崩滑堰塞湖沉積物工程地質(zhì)特性研究

楊紹平，王子忠

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川崇州 611231 ；2.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都 611731)

在我國西南山區(qū)由于山高坡陡、構(gòu)造復(fù)雜、地震活動頻繁等原因造成崩滑堵江（堰塞湖）災(zāi)害時有發(fā)生，特別是5.12 汶川大地震后在四川形成了大大小小的地震堰塞湖多達(dá)百余個。崩滑堵江（堰塞湖）災(zāi)害在全球各地均有分布，國內(nèi)外目前對此問題的研究主要集中在崩滑堵江事件的分布、識別、天然堆石壩的形成和特征以及堵江事件的環(huán)境效應(yīng)等。很少研究其沉積物工程特性及工程地質(zhì)問題，在水電資源開發(fā)中，經(jīng)常遇到崩滑堵江形成的堰塞沉積物，本文以四川丹巴縣關(guān)州水電站為例，對堰塞沉積物的工程特性及利用其作為閘壩基礎(chǔ)的主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)概況

關(guān)州水電站位于四川省丹巴縣大渡河一級支流小金河干流上。地貌上處于川西高原東部，屬川西高山至高原過渡地帶的侵蝕型高山峽谷地貌。在大地構(gòu)造上位于松潘—甘孜造山帶的小金、丹巴弧形構(gòu)造帶的北西翼。工程場地位于川西北強(qiáng)隆起內(nèi)部，新構(gòu)造運(yùn)動以第四紀(jì)大面積整體間歇性隆升為主。

區(qū)內(nèi)除寒武紀(jì)地層缺失外，從震旦紀(jì)至三疊紀(jì)均有出露。巖層以火山巖、海相砂泥巖、碳酸鹽巖建造為主，三疊紀(jì)末期的印支運(yùn)動使區(qū)內(nèi)地層普遍褶皺，并發(fā)生變質(zhì)形成一系列淺變質(zhì)巖系，局部中等變質(zhì)。

地震危險性概率分析結(jié)果表明，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。關(guān)州水電站閘壩址位于小金河阿娘寨崩滑堆積體上游約1km處，處于堰塞湖沉積物之上，固需對堰塞湖沉積物工程地質(zhì)特性研究。

2 堰塞沉積物的形成

2.1 小金河崩滑堵江事件的形成機(jī)制分析

崩滑堵江事件堵斷河道后，形成天然堆石壩與水庫，河流中的固體徑流在天然水庫中淤積，形成堰塞沉積物。關(guān)州水電站閘壩基堰塞沉積物的形成是電站壩址下游約1Km 的阿娘寨崩滑堆積體堵斷小金川河后產(chǎn)生的，首先對阿娘寨崩滑堆積體堵江的特點(diǎn)及其機(jī)制闡述如下：

據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪資料，崩滑體后緣山頂高程達(dá)3 500～3 800m，該段小金河河底高程約為2 100m，相對高差達(dá)1400～1800m，地形高陡，見圖1。如此高陡的岸坡與工程場地位于川西北強(qiáng)烈隆起區(qū)，第四紀(jì)大面積整體間歇性隆升，河流快速下切有關(guān)。高陡的岸坡為巖體的變形破壞提供了臨空條件。

高程2 700m 以上的岸坡巖石為板巖與變質(zhì)砂巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度一般70～80Mpa；高程2 700～2 200m 巖性以絹云母千枚巖為主，巖石飽和抗壓強(qiáng)度約20～30Mpa。巖層產(chǎn)狀N10°～15°W/NE∠60°～63°，傾向坡內(nèi)偏河流上游（圖1）。河流岸坡巖性為上硬下軟的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造上屬于反向斜坡。此類斜坡由于下部的千枚巖軟巖在重力下的蠕變彎曲變形，上部板巖與變質(zhì)砂巖失去支撐產(chǎn)生彎曲-拉裂[2]型式的變形破壞，最終導(dǎo)致上部斜坡巖體產(chǎn)生傾倒型崩塌破壞，在岸坡坡腳形成崩塌堆積體，堆積體堵斷河流形成了天然堆石壩。據(jù)現(xiàn)場勘察，堆積體中孤石、塊石成分主要為板巖與變質(zhì)砂巖，與組成斜坡的上部巖性基本一致，證實(shí)了上述的斜坡變形破壞機(jī)制。堆積體在后期再次沿最大剪應(yīng)力潛在滑動面產(chǎn)生圓弧滑動，由此使得堆積體在地貌上表現(xiàn)為多級平臺，因此阿娘寨堆積體其形機(jī)制為崩滑堆積體。

2.2 堰塞沉積物的形成

圖1 阿娘寨滑坡與堰塞沉積分布圖

圖2 壩址區(qū)河床堰塞沉積物剖面圖

3 堰塞沉積物的工程地質(zhì)特性研究

3.1 分層特征

據(jù)現(xiàn)場鉆孔巖芯鑒定，小金河堰塞沉積物按其工程地質(zhì)特征從上至下可分為5層（圖2），各層特征見表1。

由表1可知，堰塞沉積物在垂向上各層的工程地質(zhì)特性差異主要表現(xiàn)在土壤組成顆粒級配的差異上，這種差異應(yīng)與地質(zhì)歷史時期氣候等因素引起的水動力條件變化有關(guān)。

表1 壩址區(qū)堰塞沉積物分層特性表

3.2 形成地質(zhì)年代

測定地層年代的方法有多種，如放射性碳（14C）、電子自旋共振（ESR）、熱釋光（TL）等[3]。電子自旋共振（ESR）、熱釋光（TL）法測定地層年代其技術(shù)本身誤差率分別為25%～30%及10%～20%，誤差年限分別為（0.025～45）×104a 及（0.010～60）×104a；對于崩滑堵江事件形成的堰塞沉積物來講，其地質(zhì)年代一般在晚更新世～全新世，這兩種測定方法顯然誤差太大。而14C 法技術(shù)本身誤差率為1.5%～2.5%，誤差年限為0～1500a，故以14C 法來測定堰塞沉積層的年代更為合適。

據(jù)ZK23 孔（孔深7～10m）及ZK17 孔（孔深24～26m）取土樣14C 法測定，堰塞沉積物的地質(zhì)年代分別為6310±120a，6430±70a，屬第四紀(jì)全新統(tǒng)沉積物。

表2 第②、③、④層堰塞沉積物物理力學(xué)試驗(yàn)成果

3.3 各層堰塞沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

在堰塞沉積堆積層上興建工程建筑物，首先應(yīng)對其物理力學(xué)特性進(jìn)行研究。針對堰塞沉積物的前述分層特點(diǎn)，對閘壩基礎(chǔ)持力層范圍內(nèi)的第②、③、④層的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了測試，其試驗(yàn)成果分別見表2～表4。

表2 試驗(yàn)成果表明，堰塞沉積物各層粒度差異較大，相應(yīng)地各層結(jié)構(gòu)差異較大，各層干密度在 1.28～1.71g/cm3之間，這種較大的差異正是各層粒度及結(jié)構(gòu)差異的的反映。按各堰塞沉積層壓縮系數(shù)劃分，第②層砂壤土為低壓縮，第③、④層壤土及粉質(zhì)粘土屬于中等壓縮性土；各土層具有一定的抗剪能力。

為研究堰塞沉積層作為閘壩基礎(chǔ)持力層的承載能力，對第②層砂壤土和第③層壤土進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入及靜力觸探測試。表3 及表4 的測試成果表明各土層具有一定的承載能力，第②層砂壤土承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=173～175KPa，第③層壤土承載力標(biāo)準(zhǔn)值土fk=132KPa。

表3 第②層堰塞沉積物N63.5 標(biāo)準(zhǔn)貫入測試成果統(tǒng)計表

表4 第②、③層堰塞沉積物靜力觸探測試成果統(tǒng)計表

表5 閘壩基礎(chǔ)沉降計算成果表

4 堰塞沉積物工程地質(zhì)問題分析

4.1 地基壓縮變形

鑒于河床堰塞堆積層厚度約50～90m，本工程閘壩設(shè)計壩高僅17m，全部將其對其進(jìn)行挖出換填，在技術(shù)上存在松散堆積層深基邊坡穩(wěn)定，基坑涌水等問題；在投資方面顯然也不經(jīng)濟(jì)。因此，需要考慮利用堰塞沉積層作為閘壩基礎(chǔ)。由前述可知，閘壩地基為工程特性各異的堰塞沉積層組成，屬層狀結(jié)構(gòu)軟基，在上部荷載作用下，存在壓縮變形問題。據(jù)各持力層土的物理力學(xué)特性指標(biāo)，計算地基沉降變形時各土層的壓縮模量分別為：第②層砂壤Es＝11.5MPa，第③、層壤土Es＝10.3MPa，第④層粉質(zhì)粘土Es＝7.7MPa。地基沉降計算采用分層總和法計算地基最終沉降量，計算成果見表5。

表5 的計算結(jié)果表明：在完建和正常蓄水位兩種工況下，閘室的沉降量大于《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）要求的地基最大沉降量小于15cm、沉降差小于5cm 的要求，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

4.2 滲透及滲透變形問題

據(jù)鉆孔抽（注）水試驗(yàn)，第②層砂壤土滲透系數(shù)K=（4～30）×10-4cm/s，屬中等透水層；第③層壤土滲透系數(shù)K=1.9×10-6～2.6×10-5cm/s，屬微透水層。埋藏于右岸河床岸坡的Q4col+dl孤塊碎石土層（見圖2）滲透系數(shù)K=（4.6～65）×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水層，強(qiáng)透水帶厚度20～55m。因此河床壩基存在壩基滲漏和滲透穩(wěn)定問題，其中右岸壩基的孤塊碎石土層為集中滲漏的強(qiáng)透水帶。

4.3 地震液化問題

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，按照相關(guān)規(guī)范，對各堰塞沉積層地震液化問題論述如下：

第②層砂壤土的粘粒含量為7.4%，小于《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）N.0.3 條第3款16%之規(guī)定，可能發(fā)生液化；又據(jù)標(biāo)貫資料，第②層砂壤土N63.5＝7～9＜Ncr=11.3～14，故第②層砂壤土在Ⅶ度地震條件下將產(chǎn)生地震液化。

第③層壤土的粘粒含量分別及23.3%，大于《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）N.0.3 條第3 款16%之規(guī)定，Ⅶ度地震條件下不存在地震液化問題。

第④層、第⑤層及第⑥層位于地面29.5m 以下，遠(yuǎn)大于《建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）規(guī)定的地震液化判別范圍0～20m，故不需要研究其地震液化特性。

綜上所述第②砂壤土層在Ⅶ度地震條件下存在地震液化問題，需要采取相應(yīng)的抗液化處理措施；其余各堰塞沉積層不存在地震液化問題。

5 結(jié)論及認(rèn)識

1）堰塞沉積物的形成與山體崩滑堵江事件總是相關(guān)的，而崩滑堵江事件的發(fā)生一般又與陡峻的地形、復(fù)雜的巖性和構(gòu)造組合、以及地震等因素關(guān)系密切；5.12 地震形成大量的堰塞湖，隨著時間的推移，在其天然水庫中也會形成堰塞沉積物，水電工程實(shí)踐中常常需要研究堰塞沉積物作為壩基的工程特性及相關(guān)工程地質(zhì)問題，本文有一定的借鑒意義。

2）堰塞沉積物是河流岸坡巖體發(fā)生崩滑堵江形成天然堆石壩及水庫之后，在地質(zhì)歷史時期于天然水庫靜水環(huán)境下沉積的河流固體徑流物質(zhì)，其顆粒級配一般以砂?！沉５燃?xì)粒為主。由于當(dāng)時氣候及河流水動力條件的變化，堰塞沉積物也表現(xiàn)出不同的顏色、粒度結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的工程特性分層變化。

3）各堰塞沉積層的結(jié)構(gòu)變化在物性參數(shù)上表現(xiàn)為不同的干密度指標(biāo)，并對應(yīng)不同的力學(xué)特性。

4）堰塞沉積層作為低閘壩基礎(chǔ)，需要對壓縮變形、滲漏及地震液化等方面的工程適宜性作出分析評價，并進(jìn)行相應(yīng)的工程處理。

[1]黃潤秋，王士天，張倬元，等.中國西南地殼淺表層動力學(xué)過程及其工程環(huán)境效應(yīng)研究[M].成都：四川大學(xué)出版社，2001

[2]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理（第二版）[M].北京：地質(zhì)出版社，1994

[3]DL／T5335-2006，水電水利工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察技術(shù)規(guī)程[S]