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        楞古水電站雨日堆積體岸坡穩(wěn)定性研究

        2013-10-20 08:06:08肖華波易志堅劉懿輝夏萬洪
        水力發(fā)電 2013年11期
        關鍵詞:變形

        肖華波,易志堅,劉懿輝,夏萬洪

        (1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072;2.中國水電工程顧問集團有限公司,北京 100120)

        0 引 言

        楞古水電站位于雅礱江中游,四川省康定與雅江兩縣交界處,預可行性研究階段擬定了上、下壩段2個方案進行比選研究。雨日堆積體位于2個比選壩段之間河段,上距上壩段約1 km,下距下壩段約11.5 km,總方量約2100萬m3;其下部基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體,體積約420萬m3。堆積體主要由冰水堆積物組成,膠結較緊密,但受地震、降雨及下部基巖邊坡淺表部變形等因素的影響,前緣和兩側陡坎局部出現(xiàn)坍滑與拉裂破壞。該堆積體規(guī)模巨大,一旦失穩(wěn)將直接威脅到位于其上部雨日村約30戶130余人的生命財產(chǎn)安全,其穩(wěn)定性問題對楞古水電站壩段的選擇具有重大工程影響。本文通過地質條件調(diào)查研究,將基巖與覆蓋層接觸帶、基巖邊坡內(nèi)松動變形底界作為潛在滑面,采用極限平衡法計算巖土體穩(wěn)定性,然后采用拉格朗日差分法模擬計算坡體應力-應變特征,進一步驗證分析邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)方式。

        1 工程地質條件

        研究區(qū)地形陡峻,屬高山峽谷地貌,河谷深切呈 “V”形。雨日堆積體平面上呈舌狀,上、下游發(fā)育深切沖溝,前緣被雅礱江切割圍限,地形相對獨立,呈圈椅狀地貌 (見圖1)。前緣高程2550 m,后緣3055 m,順河向前寬后窄,前緣寬500~560 m,后緣寬200~300 m,橫河向長450~590 m,前緣地形坡度 40°~55°, 中部平臺 20°~25°, 后緣 30°~35°,呈現(xiàn) “陡-緩-陡”的地形特征。堆積體兩側沖溝切割深達 80~100 m, 形成 50°~60°的陡壁, 局部近直立。堆積體前緣基巖邊坡平均坡度35°,局部50°~60°, 后緣基巖邊坡坡度一般 40°~50°。 出露地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組變質砂巖和印支-燕山期花崗偉晶巖脈, 巖層產(chǎn)狀 N30°~50°W/NE∠30°~50°(傾坡內(nèi))。堆積體主要由冰水堆積物組成,后緣分布有少量崩坡積堆積物。冰水堆積物分布于2550~2870 m高程,以含塊碎礫石土為主。崩坡積堆積物分布于堆積體后緣2870~3055 m高程,由塊碎石土組成。雨日堆積體所在岸坡無較大規(guī)模斷層通過,巖體內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育。

        圖1 雨日堆積體岸坡全貌

        堆積體與下伏基巖接觸帶坡度較平緩,前緣坡度 3°~5°、 中部~后緣坡度 30°~34°。 接觸帶內(nèi)未見土體壓密現(xiàn)象,無整體滑動破壞跡象。堆積體下部基巖邊坡主要發(fā)育4組裂隙,各結構面切割組合易形成潛在不穩(wěn)定塊體,坡表臨空部位巖體滑移-拉裂變形、傾倒變形明顯。水平深度40~50 m范圍發(fā)育松動變形巖體,呈碎裂結構,弱風化狀態(tài),變形較強烈,各方向結構面多張開,巖體沿傾坡外結構面滑移張開 0.5~2.0 cm,上、下盤巖體錯位 1~5 cm,結構面后緣拉張形成寬3~15 cm的倒 “V”字形拉裂縫,勘探平硐成型不規(guī)則,裂隙發(fā)育段掉塊嚴重。

        2 變形破壞現(xiàn)象及失穩(wěn)方式

        2.1 已有變形破壞現(xiàn)象

        雨日堆積體已有變形破壞現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為前緣和兩側陡坎的局部坍滑與拉裂破壞。在堆積體前緣2550~2600 m高程可見多處小規(guī)模坍滑現(xiàn)象,前緣與上游側沖溝交切處的小山脊后緣可見1條橫向拉裂縫,平面延伸約10~15 m,多被后期塊碎石土充填,未見新近變形跡象,其成因為1967年唐古棟滑坡堵江后 (堵江壅高水位為2575 m),邊坡土體受江水浸泡軟化和水位驟降的影響發(fā)生變形。此外,在堆積體上游側陡坎的中部和后緣部位各發(fā)育1條橫向拉裂縫,平面延伸長度小于10 m,未見發(fā)展貫通跡象,其成因主要是臨溝側高陡邊坡在重力作用下發(fā)生局部蠕動變形所致。堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡在1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降過程中形成多處小規(guī)模塌滑破壞,多沿傾坡外結構面發(fā)生滑移-拉裂破壞。

        2.2 變形失穩(wěn)方式

        堆積體主要由冰水堆積物組成,結構緊密,已經(jīng)歷了1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降和2001年雅江孜河6.0級地震的考驗,均未發(fā)生整體變形破壞。因此,在暴雨或地震工況下,堆積體發(fā)生整體滑移失穩(wěn)的可能性小,但其前緣和兩側臨空,有出現(xiàn)局部小規(guī)模蠕滑-拉裂變形的可能。堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡淺表局部變形強烈,發(fā)育一組產(chǎn)狀為 N60°~65°W/SW∠30°~45°的傾坡外結構面,在暴雨或地震等不利因素作用下,有發(fā)生小規(guī)模滑移-拉裂失穩(wěn)的可能。

        3 穩(wěn)定性分析

        3.1 極限平衡分析

        3.1.1 計算剖面及滑面選取

        雨日堆積體極限平衡法穩(wěn)定性計算地質模型見圖2?;?為基巖與覆蓋層接觸帶,主要分析堆積體整體穩(wěn)定性;滑面2為堆積體下部松動變形巖體底界,主要分析松動變形巖體整體穩(wěn)定性,滑面2上部穿過堆積體內(nèi)按圓弧形滑面考慮,并延伸至坡表。

        圖2 堆積體穩(wěn)定性計算地質模型

        3.1.2 計算方法及工況

        采用基于剛體極限平衡理論的Morgenstern-Price法,對各潛在滑面進行穩(wěn)定性計算。由于堆積體分布位置高于下壩段方案正常蓄水位,穩(wěn)定性分析不考慮蓄水相關工況,主要考慮天然、暴雨、地震3種工況,堆積體下部松動變形巖體考慮天然、暴雨、地震、蓄水、蓄水+暴雨、蓄水+地震等6種工況。地震工況按超越概率水平為50年10%的地震動參數(shù)選取,即基巖水平加速度峰值取0.15 g。

        3.1.3 邊坡等級及安全標準

        相對于上壩段,雨日堆積體位于壩段下游,邊坡類別及安全級別為B類Ⅲ級;相對于下壩段,堆積體位于近壩庫岸,邊坡類別及安全級別為B類Ⅰ級。綜合考慮后,最終確定安全系數(shù)標準 (見表1)。

        表1 安全系數(shù)標準

        3.1.4 物理力學參數(shù)取值

        雨日堆積體巖土體物理力學參數(shù)系根據(jù)物理力學試驗成果、反演分析及工程經(jīng)驗類比提出的。具體參數(shù)值見表2。

        表2 雨日堆積體物理力學參數(shù)取值

        3.1.5 穩(wěn)定性計算成果及評價

        雨日堆積體穩(wěn)定性計算成果見表3。從表3可見,在各種工況下,堆積體及下部松動變形巖體整體穩(wěn)定性均較好,均可滿足上、下壩段安全標準。

        3.2 三維數(shù)值模擬分析

        3.2.1 天然狀態(tài)

        堆積體最大主應力分布主要受重力場控制,量值隨埋深增大而增大,最大值位于堆積體底部,為2.0 MPa。受巖土體性狀差異影響,邊坡內(nèi)最小主應力分布呈明顯的不連續(xù)性,主要體現(xiàn)在沿基覆接觸帶局部段應力降低,為0~0.5 MPa(見圖3),從而將導致剪應力集中。因此,基覆接觸帶是堆積體穩(wěn)定的控制性邊界,但天然狀態(tài)下最小主應力降低帶貫通性差,對堆積體穩(wěn)定性影響不大。

        表3 雨日堆積體穩(wěn)定性系數(shù)計算成果

        圖3 堆積體天然狀態(tài)最小主應力分布

        3.2.2 地震工況

        沿基覆接觸帶最小主應力集中加強,約85%的區(qū)域內(nèi)形成低應力區(qū),為0~0.5 MP(見圖4),且在堆積體后緣形成拉應力區(qū)。堆積體總體表現(xiàn)為向坡外、豎直向下的位移分布特征,位移值總體不大,水平、豎向位移分別為4.0~9.0 cm和1.0~4.0 cm。堆積體及基覆接觸帶內(nèi)均未出現(xiàn)貫通的剪應變增量集中條帶,整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。后緣崩坡積堆積物由于組成物質松散,位移值較大,水平、豎向位移最大值分別為15.57 cm和14.08 cm,發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大,但規(guī)模較小。

        圖4 雨日堆積體地震工況最小主應力分布

        3.2.3 下壩段蓄水工況

        雨日堆積體位于下壩段方案庫內(nèi),水庫蓄水后堆積體下部基巖邊坡應力集中明顯,坡腳最大主應力為6.0~8.0 MPa,坡表局部巖體變形明顯,水平、豎向位移分別達10.0~20.0 cm和15.0~20.0 cm,變形深度3~5m,可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。受下部基巖邊坡變形的影響,堆積體內(nèi)最小主應力普遍降低,沿基覆接觸帶70%的區(qū)域形成低應力區(qū),為0~0.5 MP,前緣坡表甚至出現(xiàn)拉應力區(qū),拉應力最大為0.85 MPa(見圖5)。堆積體整體表現(xiàn)為向下和向坡外變形,但量值不大,水平、豎向位移僅分別為0.5~2 cm和0.5~1 cm,堆積體及基覆接觸帶內(nèi)均未出現(xiàn)貫通性剪應變增量集中條帶。綜合分析表明,下壩段蓄水工況下,堆積體整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài),僅堆積體前緣及下部基巖邊坡表部可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

        圖5 堆積體下壩段蓄水工況最小主應力分布

        3.3 穩(wěn)定性綜合評價

        在綜合分析坡體結構特征、已有變形破壞現(xiàn)象與變形破壞方式的基礎上,結合二維極限平衡法、三維數(shù)值模擬成果,對雨日堆積體及其下部松動變形巖體的穩(wěn)定性評價如下:

        雨日堆積體分布于2550 m高程以上,由冰水堆積物組成,結構較密實,基覆接觸帶坡度平緩,未見壓密土帶分布,無整體滑動跡象,僅在堆積體前緣和兩側陡坎有局部坍滑或拉裂,后緣松散崩坡積堆積物有小規(guī)模溜滑。1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降過程中也未引起堆積體變形失穩(wěn),僅前緣出現(xiàn)幾處小規(guī)模淺層坍滑,說明堆積體整體穩(wěn)定性較好。據(jù)二維極限平衡法計算成果,各種工況下堆積體沿基覆接觸帶的穩(wěn)定性系數(shù)在1.337~1.738之間,滿足上、下壩段安全標準要求。另據(jù)三維數(shù)值模擬分析,各種工況下沿基覆接觸帶均出現(xiàn)最小主應力低值帶,但均未貫通,堆積體整體位移不大,說明其穩(wěn)定性較好。地震工況下,后緣崩坡積堆積物的內(nèi)剪應變增量集中明顯,位移值較大,可能發(fā)生小規(guī)模失穩(wěn)。下壩段蓄水工況下,堆積體前緣局部拉應力集中明顯,有發(fā)生小規(guī)模失穩(wěn)的可能性。

        堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體,變形方式以滑移-拉裂變形為主,局部有傾倒變形現(xiàn)象,但總體邊坡地形坡度不大,且處于變形發(fā)展初期階段,整體穩(wěn)定性較好,各種工況下松動巖體的整體穩(wěn)定性系數(shù)在1.368~1.554之間,滿足上、下壩段安全標準要求。堆積體前緣基巖邊坡受結構面切割控制,在1967年唐古棟滑坡堵江及潰壩后水位驟降過程中,坡表曾出現(xiàn)多處小型塌滑現(xiàn)象。因此,下壩段蓄水工況下,結構面受水浸泡軟化,表層巖體有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。

        4 結 論

        (1)受巖土體性狀突變的影響,雨日堆積體底部基覆接觸帶內(nèi)易形成最小主應力低值帶,導致剪應力集中,從而容易形成堆積體穩(wěn)定性的控制性邊界。

        (2)堆積體主要由冰水堆積物組成,結構緊密,基覆接觸帶坡度平緩,有利于邊坡穩(wěn)定。數(shù)值模擬結果顯示,各種工況下沿基覆接觸帶均出現(xiàn)最小主應力低值帶,但均未貫通,邊坡整體穩(wěn)定性好。

        (3)堆積體下部基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體,表現(xiàn)為滑移-拉裂變形和局部傾倒變形,坡內(nèi)順河向、橫河向裂隙均多張開,巖體擴容。由于總體上邊坡地形坡度不大,且處于變形發(fā)展初期階段,分析計算表明,整體穩(wěn)定性較好。

        (4)堆積體及前緣基巖邊坡整體穩(wěn)定性均較好,滿足上、下壩段安全標準要求,僅在地震、下壩段蓄水工況下有發(fā)生局部變形失穩(wěn)的可能,但對電站上、下壩段方案影響均較小。

        [1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社,1994.

        [2]胡耀飛,沈軍輝,聶德新.牙根水電站拉裂松動巖體的工程適宜性研究[J].水力發(fā)電, 2011, 37(4):28-30.

        [3]DL/T 5353—2006 水電水利工程邊坡設計規(guī)范[S].

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