孫凱輝, 張永輝, 楊須寧

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024)

大華橋水電站庫(kù)區(qū)岸坡類(lèi)型分析及塌岸預(yù)測(cè)

孫凱輝, 張永輝, 楊須寧

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024)

介紹大華橋水電站庫(kù)岸岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型,分析岸坡變形破壞特征。根據(jù)地質(zhì)特征及所屬岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型將庫(kù)區(qū)分為四段,并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性;根據(jù)工程特點(diǎn),選擇合適的塌岸預(yù)測(cè)方法,預(yù)測(cè)塌岸范圍,為水庫(kù)影響區(qū)范圍的界定提供地質(zhì)依據(jù)。

庫(kù)岸岸坡;結(jié)構(gòu)類(lèi)型;變形破壞;塌岸預(yù)測(cè)

1 工程概況

大華橋水電站壩址位于云南省怒江州蘭坪縣境內(nèi)的瀾滄江干流上,系瀾滄江上游河段規(guī)劃推薦開(kāi)發(fā)方案7個(gè)梯級(jí)電站的第6級(jí),上接黃登水電站,下鄰苗尾水電站。壩型為混凝土重力壩,最大壩高106 m,電站裝機(jī)容量920 MW。水庫(kù)正常蓄水位1 477 m,干流回水至黃登水電站下游,回水河道長(zhǎng)約38.5 km,水庫(kù)庫(kù)容2.93億m3[1]。

2 庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件

水庫(kù)區(qū)內(nèi)瀾滄江河道總體呈近SN向延伸,兩岸山頂高程多在2 700～3 600 m左右,相對(duì)高差1 300～2 500 m。庫(kù)區(qū)段河谷多遭受深切而呈“V”型谷,為高中山峽谷型地貌,河道蜿蜒曲折,兩岸坡度一般為25°～50°。營(yíng)盤(pán)鎮(zhèn)上游河谷狹窄,兩岸地形陡峻,河床寬一般為40～75 m;營(yíng)盤(pán)鎮(zhèn)—壩址河段較為開(kāi)闊,左岸以營(yíng)盤(pán)鎮(zhèn)所在地面積最大,右岸以金滿村、拉古村所在地面積最大,僅在較大沖溝溝口或崩塌錯(cuò)落堆積地段存在小型的平緩臺(tái)地,河床寬一般為60～100 m。庫(kù)區(qū)兩岸山體雄厚,無(wú)低洼的地形分水嶺,屬狹長(zhǎng)型河道水庫(kù)。

水庫(kù)區(qū)出露巖性主要為二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系等,其中侏羅系紫紅色板巖最為發(fā)育,僅在庫(kù)尾及庫(kù)首段分別出露三疊系火山碎屑巖和白堊系板巖、砂巖。

水庫(kù)區(qū)位于瀾滄江斷裂帶以東,庫(kù)區(qū)兩岸除大華橋上游1 km河段范圍內(nèi)巖層揉皺劇烈以外,其他河段多以單斜層產(chǎn)出,產(chǎn)狀走向近南北向,多傾向右岸,庫(kù)區(qū)周邊巖體內(nèi)褶皺發(fā)育程度不均一,主要有大華村以南偏左岸和大華村以北偏右岸的復(fù)式背斜。庫(kù)區(qū)巖層內(nèi)斷裂構(gòu)造分布較少,規(guī)模較大者有兩條F26、F27,其中F26斷層展布于庫(kù)區(qū)中下游地段,總體走向近SN向,斷裂帶由多條斷裂組成,沿走向一波三折,并多次被近東西向斷裂切錯(cuò),連續(xù)性不強(qiáng)。F27斷裂展布于庫(kù)區(qū)中部青吾甸—營(yíng)盤(pán)一帶,走向近南北,庫(kù)內(nèi)長(zhǎng)度約14 km。走向線呈舒緩波狀,由2～3條斷層組成,發(fā)育于中、上侏羅統(tǒng)地層內(nèi)。其它斷裂多順巖層發(fā)育,貫通性較差。庫(kù)區(qū)巖體裂隙基本可以分為四組:①NE10°NW∠75°～80°;②NW280°～290°NE∠80°;③NE5°～20°NW∠5°～25°;④NW275°～300°SW∠5°～25°。裂隙一般延伸短小,以第①組層面裂隙、②組垂直層面裂隙組最為發(fā)育,③、④組緩傾角裂隙組發(fā)育較少。庫(kù)區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象較發(fā)育,主要表現(xiàn)為滑坡、泥石流及巖體的風(fēng)化、傾倒、卸荷、崩塌等,尤以崩塌堆積體最為發(fā)育。規(guī)模較大的滑坡主要發(fā)育有三個(gè),均為古滑坡堆積體,滑面位于基巖與覆蓋層交界處,基本以土質(zhì)滑坡為主,現(xiàn)狀下滑坡基本處于蠕滑狀態(tài)。

水庫(kù)區(qū)內(nèi)有大小沖溝25條,支流多以大角度交匯于瀾滄江,構(gòu)成“豐”字狀水系,河口均可見(jiàn)沖洪積物堆積。水庫(kù)區(qū)內(nèi)階地分布不多,可見(jiàn)Ⅰ-Ⅵ級(jí),其中Ⅰ-Ⅲ級(jí)臺(tái)面保持相對(duì)完整,Ⅳ級(jí)以上階地以殘留體形態(tài)分布在高處,并可見(jiàn)到岸坡崩塌、錯(cuò)落掩埋的砂卵礫石層。

3 庫(kù)岸結(jié)構(gòu)類(lèi)型及變形破壞特征

根據(jù) 《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5337—2006),結(jié)合岸坡巖(土)性質(zhì)、變形特征分為層狀結(jié)構(gòu)邊坡、傾倒變形結(jié)構(gòu)邊坡、土質(zhì)邊坡和滑坡堆積物邊坡四大類(lèi)型。

3.1 層狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡

主要分布于斜向谷與橫向谷的兩岸。依據(jù)巖層與岸坡的關(guān)系又分為以下四類(lèi):橫向岸坡、順向岸坡、逆向岸坡、斜向岸坡。其中橫向及逆向岸坡出露巖體以弱風(fēng)化為主,呈陡立層狀結(jié)構(gòu),巖體完整性差—較完整,傾倒變形不發(fā)育或不強(qiáng)烈,自然邊坡整體穩(wěn)定。邊坡主要結(jié)構(gòu)面為層面及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶,緩傾角結(jié)構(gòu)面多短小,無(wú)傾向坡外連通性較好的結(jié)構(gòu)面分布,蓄水后邊坡整體穩(wěn)定性較好。陡立岸坡中,局部有破碎巖體分布,蓄水后破碎巖體可能產(chǎn)生崩塌,但影響范圍較小。順向庫(kù)岸岸坡一般巖層傾角大于自然坡腳,其穩(wěn)定條件較好,但傾角陡時(shí),易產(chǎn)生傾倒變形破壞;斜向庫(kù)岸岸坡穩(wěn)定性一般較好。該類(lèi)型岸坡約占庫(kù)岸總長(zhǎng)的43.5%。

3.2 傾倒變形結(jié)構(gòu)巖體邊坡

主要分布于縱向谷的一岸或兩岸,由巖體傾倒變形而形成,邊坡穩(wěn)定性差,穩(wěn)定坡角取決于層狀碎裂巖塊間的鑲嵌情況及其咬合力,表層巖體的穩(wěn)定性較差,水庫(kù)蓄水后,在庫(kù)水的作用下傾倒變形加劇,從而導(dǎo)致邊坡表層產(chǎn)生崩塌。該類(lèi)型岸坡約占庫(kù)岸總長(zhǎng)的36.5%。

3.3 土質(zhì)邊坡

主要有沖積、洪積、崩坡積堆積物形成的岸坡,水庫(kù)蓄水后受地表水的沖刷及庫(kù)水波浪的淘刷作用,庫(kù)岸再造比較強(qiáng)烈、速度快,是主要的塌岸地段。該類(lèi)型岸坡約占庫(kù)岸總長(zhǎng)的13.5%。

3.4 滑坡堆積物邊坡

庫(kù)區(qū)滑坡主要為土質(zhì)滑坡,組成物為含碎石粘土、碎塊石。滑坡穩(wěn)定性受土體結(jié)構(gòu)、滑面特征及地下水位的控制。水庫(kù)蓄水后,邊坡水文地質(zhì)條件的變化及前緣局部塌岸,均可能改變滑坡體的穩(wěn)定狀態(tài)而導(dǎo)致滑坡復(fù)活或變形加劇,產(chǎn)生牽引式淺表層滑移失穩(wěn)。該類(lèi)型岸坡約占庫(kù)岸總長(zhǎng)的6.5%。

4 庫(kù)段劃分及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)河谷地貌形態(tài)、巖土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造特征、河谷和岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型、水文地質(zhì)條件、庫(kù)岸穩(wěn)定性現(xiàn)狀及對(duì)樞紐建筑物的影響程度等因素,將大華橋庫(kù)區(qū)分為四段,主要包括下壩址—黃龍場(chǎng)河段、黃龍場(chǎng)河—玉龍河段、猴子巖河—玉龍河段、猴子巖河—庫(kù)尾段。綜合分析,穩(wěn)定及基本穩(wěn)定的庫(kù)段占總庫(kù)長(zhǎng)的一半,其中庫(kù)尾—玉龍河段(營(yíng)盤(pán)鎮(zhèn))除甸尾橋、甸尾堆積體外均屬此類(lèi)岸坡;穩(wěn)定性較差、穩(wěn)定性差的占總庫(kù)長(zhǎng)的一半,玉龍河—壩址段均以此類(lèi)岸坡為主,期間發(fā)育大華滑坡、拉古滑坡、滄江橋滑坡等規(guī)模較大的滑坡體,迤場(chǎng)、拉巴鐵、扎局、拉古河、松柏礦場(chǎng)、風(fēng)塔等規(guī)模較大的堆積體,部分穩(wěn)定條件較差。水庫(kù)庫(kù)岸分段特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

5 水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)

5.1 水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料,水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法概括起來(lái)有二大類(lèi):一類(lèi)為工程地質(zhì)類(lèi)比法,另一類(lèi)為極限平衡搜索法。工程地質(zhì)類(lèi)比法是建立在水庫(kù)塌岸調(diào)查基礎(chǔ)上的分析方法,其中有代表的預(yù)測(cè)方法有佐洛塔寥夫預(yù)測(cè)法、手冊(cè)法、二段法等。

(1) 佐洛塔寥夫預(yù)測(cè)法:該方法認(rèn)為水庫(kù)岸坡再造,波浪的作用是主要的,庫(kù)岸再造后的岸坡形態(tài)由以下五個(gè)特征邊坡組成,分別為淺外緣陡坡、堆積淺堆坡、沖蝕淺灘坡、爬升帶斜坡以及水上坡等。塌岸預(yù)測(cè)時(shí),通過(guò)調(diào)查選取各特征坡段的坡度和水下堆積淺灘的堆積系數(shù),采用平衡剖面法確定塌岸線。此方法較好地考慮了水下堆積淺灘和浪蝕的作用,理論上符合水庫(kù)最終塌岸邊坡的坡形特征,但在實(shí)際使用時(shí)由于待定參數(shù)多,加之堆積系數(shù)的確定較為困難,應(yīng)用不方便。

(2) 手冊(cè)法:該方法是指《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》提出的短期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)法。短期預(yù)測(cè)法認(rèn)為水庫(kù)蓄水初期的岸坡再造,主要表現(xiàn)為庫(kù)岸巖土受庫(kù)水作用下,因強(qiáng)度降低產(chǎn)生坍滑,而波浪沖蝕與堆積淺灘的作用可相互抵消,塌岸邊坡可近似地認(rèn)為由水上、水下穩(wěn)定邊坡組成。塌岸預(yù)測(cè)時(shí),通過(guò)調(diào)查選取河道最高洪水位和正常蓄水位之間的水下穩(wěn)定坡角、正常蓄水位以上的各土層的水上穩(wěn)定坡角,利用圖解法確定水庫(kù)蓄水庫(kù)蓄水初期塌岸寬度。此方法對(duì)塌岸邊坡的坡形進(jìn)行了概化處理,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際塌岸寬度基本吻合。

(3) 二段法:預(yù)測(cè)塌岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成時(shí),水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn),所對(duì)應(yīng)的同高度的原始岸坡點(diǎn)與該線終點(diǎn)之間的水平距離,即為預(yù)測(cè)的塌岸寬度Sk。水下穩(wěn)定岸坡線由原河道多年最高洪水位h及傾角α確定,水上穩(wěn)定岸坡線由設(shè)計(jì)洪水位和毛細(xì)水上升高度H′及傾角β確定。此方法與手冊(cè)的短期預(yù)測(cè)法相似,作為水庫(kù)影響區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果偏于不安全。

表1 庫(kù)岸分段特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表

5.2 本工程預(yù)測(cè)方法的確定

本工程可能產(chǎn)生塌岸的邊坡巖土主要有崩積層、沖積層、洪積層和傾倒變形巖體邊坡。土質(zhì)岸坡的物質(zhì)組成、密實(shí)程度和穩(wěn)定坡角決定其塌岸程度。

土質(zhì)岸坡庫(kù)岸再造比較強(qiáng)烈,短期塌岸和長(zhǎng)期塌岸相差較大,蓄水后邊坡破壞形式以崩坍和波浪沖蝕為主,塌滑面為近直線型,手冊(cè)法的短期預(yù)測(cè)法符合本工程塌岸破壞特征,塌岸邊坡概化處理易于操作,可作為本工程土質(zhì)邊坡的短期預(yù)測(cè)方法。從塌岸的形成過(guò)程來(lái)看,長(zhǎng)期塌岸是在短期塌岸基礎(chǔ)上的岸坡變形和破壞,以短期預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)是可行的。手冊(cè)法中的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方法采用通過(guò)坡形修正可以消除存在的問(wèn)題,但由于短期塌岸后的坡形難以預(yù)計(jì),實(shí)際操作不現(xiàn)實(shí),因此,采用《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》提出的圖解法作為本工程的短期預(yù)測(cè)方法;長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方法中考慮了水下堆積淺灘的作用、浪蝕的作用,增加了淺灘坡角。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,需要對(duì)短期預(yù)測(cè)與長(zhǎng)期預(yù)測(cè)法進(jìn)行對(duì)比。

5.2.1 短期預(yù)測(cè)

土質(zhì)邊坡和傾倒變形邊坡塌岸高程和塌岸寬度根據(jù)計(jì)算圖解法求得。計(jì)算圖解法如圖1所示。

其計(jì)算公式如下:

圖1 非均質(zhì)岸坡塌岸短期預(yù)測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of short-term prediction of heterogeneous bank collapse

式中:S0為水庫(kù)蓄水庫(kù)蓄水初期塌岸寬度(m);Hi為正常蓄水位以上第i層土的厚度(m);hi為第i層土的厚度(m);αi為第i層土的水下穩(wěn)定坡角,為靜水作用下的巖土穩(wěn)定坡度;βi為第i層土的水上穩(wěn)定坡度;γ為原始岸坡坡度。

5.2.2 長(zhǎng)期預(yù)測(cè)

土質(zhì)岸坡塌岸高程和塌岸寬度根據(jù)計(jì)算圖解法求得。計(jì)算圖解法如圖2所示。

兩種方法預(yù)測(cè)時(shí),如果岸前有梯級(jí)階地或河漫灘,且階地或河漫灘高于原河道最高洪水位時(shí),則以階地或河漫灘的后緣高程代替原河道最高洪水位值,作為塌岸起算點(diǎn);當(dāng)邊坡下部有基巖出露且基巖面高于原河道最高洪水位值時(shí),以基巖面作為塌岸起算點(diǎn)。

圖2 非均質(zhì)岸坡塌岸長(zhǎng)期預(yù)測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of long-term prediction of heterogeneous bank collapse

其計(jì)算公式如下:

式中:St為塌岸帶最終寬度(m);Hi為正常蓄水位浪爬高以上第i層土的厚度(m);hb為浪爬高度,大體為0.1～0.8倍波高,hb取1 m;hp為波浪沖刷深度,大體為1～2倍波高,hp取1.5 m;hi為第i層土的厚度(m);αi為第i層土的水下穩(wěn)定坡角,為靜水作用下的巖土穩(wěn)定坡角(°);θi為水位變動(dòng)帶第i層土的沖磨蝕坡角,為動(dòng)水作用下的巖土穩(wěn)定坡度;βi為第i層土的水上穩(wěn)定坡度;γ為原始岸坡坡度。

5.3 預(yù)測(cè)成果

為了獲取大華橋庫(kù)區(qū)比較真實(shí)、客觀的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù),對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)庫(kù)岸的天然岸坡進(jìn)行調(diào)查,并結(jié)合上、下游梯級(jí)電站的調(diào)查成果,最終確定庫(kù)區(qū)塌岸預(yù)測(cè)邊坡特征參數(shù)建議值如表2。在各庫(kù)段塌岸預(yù)測(cè)中,結(jié)合邊坡巖土性質(zhì)選擇預(yù)測(cè)參數(shù),其中水下穩(wěn)定坡腳一般取22°,浪擊帶取12°～14°。

由于本工程天然岸坡較陡,死水位較高,淺灘堆積上升速度較慢,且水庫(kù)中前段水深較大,土質(zhì)岸坡塌岸起算點(diǎn)采用河道最高洪水位,傾倒變形邊坡塌岸起算點(diǎn)采用傾倒邊坡變形發(fā)育下限高程。各水位的選取標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1) 根據(jù)庫(kù)區(qū)調(diào)查,河水位最大變幅為4～5 m。河道最高洪水位以現(xiàn)在河水位增加5 m計(jì)。

(2) 水庫(kù)正常蓄水位1 477 m,死水位1 472 m。對(duì)于有居民點(diǎn)分布地段,塌岸預(yù)測(cè)水位按水庫(kù)正常蓄水位并考慮20年一遇(P=5%)洪水回水位計(jì)算成果選取;對(duì)于有耕地、林地分布的庫(kù)段,塌岸預(yù)測(cè)水位按水庫(kù)正常蓄水位并考慮5年一遇(P=20%)洪水回水位計(jì)算成果選取;對(duì)于一般庫(kù)岸,塌岸預(yù)測(cè)水位按照水庫(kù)正常蓄水位選取。

表2 庫(kù)區(qū)主要巖(土)層建議坡角

表3 庫(kù)區(qū)塌岸范圍一覽表(部分)

根據(jù)以上原則,對(duì)庫(kù)區(qū)塌岸進(jìn)行了預(yù)測(cè),部分地段的預(yù)測(cè)成果見(jiàn)表3。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大華橋水電站水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定性分析研究,初步掌握了各庫(kù)段岸坡變形破壞特征,并合理選用適合本工程的水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法、巖土體物理力學(xué)參數(shù),提出了庫(kù)區(qū)塌岸的位置及范圍,為最終水庫(kù)影響區(qū)范圍的界定提供了地質(zhì)依據(jù)。

[1] 張永輝,王永彬,郭松.大華橋水電站庫(kù)岸穩(wěn)定性及水庫(kù)影響區(qū)范圍界定專(zhuān)題報(bào)告[R].北京:北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,2010.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Type Analysis of Bank Slope and Prediction of Bank Collapse for Reservoir Areaof Dahuaqiao Hydropower Station

SUN Kaihui, ZHANG Yonghui, YANG Xuning

(PowerChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

This paper describes the slope structure type of reservoir bank for Dahuaqiao hydropower station,and analyzes the deformation failure characteristics of bank slope. The reservoir area is divided into four sections based on the geological characteristics and structure type of bank slope,and then to evaluate the stability. According to the project characteristic,the suitable predication method of bank slump which may predict the scope of bank collapse is selected to provide the geological basis for defining the reservoir-affected area.

bank slope; structure type; deformation failure; prediction of bank collapse

2016-04-22;改回日期:2016-05-15

孫凱輝(1984-),男,工程師,水文與水資源工程專(zhuān)業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:sunkh@bhidi.com

TV697.3+3

A

1671-1211(2016)03-0369-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.029

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.022.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31