袁俊陶 姜彥作 喻虎圻

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司水工設(shè)計分院 貴州 貴陽 550081)

官莊水電站庫區(qū)左岸轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

袁俊陶 姜彥作 喻虎圻

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司水工設(shè)計分院 貴州 貴陽 550081)

分析了官莊水電站庫區(qū)左岸轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡的成因，采用中國水利科學(xué)研究院開發(fā)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析程序STAB對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算和分析，考慮了暴雨、水庫蓄水、庫水驟降等對堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響，總結(jié)出轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡在上述情況下的穩(wěn)定性特征，并據(jù)此提出了轉(zhuǎn)角洞堆積體的防護(hù)處理措施，為其他類似工程的邊坡穩(wěn)定性分析和處理提供了借鑒。

堆積體；邊坡；穩(wěn)定性分析；官莊水電站

一、前 言

官莊水電站位于芙蓉江干流中下游河段，地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內(nèi)舊城鎮(zhèn)官莊壩，距貴陽市376km，距遵義市226km，距道真縣城25km，為芙蓉江干流水電梯級開發(fā)的第九級，距上游魚塘水電站約9.6km。官莊水電站正常蓄水位411m，相應(yīng)庫容929萬m3，死水位407m，工程任務(wù)為發(fā)電，裝機(jī)容量50MW，年平均發(fā)電量1.825億kW.h。

工程所在區(qū)域河谷深切，兩岸地形不對稱，海拔高程376～1581m，相對高差500～1200m，屬侵蝕高中～低中山地貌區(qū)。地形坡度受巖性影響較大，灰?guī)r分布河段地形多陡峻，主要位于左岸轉(zhuǎn)角洞滑坡下游及右岸，多為陡壁，地形坡度45°～70°；左岸第四系地層及志留系地層分布的河段多為緩坡地形，地形坡度一般10°～30°。區(qū)域地層屬黔北川南地層分區(qū)的遵義小區(qū)，區(qū)內(nèi)均為沉積巖分布，除泥盆系缺失外，寒武系至三疊系地層均有出露，第四系較集中分布于山間盆地、巖溶洼地及河流沿岸階地、谷坡部位。工程區(qū)所處構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺、黔北臺隆、遵義斷拱、鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動，尤其燕山期以來，西北部盆地內(nèi)強(qiáng)烈沉降，東南大部隆起，地質(zhì)構(gòu)造形跡較為復(fù)雜。

轉(zhuǎn)角洞堆積體規(guī)模較大，總方量約1072×104m3，堆積體距壩址最近3.5km，距上游舊城鎮(zhèn)僅1km，在正常條件下發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較小。轉(zhuǎn)角洞堆積體前緣發(fā)育1號、2號滑坡體，方量分別為75×104m3、65×104m3，局部穩(wěn)定性相對較差，蓄水后在暴雨條件下可能發(fā)生局部失穩(wěn)。由于堆積體分布區(qū)河道狹窄，前緣局部失穩(wěn)可能堵塞河床，導(dǎo)致庫水位壅高，影響舊城鎮(zhèn)河段覆蓋層庫岸穩(wěn)定。本文就轉(zhuǎn)角洞堆積體在蓄水前、后坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價。

二、轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡的基本地質(zhì)條件

轉(zhuǎn)角洞堆積體位于壩址上游3.5km的左岸河段，順河長約670m，橫河寬最大達(dá)500m，堆積體分布高程自河床到620m，河流基本順直，總體流向?yàn)镹17°W，河水面高程396～402m，枯期河水面寬28～45m，水深1～5m；蓄水后抬高水位9～15m，正常蓄水位高程河谷寬約70～110m。前緣460m高程以下地形略陡，坡度28°～34°；中部460～470m為一緩坡平臺，地形坡度一般小于5°，平臺順河方向長約200m，橫河方向?qū)捈s180m，均為水田分布；上游側(cè)后緣460～500m高程地形坡度約10°，下游側(cè)460～500m高程地形坡度10°～20°；上游側(cè)500m以上高程地形平緩，坡度約10°，下游側(cè)500m以上高程地形變陡，坡度30°～60°。

轉(zhuǎn)角洞前緣發(fā)育2個小滑坡堆積體(見圖1)，分布于轉(zhuǎn)角洞堆積體上、下游，滑坡地貌明顯；鉆孔揭露上游側(cè)1號滑坡體厚度9.5～12m，方量75×104m3，下游側(cè)2級滑坡厚度3.0～24.2m，方量65×104m3。上游側(cè)1號滑坡后緣形成10～20m高陡坡，往河方向地形明顯較矮，滑坡體前緣向河凸出。下游側(cè)2號滑坡區(qū)分布有I、II級階地，I級階地高程410～420m為基座階地；II級階地高程440～450m為堆積階地，鉆孔揭露I、II級階地殘存河砂，滑坡地貌較為明顯，前緣上翹，后緣弧形，滑坡應(yīng)在I級階地以后，厚度變化較大。

圖1 轉(zhuǎn)角洞堆積體分布位置圖

堆積體下伏基巖主要為志留系下統(tǒng)韓家店組(S2h)紫紅色、灰綠色薄至中厚層泥巖，強(qiáng)度低，暴露后易風(fēng)化崩解；北西側(cè)尚有二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)片狀灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖以及棲霞組(P1q)中厚至厚層灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾泥灰?guī)r以及茅口組(P1m)厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石團(tuán)塊，下部生物碎屑灰?guī)r夾透鏡狀灰?guī)r，具眼球狀構(gòu)造。下游2號滑坡區(qū)基本上為緩傾斜至順向坡結(jié)構(gòu)，泥巖內(nèi)部夾層發(fā)育，在雨水入滲后不斷軟化，堆積體前緣不斷崩落的塊碎石對坡面有加載作用，使得下部巖體向區(qū)域性斷裂帶產(chǎn)生擠壓變形，最終形成一定規(guī)模的基巖蠕變體分布于2號滑坡下部。

三、轉(zhuǎn)角洞堆積體成因分析

河谷寬谷期以后，由于地殼強(qiáng)烈抬升，河流急劇下切，形成峽谷地形。該部位峽谷岸坡為上硬下軟的順向坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，高陡的臨空條件及下部泥頁巖塑性巖體，使該段岸坡卸荷拉應(yīng)力高度集中，早期順河向張性裂隙不斷發(fā)展，并由于P1q灰?guī)r與下伏P1l及S2h泥巖的差異風(fēng)化，在P1l及S2h泥巖分布地帶形成風(fēng)化凹槽，加劇了上伏巖層卸荷松動帶沿臨空面方向產(chǎn)生崩塌、滑移破壞。另一方面，由于危巖體頂部拉裂隙的形成，有利于地表水的入滲，地表水沿后緣拉裂隙入滲，從而加劇了沿拉裂產(chǎn)生的溶蝕作用，使后緣邊界不斷擴(kuò)展，峽谷岸坡不斷向后推進(jìn)，詳見示意圖2。因此，轉(zhuǎn)角洞堆積體應(yīng)以崩塌堆積性質(zhì)為主。

圖2 轉(zhuǎn)角洞堆積體形成過程示意圖

統(tǒng)觀堆積體上布置的16個鉆孔資料及地質(zhì)調(diào)查測繪成果，僅在堆積體前緣1號、2號滑坡區(qū)及2號滑坡區(qū)岸邊附近揭露有滑帶土(粘土含泥巖礫石)成分，其余鉆孔未揭露到滑帶。因此，推斷堆積體前緣如1號、2號滑坡區(qū)及局部變形開裂現(xiàn)象系堆積體覆蓋層內(nèi)部的小滑坡，均是在暴雨影響下的堆積體內(nèi)部局部邊坡調(diào)整行為。

四、轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡的特點(diǎn)，選取典型剖面，采用水科院土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計算。

(一)堆積體邊坡典型剖面選取

由于文章篇幅有限，本文在1號滑坡范圍內(nèi)選取剖面1-1、剖面2-2兩個典型剖面，分別見圖3、圖4；在2號滑坡范圍內(nèi)選取剖面3-3、剖面4-4兩個典型剖面，分別見圖5、圖6。

圖3 轉(zhuǎn)角洞堆積體1號滑坡典型剖面(1-1’)

圖4 轉(zhuǎn)角洞堆積體1號滑坡典型剖面(2-2’)

圖5 轉(zhuǎn)角洞堆積體2號滑坡典型剖面(3-3’)

圖6 轉(zhuǎn)角洞堆積體2號滑坡典型剖面(4-4’)

由圖所示，轉(zhuǎn)角洞堆積體成分較復(fù)雜，內(nèi)部有1、2號滑坡體、基巖蠕變體、灰?guī)r層狀座滑巖體等，底部存在覆蓋層-基巖接觸帶、軟弱帶。

根據(jù)地質(zhì)評價，轉(zhuǎn)角洞堆積體主要有四種滑動模式：

滑動模式I：沿基巖蠕變體底部軟弱帶整體滑動；

滑動模式II：沿基巖-覆蓋層接觸帶整體滑動；

滑動模式III：沿古滑坡體底界滑出；

滑動模式IV：前緣局部圓弧滑出。

(二)堆積體物理力學(xué)參數(shù)取值

邊坡穩(wěn)定計算分析所采用的轉(zhuǎn)角洞堆積體和表層崩坡積物的物理力學(xué)參數(shù)是電站庫區(qū)前期勘察工作的成果，見表1、表2。

表1 天然狀態(tài)下轉(zhuǎn)角洞堆積體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值表

表2 飽水狀態(tài)下轉(zhuǎn)角洞堆積體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值表

(三)工況分析

轉(zhuǎn)角洞堆積體位于官莊水電站庫區(qū)中段，水庫正常蓄水位411m。堆積體坡腳在河道內(nèi)，坡內(nèi)水位線隨庫水位的消漲而變化。水庫為日調(diào)節(jié)水庫，庫水位變化頻繁，坡內(nèi)地下水位是堆積體穩(wěn)定的重要因素。區(qū)域內(nèi)無活動斷裂通過，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動峰值加速度小于0.05g，相應(yīng)地震基本烈度小于Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。本工程主要建筑物級別為3、4級，按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NB35047-2015)，地震設(shè)防烈度達(dá)不到丁類，可不作抗震計算。查閱天然河道水文相關(guān)資料，轉(zhuǎn)角洞堆積體所在的芙蓉江河段河道水位消、漲幅度較大，河道水位落差超過15m。轉(zhuǎn)角洞滑坡體在天然狀態(tài)下歷經(jīng)正常水位(持久工況)、汛期暴雨(短暫工況)、校核洪水位+水位驟降(偶然工況)等多種工況。因此，計算工況選擇堆積體蓄水前、后兩種狀態(tài)的各種水位工況(包括持久、短暫和偶然工況)。

(1)天然邊坡狀態(tài)(蓄水前)：持久工況，短暫工況，偶然工況

①天然工況(持久工況)：天然狀態(tài)一般情況下堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位為正常河道水位，坡內(nèi)地下水位線采用日常浸潤線)；

②天然暴雨工況(短暫工況)：天然狀態(tài)發(fā)生暴雨情況下堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位為正常河道水位，坡內(nèi)地下水位線抬升采用汛期暴雨浸潤線)；

③天然校核洪水+水位驟降工況(偶然工況)：天然狀況發(fā)生校核洪水+河道水位驟降情況下堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位從500年一遇水位驟降到正常河道水位，坡內(nèi)水位從校核洪水浸潤線降落到正常浸潤線)；

(2)蓄水后邊坡狀態(tài)：持久工況，短暫工況，偶然工況

④正常蓄水位工況(持久工況)：正常蓄水位時堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位為正常蓄水位411m，坡內(nèi)地下水位線采用正常蓄水后正常浸潤線)；

⑤蓄水后暴雨工況(短暫工況)：蓄水后暴雨工況下堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位采用正常蓄水位411m，地下水位線按蓄水后汛期暴雨浸潤線)；

⑥蓄水后校核洪水+水位驟降工況(偶然工況)：蓄水后發(fā)生校核洪水+河道水位驟降情況下堆積體穩(wěn)定性分析(坡外水位從500年一遇水位驟降到正常蓄水位，坡內(nèi)水位從洪水浸潤線降落到正常浸潤線)。

蓄水前各工況河道水位和坡內(nèi)浸潤線是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的坡內(nèi)、外水位資料擬定的，蓄水后各工況河道水位和坡內(nèi)浸潤線根據(jù)蓄水前實(shí)測資料推測。

(四)邊坡安全系數(shù)取值

官莊水電站總庫容為1410萬m3，裝機(jī)容量50MW，工程等別為三等，工程規(guī)模中型，主要建筑物(如擋水壩、泄洪系統(tǒng)等)級別為3級建筑物，根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)，可知轉(zhuǎn)角洞堆積體屬于庫區(qū)邊坡B類Ⅲ級邊坡，由于庫區(qū)邊坡范圍內(nèi)居民已經(jīng)搬離，不存在因邊坡失穩(wěn)而對居民造成生命財產(chǎn)損失問題，主要考慮工程因素即可，由于控制本工程規(guī)模的主要指標(biāo)均位于三等工程的下限，所以邊坡安全系數(shù)亦取規(guī)范規(guī)定范圍的下限值，具體設(shè)計安全系數(shù)見表3所示。

表3 轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡設(shè)計安全系數(shù)表

(五)邊坡穩(wěn)定性計算與分析

采用中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件Stab2009對轉(zhuǎn)角洞堆積體蓄水前后各工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算。Stab2009計算軟件根據(jù)剛體極限平衡法編制、用最優(yōu)化原理搜索最小安全系數(shù)和相應(yīng)臨界滑裂面。在計算過程中，邊坡沿折線滑動采用摩根斯頓—普賴斯法，堆積體內(nèi)部圓弧滑動采用簡化畢肖普法。經(jīng)計算，典型剖面1-1’、2-2’、3-3’、4-4’各工況各滑動模式下穩(wěn)定安全系數(shù)見下表4：

表4 庫區(qū)轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)角洞堆積體沿基巖-覆蓋層接觸帶抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，沿蠕變體底部軟弱帶滑動的穩(wěn)定安全系數(shù)也均大于規(guī)范要求，均有一定的富裕度；沿1號、2號滑坡體穩(wěn)定基本滿足要求，個別工況計算安全系數(shù)略低于規(guī)范要求；沿河邊坡前緣圓弧滑動安全系數(shù)大多滿足規(guī)范要求，局部由于邊坡稍陡，安全系數(shù)略低于規(guī)范要求。

由各剖面天然工況(工況①)和正常蓄水位工況(工況④)計算結(jié)果可知，水庫蓄水后對邊坡的穩(wěn)定有一定的影響，安全系數(shù)有所降低，但降低幅度較小，邊坡安全度處于同一水平內(nèi)。根據(jù)對蓄水前后暴雨工況(工況②、⑤)和水位驟降工況(工況③、⑥)計算結(jié)果對比分析可知，暴雨工況對邊坡的穩(wěn)定性影響較小，水位驟降時對邊坡的穩(wěn)定性影響相對較大，但邊坡穩(wěn)定性大多位置仍然可滿足規(guī)范要求。

水位驟降工況穩(wěn)定性較低的部位為1號滑坡體，1號滑坡體上部局部已經(jīng)出現(xiàn)了拉裂錯開的情況，因此計算結(jié)果與邊坡實(shí)際基本相符。由于穩(wěn)定性相對較差的區(qū)域面積較小，方量不大，邊坡的滑動勢能也較小，可能發(fā)生失穩(wěn)的邊坡規(guī)模有限，不會因局部的穩(wěn)定問題引起邊坡的整體失穩(wěn)而堵塞河道的情況。由于邊坡上部為水田，下部土體長期處于飽和狀態(tài)，邊坡滑動界面受地下水位的影響較小，在運(yùn)行期邊坡整體穩(wěn)定性不會出現(xiàn)起伏。因此邊坡穩(wěn)定及其影響整體可控。

(六)邊坡防護(hù)處理措施

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀及計算分析成果，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于受外界條件的影響，堆積體沿河前緣局部有蠕變現(xiàn)象，對堆積體主要采取簡易防護(hù)和監(jiān)測為主：

(1)在堆積體沿河前緣堆砌大塊石壓腳，同時可防止水流掏刷庫岸。

(2)為掌控邊坡的整體安全狀態(tài)，在邊坡布設(shè)4組監(jiān)測儀器，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。

五、結(jié)論

通過對轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算和分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)轉(zhuǎn)角洞堆積體坡體前緣出現(xiàn)的裂縫是由于坡體受外界條件影響，堆積體前緣局部蠕變導(dǎo)致的拉裂，邊坡整體是穩(wěn)定的。

(2)轉(zhuǎn)角洞堆積體穩(wěn)定性相對較差的區(qū)域較小，可能發(fā)生失穩(wěn)的邊坡規(guī)模有限，不會因局部的穩(wěn)定問題引起邊坡的整體失穩(wěn)而堵塞河道的情況，因此轉(zhuǎn)角洞堆積體邊坡采取簡易大塊石壓腳防護(hù)為主，輔以安全監(jiān)測，實(shí)時掌握堆積體整體穩(wěn)定動態(tài)，為后期是否增加防護(hù)治理措施提供依據(jù)。

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袁俊陶(1987.02-)，男，漢族，江西省豐城人，工程師，碩士，中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，主要從事水利水電工程及巖土工程勘測設(shè)計工作。