張景順 張世殊 周光明 徐 旭 馮建明
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平緩細粒土岸坡水庫塌岸機理研究*
張景順 張世殊 周光明 徐 旭 馮建明
大量工程實踐和統計數據表明,水庫塌岸多發(fā)生在自然坡度15°以上的松散堆積層岸坡。一般認為自然坡度10°左右的平緩堆積層岸坡發(fā)生水庫塌岸的可能性小,但在四川省寶興河磽磧水電站庫區(qū)卻發(fā)生了大規(guī)模的平緩型堆積層塌岸,螞蝗溝5#堆積體即屬于此類型。螞蝗溝5#堆積體由礫質黏土組成,土中小于0.075mm的細粒含量約占60%,蓄水后塌岸模式為緩慢的蠕滑變形。蓄水9年多來,變形范圍由前緣的小規(guī)模塌岸逐漸向后緣擴展至大范圍滑坡,目前變形仍然在持續(xù)。本文以該堆積體為例,通過對土體結構、顆粒組成等的勘探試驗,并結合水庫運行方式和變形監(jiān)測成果,采用有限元瞬態(tài)滲流分析與穩(wěn)定性分析的耦合分析計算,系統地開展了其塌岸機理研究。研究結果表明:細粒為主的土體結構及其弱透水性,是平緩堆積體在庫水位反復升降作用下蠕滑變形的根本原因; 平緩細粒土岸坡的穩(wěn)定性與庫水位的升降具有明顯的相關性,隨庫水位的周期性變化岸坡呈現出不同的穩(wěn)定狀態(tài),其蠕滑變形速率也明顯不同。
水庫塌岸 蠕滑 礫質黏土 瞬態(tài)滲流分析 變形監(jiān)測
近年來,隨著我國水利水電工程建設的快速發(fā)展,建成了一大批大中型水庫。三峽、二灘、寶珠寺、天生橋一級、瀑布溝、溪洛渡、小灣、磽磧、毛爾蓋等庫區(qū)蓄水后的水庫塌岸問題均較為突出(羅選紅等, 2006; 湯明高等, 2006; 何元宵等, 2011; 彭世雄等, 2014),水庫塌岸已成為庫區(qū)主要工程地質問題。據統計, 90%以上的水庫塌岸發(fā)生在自然坡度15°以上的松散堆積層岸坡(湯明高等, 2006; 何元宵等, 2011)。一般認為自然坡度10°左右的平緩堆積層岸坡發(fā)生水庫塌岸的可能性小,但在四川省寶興河磽磧水電站庫區(qū)卻發(fā)生了大規(guī)模的平緩堆積層塌岸。
磽磧水電站水庫蓄水后,受庫水作用的影響,庫區(qū)發(fā)生規(guī)模不等的松散堆積層塌岸數十處,塌岸問題十分突出。在2007~2008年首輪庫水位升降過程中,庫區(qū)即出現18處規(guī)模數十萬至數百萬立方米的塌岸,其中包括螞蝗溝5#堆積體,塌岸模式以逐級牽引式的緩慢蠕滑變形為主(胡卸文等, 2009; 劉娟等, 2010; 趙國宣等, 2015)。根據跟蹤調查情況和監(jiān)測資料分析,在經歷9年多的庫水位周期性變化影響后,細粒為主的松散堆積層岸坡的蠕滑變形仍然十分明顯。上述塌岸(蠕滑變形)不僅造成庫區(qū)大量居民房屋開裂、破壞,公路路基沉降,同時也增加了水庫淤積,影響水庫運行。若近壩庫岸塌岸導致滑坡涌浪將直接威脅大壩安全,造成嚴重后果。
系統地開展細粒土岸坡的塌岸機理研究,有助于正確判斷岸坡的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢,評價塌岸對水工樞紐建筑物、庫區(qū)房屋和公路等的影響,為治理設計提供依據。另一方面,相關的研究方法和結論對類似工程也具有一定的借鑒意義。
磽磧水電站是寶興河流域開發(fā)的龍頭水庫工程,電站采用高土石壩長隧洞引水發(fā)電。水庫正常蓄水位2140m,死水位2060m,總庫容約2×108m3,調節(jié)庫容1.87×108m3,具有年調節(jié)能力。
2006年12月5日開始水庫蓄水, 2007年底水庫最高蓄水至2125m, 2008年水庫初次蓄水至正常水位2140m。根據水庫運行方式,水庫每年5月~11月為蓄水期, 12月至翌年4月為供水期(圖7)。
2.1 螞蝗溝5#堆積體基本地質特征
螞蝗溝5#堆積體位于磽磧水電站庫區(qū)螞蝗溝右岸,地貌上呈扇形堆積的緩坡形態(tài),自然坡度一般7°~14°。該堆積體順坡長約700m,沿河寬400~830m,后緣分布高程約2244m,前緣分布高程約2070m,坡高約174m(圖1)。
螞蝗溝5#堆積體主要為坡洪積(Qdl+pl)礫質黏土,土體顆粒較細,總體結構較松散。2158m高程(環(huán)湖公路附近)以上地形坡度12°~14°,礫質黏土厚度約16~35m。2158m高程以下坡洪積礫質黏土堆積在原河谷基巖岸坡及河床沖洪積(Qal+pl)塊(漂)碎(卵)石土上。其中, 2110~2158m高程地形坡度7°~9°,礫質黏土厚度約40~80m; 2070~2110m高程地形坡度約14°,礫質黏土厚度約5~40m。下伏基巖為泥盆系(D)粉砂質千枚巖、炭質千枚巖夾薄-極薄層灰?guī)r。整體來看,螞蝗溝5#堆積體坡洪積(Qdl+pl)礫質黏土厚度16~80m不等 (圖2),規(guī)模約1100×104m3,其中正常蓄水位以上約170×104m3。
螞蝗溝5#堆積體坡洪積(Qdl+pl)礫質黏土的顆粒級配組成(表1)。另據室內試驗成果:土體天然密度20.2~22.2kN·cm-3,直剪試驗(飽和固結快剪)摩擦角11.1°~19.2°,黏聚力10.4~25.0kPa。
圖1 螞蝗溝5#堆積體地質平面圖
圖2 螞蝗溝5#堆積體1—1′工程地質剖面圖
表1 礫質黏土顆粒級配表
Table1 Grain size distribution of gravelly clay
土樣編號顆粒級配組成/%60~40mm40~20mm20~10mm10~5mm5~2mm2~0.5mm0.5~0.25mm0.25~0.075mm0.075~0.005mm<0.005mmM5-12.673.553.557.115.405.571.583.9936.0830.49M5-21.683.365.044.205.705.101.634.2437.6331.41M5-3 3.794.315.176.515.961.634.2434.3633.01M5-42.846.6811.6813.354.454.391.373.4726.4125.37M5-53.305.7810.7314.044.474.131.123.0129.3824.04M5-63.716.2310.6814.834.424.391.073.0727.3624.26
圖3 螞蝗溝5#堆積體全貌及蠕滑變形
2.2 蓄水后變形過程及塌岸特征
據2008年4月初調查,在2007年底水庫首次蓄水至2125m以及后續(xù)的首次庫水位下降過程中,螞蝗溝5#堆積體前緣臨河部位出現小規(guī)模坍塌現象,坡面出現變形裂縫并逐漸向后緣擴展。變形后緣邊界高程約2140m,尚未對環(huán)湖公路造成影響。
2008年 “5·12 汶川地震”后調查發(fā)現,變形后緣邊界已經到達2157m高程附近的環(huán)湖公路,導致路基沉降,坡上多處居民房屋受損嚴重。
蓄水后9年多以來,螞蝗溝5#堆積體一直在緩慢的蠕滑變形 (圖3),變形邊界持續(xù)向岸坡后緣擴展,目前變形后緣邊界已到達2244m高程的基覆界線附近。
通過對螞蝗溝5#堆積體變形過程的回顧,可以總結出磽磧水電站庫區(qū)平緩細粒土岸坡水庫塌岸有以下幾個顯著特點:(1)塌岸模式以逐級牽引式的緩慢蠕滑變形為主,塌岸范圍不斷向岸坡后緣發(fā)展; (2)變形與庫水位存在明顯的相關性,庫水位快速消落過程中蠕滑變形較顯著;(3)蠕滑變形持續(xù)時間長,變形逐年趨緩。
在螞蝗溝5#堆積體內部及周邊布置了9個地表位移監(jiān)測點,分別是MD501~MD509,各監(jiān)測點位置詳(圖1)。
自2014年12月底開始實施監(jiān)測,每月監(jiān)測1次,汛期增加監(jiān)測次數,截至2016年4月22日,已實施監(jiān)測19期。對監(jiān)測數據整理后與庫水位進行了相關性分析(圖4)。
監(jiān)測數據表明,除MD505、MD508等兩個監(jiān)測點未產生變形外,其余監(jiān)測點雖然位移量存在差異,但位移具有同步性,均揭示了變形與庫水位的周期性變化具有明顯的相關性(張友誼等, 2007; 易武等, 2011; 王世梅等, 2015)。
以累計位移量較大的MD506監(jiān)測點為例,該監(jiān)測點487d總位移量384.7mm。其中2014年12月23日~2015年12月22日一年時間的總位移量260mm,日平均位移速率約0.71mm·d-1。2014年12月23日~2015年3月8日,日平均位移量約0.49mm·d-1; 2015年3月8日~2015年4月26日,日平均位移量約2.34mm·d-1; 2015年4月26日~2015年12月9日,日平均位移量約0.41mm·d-1; 2015年12月9日~2016年2月29日,日平均位移量約0.45mm·d-1; 2016年2月29日~2016年4月22日,日平均位移速率約1.73mm·d-1。
分析監(jiān)測成果可知: 2月底至4月底,庫水位從2100m下降至死水位2060m過程中,庫區(qū)水位下降最快,蠕滑變形最為顯著; 4月底至12月中、下旬,庫水位從2060m上升至正常蓄水位2140m,岸坡蠕滑變形在減速,說明隨著庫水位上升,岸坡穩(wěn)定性提高; 12月中下旬至翌年2月底,庫水位從正常蓄水位2140m下降至2100m,變形開始加速。
圖5 第160d(水位下降至2090m時)瞬態(tài)滲流分析結果
圖6 第280d(水位上升至2135m時)瞬態(tài)滲流分析結果
對螞蝗溝5#堆積體因庫水位變化產生的瞬態(tài)滲流問題分析采用SEEP/W軟件(張文杰等, 2005; 廖紅建等, 2008),滲流分析過程將磽磧庫區(qū)水位隨時間的變化函數 (圖7)作為水頭-時間函數。4月中旬至5月底期間,庫水位低于計算剖面處的螞蝗溝溝水,水頭按剖面處螞蝗溝溝水位2070m考慮。以10月20日正常蓄水位2140m作為計算起點,時間步長取10d,模擬分析1a內不同時間點的岸坡瞬態(tài)滲流問題。例如:第160d,水位下降至2090m時的瞬態(tài)滲流分析結果(圖5); 第280d,水位上升至2135m時的瞬態(tài)滲流分析結果(圖6)。
螞蝗溝5#堆積體呈扇形堆積在螞蝗溝溝床之上,前緣臨河部位受溝水沖刷及公路開挖影響,形成高約3m的45°陡坎。另外,堆積體后緣有泉水出露,堆積體中部及下游側各有1條水溝,溝內常年流水。因此,受溝水沖刷、公路開挖及地表溝水入滲等影響,蓄水前螞蝗溝5#堆積體前緣局部穩(wěn)定性差,整體穩(wěn)定性一般。
滲流分析結果表明,庫水位上升過程中,由于礫質黏土滲透性弱,地表水入滲較慢,地下水位上升相對滯后,庫水位與坡體地下水位形成負落差,反壓坡體,對穩(wěn)定性有利。庫水位下降過程中,由于庫水位的快速消落,導致土體內的孔隙水來不及消散,地下水位下降也相對滯后,產生的動水壓力對岸坡穩(wěn)定不利。
綜合分析水庫運行方式、土體顆粒組成、變形監(jiān)測以及滲流計算結果,認為以螞蝗溝5#堆積體為例的磽磧庫區(qū)平緩細粒土岸坡蓄水后蠕滑變形的主要原因是:(1)土體顆粒以細粒為主,透水性弱; (2)庫水作用改變了岸坡地下水狀態(tài),使土體強度降低,特別是庫水位消落過程中形成的動水壓力對岸坡穩(wěn)定性不利。
圖7 螞蝗溝5#堆積體穩(wěn)定性安全系數-水庫水位-時間關系曲線
圖8 庫水位上升至2140m時(10月20日前后)穩(wěn)定性計算成果
圖9 庫水位下降至2090m時(3月底)穩(wěn)定性計算成果
6.1 穩(wěn)定性分析方法
對螞蝗溝5#堆積體的穩(wěn)定性分析采用SLOPE/W軟件,計算方法選擇基于極限平衡理論的Morgenstern-Price法。將一個水庫運行周期內每個時間點的瞬態(tài)滲流分析結果應用到穩(wěn)定分析過程中,實現滲流與穩(wěn)定性的耦合分析(張文杰等, 2005; 廖紅建等, 2008; 牛文杰等, 2009),研究庫水位升降引起的地下水變化對岸坡穩(wěn)定性的影響。
6.2 計算參數與成果
穩(wěn)定性分析計算過程,對礫質黏土抗剪強度參數取值在一定范圍內進行了試算,以找到符合岸坡蠕滑變形特征的抗剪強度參數。試算過程中,有效黏聚力c取值分別為: 15kPa、18kPa、20kPa、22kPa、25kPa和30kPa; 有效內摩擦角φ取值分別為: 9.5°、10°、10.5°、11°、11.5°和12°。計算過程中,通過土水特征曲線預測非飽和土的抗剪強度(Fredlund et al.,1996)。滲流分析與穩(wěn)定性分析計算采用的巖土體物理力學參數(表2),穩(wěn)定性計算成果(圖7)。
表2 巖土體物理力學參數表
Table2 Rock and soil physical mechanics parameters table
巖土體參 數重度/kN·m-3有效黏聚力/kPa有效內摩擦角/(°)飽和滲透系數Ksat/m·s-1礫質黏土20.215~309.5~123.0×10-7塊(漂)碎(卵)石土22.50291.0×10-5千枚巖2540341.0×10-8
計算結果顯示,礫質黏土的有效黏聚力c取值15kPa,有效內摩擦角φ取值11°時,岸坡穩(wěn)定性安全系數與實際情況較符合。其中,庫水位由2137.5m上升至2140m時岸坡穩(wěn)定性安全系數最大(1.189),計算成果(圖8),庫水位下降至2090m時岸坡穩(wěn)定性安全系數最小(0.858),計算成果(圖9)。
6.3 計算成果分析
根據穩(wěn)定性分析計算成果,岸坡穩(wěn)定性隨庫水位變化呈現周期性變化,且其穩(wěn)定性變化與監(jiān)測成果、庫水位變化之間存在較好的對應關系(圖4,圖7)。
10月中、下旬,庫水位從汛期控制水位2137.5m上升到正常蓄水位2140m。由于礫質黏土滲透性弱,地表水入滲較慢,庫水位與坡體地下水位形成負落差,反壓坡體,對穩(wěn)定性有利,此時計算的岸坡穩(wěn)定性安全系數全年最大。當庫水位維持在2140m蓄水位一定時間形成穩(wěn)定滲流時,庫水位對坡體的反壓作用消失,穩(wěn)定性略有降低并維持在一定的安全系數。12月底水位開始下降,由于庫水位快速消落產生的動水壓力的不利影響,岸坡穩(wěn)定性安全系數隨之快速減小。至翌年3月底,庫水位下降到2090m附近時,計算的岸坡穩(wěn)定性安全系數最小。3月底至5月中旬,庫水位經歷了從2090m降至2060m再上升到2070m,在此期間,岸坡穩(wěn)定性增加。由于計算剖面處螞蝗溝水位約為2070m,當庫水位低于2070m時,庫水作用對岸坡穩(wěn)定性影響甚微。5月中旬至6月初,庫水位從2070m快速上升到2100m,受庫水作用影響,岸坡穩(wěn)定性降低。6月初至10月中旬,庫水位從2100m上升到2137.5m,并維持汛期控制水位2137.5m一段時間,受庫水位上升較快形成的反壓坡體作用,計算得到的期間穩(wěn)定性安全系數逐漸增大,庫水位維持在2137.5m不變后反壓作用逐漸消失,安全系數略有減小。
綜上所述,隨著庫水位周期性變化,目前螞蝗溝5#堆積體在不同時期的穩(wěn)定性差異較大。在8月底至翌年1月中旬高水位運行期間處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài); 1月中旬至2月底處于欠穩(wěn)定狀態(tài); 2月底至6月中旬處于不穩(wěn)定狀態(tài),其中3月底岸坡穩(wěn)定性最差; 6月中旬至8月底處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)。
通過對螞蝗溝5#堆積體的顆粒組成、滲透特性以及變形監(jiān)測資料分析,結合有限元瞬態(tài)滲流分析與穩(wěn)定性分析的耦合分析結果,得出主要結論如下:
(1)螞蝗溝5#堆積體為平緩細粒土岸坡,土體以粉粒、黏粒和砂礫為主,力學參數較低,透水性弱。其塌岸始于水庫蓄水初期,塌岸模式以逐級牽引式的緩慢蠕滑變形為主,蓄水后9年多來蠕滑變形一直在持續(xù)。
(2)螞蝗溝5#堆積體的蠕滑變形與庫水位的周期性變化具有明顯的相關性。庫水位快速下降過程中,蠕滑變形加速,累計變形量大; 庫水位上升過程中,蠕滑變形減速,累計變形量小。
(3)細粒為主的土體結構及其弱透水性,以及庫水位反復升降作用,是平緩細粒土岸坡蠕滑變形的根本原因。
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COLLAPSE MECHANISM OF GENTLE INCLINED AND FINE-GRAINED SOIL SLOPE ON RESERVOIR BANK
ZHANG Jingshun ZHANG Shishu ZHOU Guangming XU Xu FENG Jianming
Engineering practice and statistics show that reservoir bank collapse usually occur in loose accumulation when slope is greater than 15 degrees. Reservoir bank collapse is small possibility when bank slope is 10 degrees or so. But it happens in Qiaoqi hydropower station reservoir area on Sichuan Baoxing River. As an factual example, the Mahuang valley 5#accumulation body is composed of gravelly clay. Particle size of less than 0.075mm is accounted for about 60%.The collapse mode of reservoir bank is slow creeping deformation after impoundment. Deformation range gradually expands backward. After more than nine years, deformation continues. This paper takes Mahuang valley 5#accumulation body as an example. It is on the basis of exploration and test work about soil structure and soil particle composition, reservoir operation mode and deformation monitoring results, and coupling analysis of finite element analysis of transient seepage and stability analysis. It studies the collapse mechanism of gently inclined slope on reservoir bank. The results show that fine-grained soil structure and weak water permeability are the main causes of accumulation of creep deformation in Qiaoqi reservoir area. The gently inclined slope stability and the periodical change of water level have an obvious correlation. With the rise and fall of water level change, the reservoir bank presents different steady states and the creep deformation rate differently.
Reservoir bank collapse, Creep, Gravelly clay, Transient seepage analysis, Deformation monitoring
10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.004
2016-05-25;
2016-08-17.
張景順(1980-),男,學士,高級工程師,主要從事水電水利工程和巖土工程勘察設計工作. Email:10474590@qq.com
P642.2
A