法、相似级配法、结合法等超粒径颗粒处理配样后［6］，试验样品已不能代表其天然级配。受剪切试验仪器设备的限制，只能选择巨（粗）粒土中的细颗粒相对集中的部位进行原位剪切，白金朋等［7］在苏洼龙水电站坝前堆积体原位直剪试验中采用的剪切盒尺寸为50 cm×50 cm×35 cm；张涛等［8］在拉洛水利枢纽近坝堆积体原位直剪试验中采用的剪切盒尺寸为55 cm×55 cm×35 cm，尽管剪切盒的尺寸在不断加大，但仍较最大颗粒小得多。在巨（粗）粒土边坡稳定性计算方面，极限平衡解析法和数值法均得到了比较广泛的应用［9-12］。

本文依托西藏扎拉水电站，对库坝区广泛分布的宽级配弱胶结卵漂石的工程地质特性及边坡稳定性进行了勘察研究，取得了初步成果，可为西藏自治区境内首个已（在）建的装机百万千瓦水电站设计与建设提供支撑。

1  工程概况及场地地形地质条件

扎拉水电站主要任务是发电，以及促进地方经济社会发展。电站采用混合式开发，坝址控制流域面积8 546 km2，多年平均流量110 m3/s，多年平均径流量34.7亿m3，水库正常蓄水位2 815 m，死水位2811.5 m，总库容914万m3，总装机容量1 015 MW，多年平均发电量39.46亿kW·h，为Ⅱ等大（2）型工程。2020年12月，扎拉水电站获得核准，成为西藏自治区首个已（在）建的百万装机容量水电工程，计划于2027年9月完工。

扎拉电站工程地处青藏高原东南部，高山峡谷地貌，新构造运动强烈［13］。库坝区河流总体流向自北北西至南南东，局部河段发育小而缓的弯道，主河床宽一般20～50 m，河水位2 760～2 815 m。沿河呈带状连续发育有Ⅱ、Ⅲ级阶地，均为基座阶地。Ⅱ级阶地台面高程2 810～2 860 m，宽20～200 m，拔河高45～100 m。Ⅲ级阶地台面高程2 860～2 900 m，台面宽50～100 m，拔河高80～115 m。阶地基座不平，部分地段有较大的起伏和深槽，深槽最低处接近现代河床。阶地前缘斜坡一般为陡壁或陡坡，坡角多为45°～65°，最大坡角可达75°以上。阶地物质主要为第四系更新统冲积（Qpal）卵漂石，下伏基岩为二叠系下统纳错群第一段（P1nc1）、三叠系中统忙怀组（T2m）板岩和局部侵入的印支期花岗闪长岩（γδ51）。

2  物质组成及级配

2.1  物质组成

根据区域地质资料，库坝区河流两岸分布的Ⅱ，Ⅲ级阶地形成于第四纪更新世（Qp），物质为卵漂石，粗颗粒呈次圆状、圆状（图1），属冲积成因类型。卵漂石结构密实，以泥质弱胶结为主，局部含较多钙质，胶结程度中等（图2），充填少量砂和粉黏粒。

卵漂石中粗颗粒原岩成分主要为花岗岩、花岗闪长岩及变质砂岩、辉长岩等，花岗岩、花岗闪长岩饱和单轴抗压强度Rb为68.2～86.3 MPa，变质砂岩Rb为101.7～186.5 MPa，辉长岩Rb为114.5～241.5 MPa，均属坚硬岩（Rb＞60 MPa）［14］。

2.2  天然重度

在阶地平台上开挖了8个试坑，考虑到卵漂石中超大粒径颗粒含量较多，为准确反映卵漂石的天然重度，需要开挖较一般土取样所需的更大的试坑，但试坑尺寸越大也意味着取样及试验工作量增加。因颗粒最大粒径为1.0 m，但这种超大漂石数量少仅偶见，综合试验工作量和成果可靠性两方面因素，采用试坑基本上呈边长2 m左右的立方体，边长约为最大粒径的2倍。

采用灌水法［6］进行试验，共取得8组试验数据，重度最小值为24.3 kN/m3，最大值为26.1 kN/m3。试验样本标准差为0.561 kN/m3，变异系数0.022，各试验数据均在合理范围之内。因此，取上述8组试验数据的平均值25.2 kN/m3作为卵漂石的天然重度。

2.3  级  配

在现场按照现行技术标准，对开挖的8个试坑卵漂石样品进行颗粒分析试验，对其中4个试坑样品分别平行实施2组，另4个试坑样品实施1组，总共获得了12组试验数据。在试验过程中，对粒径大于350 mm的大漂石，先测量其尺寸，然后根据形状和密度，估算单个大漂石的质量。对粒径小于350 mm 的颗粒，采用大台秤、小台秤和天平称量质量，大台秤量程为150 kg，小台秤量程为30 kg，大、小台秤配合使用可在确保称量准确的同时提高工作效率［15］。

根据现场颗粒分析试验成果（表1），粒径大于350 mm的漂石含量为4.5%～12.9%，平均值9.2%；粒径350～200 mm的漂石含量7.3%～27.3%，平均值17.2%；粒径200～20 mm的卵石含量35.3%～58.7%，平均值42.7%；粒径20～2 mm的砾石含量6.9%～22.7%，平均值13.6%；粒径2～0.075 mm的砂含量6.9%～26.8%，平均值14.5%；粒径小于0.075 mm的粉黏粒含量0.8%～4.9%，平均值2.8%。

针对这种宽级配卵漂石，采用一般土颗粒分析试验方法存在以下不足：①  试样质量较大（所需样品是常规的3倍以上），同时筛分工作量较大、工时较长（工时是常规的4倍以上）；② 对大漂石，因称量不便而通过测量尺寸估算质量，造成试验成果误差较大；③ 开挖试坑不适用灵活、便捷的人工方式，需租用重型机械设备，增加了工作经费。

为克服上述不足，研究过程中还创新采用近景测量摄影、图像处理技术与常规颗粒分析试验相结合的方法来确定卵漂石的颗粒级配。经对比（图3），新方法获得的级配曲线处于前述现场颗粒分析上包线、下包线之间且接近中间线，成果准确、可靠。此方法无需开挖深大试坑和现场称（测）量（超）大颗粒质量，操作简便，可显著提高工效、保障安全。

3  抗剪强度

3.1  现场直剪试验

在卵漂石试坑中取扰动样，根据DL/T 5356《水电水利工程粗粒土试验规程》要求，剔除了5 cm以上的颗粒后，按干密度制成重塑样品。重塑样品为25 cm×25 cm×25 cm的立方体，最大正压力1 MPa，在现场开挖的平硐内进行试验。

共完成了直剪试验4组，试验值：黏聚力10～40 kPa、摩擦系数0.35～0.46。对4组23点数据进行拟合，得到试样的综合抗剪强度：黏聚力为0、摩擦系数为0.45（表2）。

3.2  岸坡稳定坡角调查

通过实测河流两岸临河的卵漂石岸坡地形断面，对未出现变形的现状岸坡坡角进行统计，作为卵漂石的稳定坡角。结合访问当地民众和洪水痕迹研究，可分别调查出河流最高洪水位至平水位之间、最高洪水位以上这两个部分的稳定坡角。

沿河流选择卵漂石岸坡完成实测地形断面31条，断面方向与岸坡走向基本垂直，并绘制地形断面图，在图上量测地形坡角进行统计（表3）。以平均值～（平均值+最大值）/2作为岸坡不同部位的稳定坡角，即最高洪水位至平水位之间的卵漂石岸坡稳定坡角为30.0°～32.5°，最高洪水位以上的卵漂石岸坡稳定坡角为45°～49°。

3.3  反演分析

根据岸坡坡角调查结果，河流最高洪水位至平水位之间的卵漂石稳定坡角为30.0°～32.5°。这个部位的岸坡是在河流历史上长期且周期性洪水作用下形成的稳定坡形，包含饱水和洪水冲刷两个因素，即上述稳定坡角是卵漂石在饱水和洪水冲刷作用下的自然休止角。如果没有洪水冲刷作用，而只考虑饱水作用，那么卵漂石的自然休止角会比上述稳定坡角大。因此，经综合考虑，饱水条件下卵漂石的内摩擦角取34°～36°比较稳妥；用于反演分析计算时，天然条件下卵漂石的内摩擦角取36°～38°。饱水条件的卵漂石摩擦系数是天然条件的0.85～0.90倍，符合砾石土抗剪强度的一般规律［16］。

河流两岸分布Ⅱ、Ⅲ级阶地，前缘斜坡高陡。在地质调查和测绘过程中，发现部分岸段的阶地卵漂石斜坡发生了变形，坡顶平台发育有顺河向裂缝，裂缝宽1～5 cm，裂缝外侧阶地平台有下座迹象，台面向临空方向倾斜（图4）。另外，阶地临河斜坡总体坡角多为45°～65°，但斜坡下部坡角相对较小，一般不超过35°，这部分岸坡分布于河流最高洪水位以下，相对较缓的坡形是岸坡受河水冲刷作用的结果（图4）。

选取以上典型地质剖面进行边坡稳定性反演分析。对上部已出现变形迹象的边坡，根据变形裂缝的分布确定潜在滑移面位置，此时滑移体的稳定性系数为0.98。经反演分析，天然条件下卵漂石黏聚力为40～50 kPa。对于最高洪水位以下的边坡，受河流洪水长期作用，处于基本稳定状态，稳定性系数可取1.20，经反演分析，饱水条件下卵漂石黏聚力为10～20 kPa。

3.4  抗剪强度参数取值

库坝区广泛分布卵漂石，确定其抗剪强度是相当困难的。首先，卵漂石中含较多超大粒径的大漂石，受限于现有试验设备及方法，无法进行现场原位剪切试验，也无法采取原状样进行室内试验。其次，即使采取扰动样重塑后进行试验，重塑后样品的颗粒组成已不能反映卵漂石的原始级配，更不具有卵漂石天然的弱胶结特性，试验结果不准确。另外，对这种弱胶结宽级配粗粒土，国内外尚未开展系统且深入的研究，也缺少相关工程经验。

根据该工程卵漂石扰动样处理后的直剪试验，黏聚力C=0、摩擦系数f=0.45（对应内摩擦角24.5°），此值仅相当于一般沉积形成的砂的抗剪强度。很明显，按现行试验标准进行的扰动样重塑后的试验，其结果不能作为弱胶结宽级配卵漂石的抗剪强度。

基于边坡不同部位的稳定坡角调查，结合稳定性反演计算，为准确获取弱胶结宽级配卵漂石的抗剪强度提出了新思路。经综合分析，提出扎拉水电

站工程区卵漂石抗剪强度：天然条件下黏聚力C为40～50 kPa，内摩擦角Φ为36°～38°；饱水条件下黏聚力C为10～20 kPa，内摩擦角Φ为34°～36°。相对于天然条件下，饱水后的卵漂石内摩擦角略有降低，但差别较小，主要原因是卵漂石中粒径较大的卵石、漂石含量较多。饱水后的卵漂石黏聚力则大为降低，仅为天然条件黏聚力的25%～40%，这是经饱水后卵漂石的弱胶结性逐渐减弱甚至丧失造成的。

4  边坡稳定性计算及防护措施

稳定性计算采用SLOPE/W软件中的刚体极限平衡Morgenstern-Price法，计算工况分别考虑了天然工况（河水位2 770 m）、持久工况（正常蓄水位2 815 m）、短暂工况（水位从正常蓄水位2 815 m消落至死水位2 811.5 m过程）、偶然工况（正常蓄水位2 815 m+地震，地震水平向加速度为1.53 g）。

根据DL/T 5353《水电水利工程边坡设计规范》，考虑卵漂石边坡规模大，且分布在右坝肩及近坝，边坡属A类Ⅱ级边坡，设计安全系数取值：持久工况1.10、短暂工况1.05、偶然工况1.05。稳定性

计算结果（表4）表明，天然工况下，边坡稳定性系数0.963，不稳定，滑动范围为高程2 834～2 870 m的

边坡上部；其余工况边坡稳定性系数0.860～1.048，特别是库水位消落时稳定性系数最小，且均小于设计安全系数，失稳范围扩大到边坡高程2 780～2 890 m整体，应进行边坡防护。

对卵漂石边坡，鉴于水库蓄水对卵漂石的软化特别是使其胶结性降低，库水以下的边坡稳定容易恶化，因此相对于正常蓄水位以上的边坡，以下边坡支护将加强（图5）。卵漂石边坡正常蓄水位以下，开挖坡比为1∶1，每隔10 m布置一级2 m宽马道，同时采用“系统锚杆+挂网喷混凝土+混凝土板+锚索+排水孔”的综合支护措施，预应力锚索规格1 000 kN，长度35～40 m，间排距4.5 m×4.5 m。正常蓄水位以上边坡，开挖坡比1∶0.9，每隔15 m布置一级3 m宽马道，同时采用“钢筋混凝土板+系统锚杆+排水孔”的综合支护方式。

5  结  论

中国西南地区和青藏高原河流众多，河谷广泛分布弱胶结宽级配的卵漂石。在这些河流上建设水利水电工程，一般会涉及到卵漂石的利用与改造，应充分认识其工程地质特性。在扎拉水电站勘察过程中，通过创新试验及分析方法，初步解决了如何确定弱胶结宽级配卵漂石颗粒级配、抗剪强度等难题，为库坝区边坡稳定性计算评价及处理方案设计提供了地质依据。

（1） 采用近景测量摄影、图像处理技术与常规颗粒分析试验相结合的方法来确定卵漂石的颗粒级配，近景测量摄影、图像处理技术用于难以称（测）量的（超）大颗粒，常规颗粒分析试验用于细小颗粒。该方法成果准确、可靠，提高工效，节省工时与费用，值得在类似工程领域中推广。

（2） 基于实测卵漂石边坡地形和调查河流洪水位变动带、最高洪水位以上坡段的稳定坡角，并结合稳定性反演计算，获得了弱胶结卵漂石的抗剪强度参数。该方法克服了现有试验的局限性，为确定弱胶结宽级配超大粒径粗粒土的抗剪强度提供了新思路。

（3） 根据卵漂石边坡稳定性计算结果，对库坝区正常蓄水位以上的天然边坡和以下的变饱和条件边坡分别采取强弱不同的防护措施，保证了弱胶结卵漂石边坡处理的安全性和经济性。目前，部分坝肩和近坝岸坡的开挖及支护工作已实施完毕，根据施工期监测资料分析，坡表变形及锚索、锚杆应力值均在设计允许范围之内，边坡运行正常。

（4） 有关卵漂石包括超大粒径粗粒土的胶结程度如何量化、胶结性对其力学特性的影响机理，以及胶结的超大粒径粗粒土在库水、降雨作用下的渗透特性等，在今后的工作中还需进一步深化研究。

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（编辑：李  慧）

Study on engineering geological characteristics and slope stability of weakly cemented widely graded pebble and boulders

LEI Shibing1，2，HUANG Zhenwei1，2，PU Jin3，ZHANG Tao1，2，SUN Tao1，2，XIONG Yukang1，2

（1.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

3. Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China）

Abstract：

Rivers and terraces are developed in the Qinghai-Xizang Plateau areas. The boulders in this area have the characteristics of weak cementation，wide gradation，and high content of super-large particles，so it is difficult to study their engineering geological characteristics and slope stability. By field test，indoor test and geological investigation，the grain composition and shear strength of boulder and cobble in Xizang Zhala Hydropower Station were investigated，and the grain composition of boulder and cobble can be accurately determined by combining close-range measurement photography，image processing technology with conventional grain analysis test. The shear strength parameters of boulders can be accurately obtained based on the measured slope topography and the investigated stable slope angle combined with the stability inversion calculation. The results showed that under natural and saturated conditions，the internal friction angle of boulder pebble had little difference，but the cohesion of boulder pebble under saturated condition was only 25%～40% of that under natural condition. Therefore，different supporting measures were taken for the slopes below and above the normal water level to ensure the safety and economy of the treatment scheme. The research results can provide a geological basis for the calculation and evaluation of the weakly-cemented wide-graded boulder slope stability in the reservoir and dam area and the design of the treatment scheme.

Key words：

weak cementation； wide gradation； boulder； geological characteristics； slope stability； Zhala Hydropower Station