清水塘水電站近壩庫(kù)區(qū)左岸邊坡穩(wěn)定淺析

張德峰

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

清水塘電站位于湖南省懷化市沅水干流之中游，該工程控制流域面積42 140 km2，庫(kù)容5.6億m3，電站總裝機(jī)132 MW。樞紐主要由閘壩、河床式電站廠房及船閘等組成，設(shè)計(jì)最大壩高50.75 m。是一以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、防洪、旅游等綜合效益的大（Ⅱ）型水利水電工程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

區(qū)域地層出露較齊全，流域上游以前震旦系上板溪群淺變質(zhì)巖系為主；中游除前震旦系地層外，出露較多的還有寒武系碎屑巖夾碳酸鹽巖、石炭～三疊系碳酸鹽巖夾砂頁(yè)巖及白堊系～第三系陸相碎屑沉積之砂頁(yè)巖；下游則以白堊系及第三系陸相碎屑巖為主，前震旦系淺變質(zhì)巖系零星出露，第四系河、湖相沉積物廣泛分布。地層總厚度在2 500 m以上。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為基性～超基性巖，為加里東、印支、燕山期花崗巖、輝綠巖等，表現(xiàn)為多旋回性。

第四紀(jì)以來(lái)，本區(qū)屬整體間歇性上升區(qū)域，峽谷內(nèi)見(jiàn)侵蝕階地和多級(jí)夷平面，河道較直，河谷深切。根據(jù)階地相對(duì)高程對(duì)比分析，挽近期隆起速度逐漸減弱。

區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)較頻繁，根據(jù)湖南地震記錄，溆浦、辰溪、沅陵、常德、芷江等地曾發(fā)生過(guò)地震，震級(jí)3～5級(jí)，其中常德最大達(dá)6.5級(jí)，地震烈度6～8度。1626年7月和1633年11月在溆浦～銅灣紅層盆地邊緣的辰溪縣城附近發(fā)生過(guò)3級(jí)地震。

工程區(qū)附近無(wú)區(qū)域活動(dòng)斷層存在，歷史上亦未發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈地震，構(gòu)造上屬相對(duì)穩(wěn)定地塊。根據(jù)GB 18306-2000版1∶400《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》和《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

2 近壩左岸松動(dòng)變形體的地質(zhì)條件

2.1 地形地貌及地層巖性

清水塘水電站壩址為對(duì)稱(chēng)的“U”型谷，左壩肩接頭山體，地形微向河床凸出，地形坡角35°～40°，下陡上緩，坡高100 m，出露地層主要為：

（1）前震旦系板溪群拉攬組上段（Ptbnbl2）：灰綠色條帶狀凝灰質(zhì)硅質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖，厚度大于700 m，分布于壩址上游，與上覆地層震旦系下統(tǒng)江口組（Zaj）呈角度不整合接觸。

（2）震旦系下統(tǒng)江口組（Zaj）：灰、淺灰色中厚層狀砂質(zhì)板巖及厚層狀中細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖，厚（25.0～40.0）m，與上覆震旦系下統(tǒng)南沱冰磧巖組（Zan）地層呈假整合接觸。

（3）震旦系下統(tǒng)南沱冰磧巖組（Zan）：灰綠、暗灰綠色含礫絹云母板巖、含礫砂質(zhì)板巖，厚約200 m，分布于壩址區(qū)。與上覆石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）地層呈角度不整合接觸。

（4）表部覆蓋層主要為殘坡積堆積的粉質(zhì)粘土夾碎石層。

2.2 構(gòu)造特征

巖層呈單斜構(gòu)造，傾向下游偏左岸，南沱組巖層產(chǎn)狀左岸為 N60°～65°E，NW∠38°～42°。 壩址上游約 250 m 左岸邊坡分別受F18、F19斷層切割，構(gòu)成一楔形體，兩斷層相交棱線傾向坡外，傾角小于坡角，加之兩斷層之間發(fā)育與坡向近似平行傾向坡外的次級(jí)斷層破碎帶，如F23等斷層。受上述結(jié)構(gòu)面的控制，由斷層圍限的楔形體存在著向河床松動(dòng)變形的現(xiàn)象。據(jù)PD1平硐揭露，楔形體內(nèi)巖體完整性較差，洞頂坍塌現(xiàn)象普遍，巖體滲水現(xiàn)象明顯，各類(lèi)結(jié)構(gòu)面多充填次生粘泥。坡腳處局部有地下水滲出。各斷層主要特征及分布位置匯于附表。

附表 變形邊坡區(qū)斷層匯總表

2.3 幾何邊界條件

變形體分布范圍在高程（127～125）m一帶，上游以F18斷層為上游邊界，下游以F19為下游邊界，整體上呈楔形，平面面積約8 400 m2，松動(dòng)變形深度在（5～32）m范圍內(nèi)，平均厚度約18 m，松動(dòng)變形體積約3.5萬(wàn)m3。松動(dòng)變形主要是受結(jié)構(gòu)面控制。

3 變形體的危害性

變形體所處河段枯水期河水位127.57 m，水庫(kù)建成后正常蓄水位139.00 m，而變形體底部控制性滑動(dòng)面F23斷層于坡腳出露高程為130.82 m，水庫(kù)蓄水后，變形體腳部將有近8.2 m浸泡在水中，由于距大壩較近，僅250 m，松動(dòng)變形體積約3.5萬(wàn)m3，一旦產(chǎn)生規(guī)模較大的解體滑坡或整體滑坡，將產(chǎn)生較高的涌浪，將對(duì)大壩壩體造成嚴(yán)重?fù)p害，電站左側(cè)的廠房甚至整個(gè)泄洪閘區(qū)將被掩埋，對(duì)整個(gè)電站的迫害性相當(dāng)嚴(yán)重，如果滑坡后處理不及時(shí)，將有可能造成潰壩，從而導(dǎo)致下游遭遇洪水災(zāi)害，變形體滑坡的危害性不可估量。

4 變形體的穩(wěn)定性計(jì)算

鑒于變形體是由F18、F19斷層為上、下游側(cè)向切割面，F(xiàn)20斷層構(gòu)成后緣切割面，F(xiàn)23斷層構(gòu)成變形體潛在底滑面。潛在不穩(wěn)定體在剖面上構(gòu)成形態(tài)見(jiàn)圖1、圖2。由于變形體存在同向雙平面滑動(dòng)的幾何邊界條件，采用極限力平衡圖解計(jì)算法估算變形體的穩(wěn)定性，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3。

圖中：F20、F23為傾向相同可能滑動(dòng)面；

L1、L2：分別為可能滑動(dòng)面的長(zhǎng)度；剖面實(shí)測(cè)：L1=93 m，L2=92 m；

圖1 近壩庫(kù)區(qū)左岸由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成縱剖面上變形體示意圖

圖2 近壩庫(kù)區(qū)左岸由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成橫剖面上變形體示意圖

圖3 近壩庫(kù)區(qū)左岸變形體穩(wěn)定分析計(jì)算簡(jiǎn)圖

β1、β2：分別為可能滑動(dòng)面的傾角。 實(shí)測(cè)值：β1=44°，β2=12°；

Ф1、Ф2、C1、C2：分別為可能滑動(dòng)面的 F20、F21（可能滑動(dòng)面）的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力；根據(jù)PD2平硐揭露F20、F21破碎帶的膠結(jié)狀況、充填物的性狀、斷層面的起伏度、延伸狀態(tài)等， 經(jīng)工程類(lèi)比確定：Ф1=25°、Ф2=23°、C1=0.15 MPa、C2=0.1 MPa；

G1、G2： 分別為 1、2 塊體的 重量 ；G1=409 500 kN；G2=500 500 kN（按強(qiáng)風(fēng)化巖石的天然密度γ=26 kN/m3計(jì)算）；

F1：為塊體2對(duì)塊體1的作用力；

F2：為塊體1對(duì)塊體2的作用力；

θ：為 F1與 F2的傾斜角，θ=44°

R1：為滑動(dòng)面F23以下巖體對(duì)塊體1的反作用力；采用公式：

R1=G1COSβ1（1+tg2Ф1）1/2計(jì)算得出：R1=357 147 kN

由上述已知邊界條件，采用力平衡多角形求得F1的大小和方向，如圖4。

圖4 近壩庫(kù)區(qū)左岸變形體穩(wěn)定分析的力平衡分析

根據(jù)作用力與反作用力平衡的原理，得出F2=F1，方向相反。由于塊體2處于變形體的前緣，整個(gè)變形體的穩(wěn)定性取決于塊體2的穩(wěn)定，當(dāng)只考慮可能滑動(dòng)體僅受巖體自重作用的情況下，則塊體的穩(wěn)定系數(shù)η2可按如下公式：

求得塊體2的穩(wěn)定系數(shù)η2=1.5。

通過(guò)上述穩(wěn)定分析，可以認(rèn)為變形體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際上，變形體地形雖較陡峻，但后緣山坡未發(fā)現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，平硐內(nèi)F20、F23等可能滑動(dòng)面，其破碎帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)大部分仍保持原始結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)的二次松動(dòng)破碎現(xiàn)象，這些證據(jù)也可說(shuō)明變形松動(dòng)體目前是穩(wěn)定的。

電站建設(shè)期間于在變形體邊坡布置了觀測(cè)網(wǎng)，建設(shè)過(guò)程中的觀測(cè)資料表明，該松動(dòng)體沒(méi)有發(fā)生明顯的變形、位移現(xiàn)象，電站于2009年9月建成并投入運(yùn)行，到目前為止松動(dòng)體所在的坡面樹(shù)木挺直，未發(fā)現(xiàn)馬刀樹(shù)現(xiàn)象，松動(dòng)體周邊未發(fā)現(xiàn)地表拉裂現(xiàn)象，地下水位受河水位影響弱有提升，運(yùn)行期間，觀測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)資料反應(yīng)尚無(wú)變形、解體、移動(dòng)跡象，綜合以上觀測(cè)信息說(shuō)明該松動(dòng)體目前仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以清水塘水電站近壩左岸邊坡變形體為背景展開(kāi)研究，通過(guò)地質(zhì)定性分析和數(shù)值定量分析角度，綜合工程地質(zhì)條件等因素進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。在前期充足的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作基礎(chǔ)上運(yùn)用極限平衡法展開(kāi)對(duì)場(chǎng)地邊坡結(jié)構(gòu)面分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。主要結(jié)論為根據(jù)結(jié)構(gòu)面等邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.5，能夠滿足規(guī)范要求，邊坡具有較好的安全儲(chǔ)備。實(shí)際上任何邊坡穩(wěn)定分析方法都有其局限性，本文僅根據(jù)變形體的幾何條件進(jìn)行數(shù)字模擬，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，外部環(huán)境改變，如水庫(kù)蓄水、人工開(kāi)挖破壞坡腳、水庫(kù)蓄水對(duì)滑動(dòng)面的浸潤(rùn)、水位聚降、氣候等因素導(dǎo)致地下水位頻繁變動(dòng)或地下水位聚漲、地震等因素都有可能會(huì)誘發(fā)潛在變形體的失穩(wěn)，基于以上各種不可預(yù)測(cè)的破壞因素，在電站開(kāi)挖及運(yùn)行時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取檢測(cè)措施，布置測(cè)斜管、多點(diǎn)位移計(jì)及監(jiān)測(cè)網(wǎng)都是比較可行的檢測(cè)方法。

電站于2009年9月建成并投入運(yùn)行，在變形體邊坡布置了觀測(cè)網(wǎng)，到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)變形跡象。

1 劉佑榮，唐輝明.巖石力學(xué)[M].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1998.

2 唐輝明.工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

3 孫玉科，等.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京：科學(xué)出版社，1998.