楞古水電站雨日堆積體岸坡穩(wěn)定性研究

肖華波，易志堅，劉懿輝，夏萬洪

（1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中國水電工程顧問集團有限公司，北京 100120）

0 引 言

楞古水電站位于雅礱江中游，四川省康定與雅江兩縣交界處，預可行性研究階段擬定了上、下壩段2個方案進行比選研究。雨日堆積體位于2個比選壩段之間河段，上距上壩段約1 km，下距下壩段約11.5 km，總方量約2100萬m3；其下部基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體，體積約420萬m3。堆積體主要由冰水堆積物組成，膠結較緊密，但受地震、降雨及下部基巖邊坡淺表部變形等因素的影響，前緣和兩側陡坎局部出現(xiàn)坍滑與拉裂破壞。該堆積體規(guī)模巨大，一旦失穩(wěn)將直接威脅到位于其上部雨日村約30戶130余人的生命財產安全，其穩(wěn)定性問題對楞古水電站壩段的選擇具有重大工程影響。本文通過地質條件調查研究，將基巖與覆蓋層接觸帶、基巖邊坡內松動變形底界作為潛在滑面，采用極限平衡法計算巖土體穩(wěn)定性，然后采用拉格朗日差分法模擬計算坡體應力-應變特征，進一步驗證分析邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)方式。

1 工程地質條件

研究區(qū)地形陡峻，屬高山峽谷地貌，河谷深切呈 “V”形。雨日堆積體平面上呈舌狀，上、下游發(fā)育深切沖溝，前緣被雅礱江切割圍限，地形相對獨立，呈圈椅狀地貌 （見圖1）。前緣高程2550 m，后緣3055 m，順河向前寬后窄，前緣寬500～560 m，后緣寬200～300 m，橫河向長450～590 m，前緣地形坡度 40°～55°， 中部平臺 20°～25°， 后緣 30°～35°，呈現(xiàn) “陡-緩-陡”的地形特征。堆積體兩側沖溝切割深達 80～100 m， 形成 50°～60°的陡壁， 局部近直立。堆積體前緣基巖邊坡平均坡度35°，局部50°～60°， 后緣基巖邊坡坡度一般 40°～50°。 出露地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組變質砂巖和印支-燕山期花崗偉晶巖脈， 巖層產狀 N30°～50°W/NE∠30°～50°（傾坡內）。堆積體主要由冰水堆積物組成，后緣分布有少量崩坡積堆積物。冰水堆積物分布于2550～2870 m高程，以含塊碎礫石土為主。崩坡積堆積物分布于堆積體后緣2870～3055 m高程，由塊碎石土組成。雨日堆積體所在岸坡無較大規(guī)模斷層通過，巖體內節(jié)理裂隙較發(fā)育。

圖1 雨日堆積體岸坡全貌

堆積體與下伏基巖接觸帶坡度較平緩，前緣坡度 3°～5°、 中部～后緣坡度 30°～34°。 接觸帶內未見土體壓密現(xiàn)象，無整體滑動破壞跡象。堆積體下部基巖邊坡主要發(fā)育4組裂隙，各結構面切割組合易形成潛在不穩(wěn)定塊體，坡表臨空部位巖體滑移-拉裂變形、傾倒變形明顯。水平深度40～50 m范圍發(fā)育松動變形巖體，呈碎裂結構，弱風化狀態(tài)，變形較強烈，各方向結構面多張開，巖體沿傾坡外結構面滑移張開 0.5～2.0 cm，上、下盤巖體錯位 1～5 cm，結構面后緣拉張形成寬3～15 cm的倒 “V”字形拉裂縫，勘探平硐成型不規(guī)則，裂隙發(fā)育段掉塊嚴重。

2 變形破壞現(xiàn)象及失穩(wěn)方式

2.1 已有變形破壞現(xiàn)象

雨日堆積體已有變形破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為前緣和兩側陡坎的局部坍滑與拉裂破壞。在堆積體前緣2550～2600 m高程可見多處小規(guī)模坍滑現(xiàn)象，前緣與上游側沖溝交切處的小山脊后緣可見1條橫向拉裂縫，平面延伸約10～15 m，多被后期塊碎石土充填，未見新近變形跡象，其成因為1967年唐古棟滑坡堵江后 （堵江壅高水位為2575 m），邊坡土體受江水浸泡軟化和水位驟降的影響發(fā)生變形。此外，在堆積體上游側陡坎的中部和后緣部位各發(fā)育1條橫向拉裂縫，平面延伸長度小于10 m，未見發(fā)展貫通跡象，其成因主要是臨溝側高陡邊坡在重力作用下發(fā)生局部蠕動變形所致。堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡在1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降過程中形成多處小規(guī)模塌滑破壞，多沿傾坡外結構面發(fā)生滑移-拉裂破壞。

2.2 變形失穩(wěn)方式

堆積體主要由冰水堆積物組成，結構緊密，已經(jīng)歷了1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降和2001年雅江孜河6.0級地震的考驗，均未發(fā)生整體變形破壞。因此，在暴雨或地震工況下，堆積體發(fā)生整體滑移失穩(wěn)的可能性小，但其前緣和兩側臨空，有出現(xiàn)局部小規(guī)模蠕滑-拉裂變形的可能。堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡淺表局部變形強烈，發(fā)育一組產狀為 N60°～65°W/SW∠30°～45°的傾坡外結構面，在暴雨或地震等不利因素作用下，有發(fā)生小規(guī)?；?拉裂失穩(wěn)的可能。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡分析

3.1.1 計算剖面及滑面選取

雨日堆積體極限平衡法穩(wěn)定性計算地質模型見圖2。滑面1為基巖與覆蓋層接觸帶，主要分析堆積體整體穩(wěn)定性；滑面2為堆積體下部松動變形巖體底界，主要分析松動變形巖體整體穩(wěn)定性，滑面2上部穿過堆積體內按圓弧形滑面考慮，并延伸至坡表。

圖2 堆積體穩(wěn)定性計算地質模型

3.1.2 計算方法及工況

采用基于剛體極限平衡理論的Morgenstern-Price法，對各潛在滑面進行穩(wěn)定性計算。由于堆積體分布位置高于下壩段方案正常蓄水位，穩(wěn)定性分析不考慮蓄水相關工況，主要考慮天然、暴雨、地震3種工況，堆積體下部松動變形巖體考慮天然、暴雨、地震、蓄水、蓄水+暴雨、蓄水+地震等6種工況。地震工況按超越概率水平為50年10%的地震動參數(shù)選取，即基巖水平加速度峰值取0.15 g。

3.1.3 邊坡等級及安全標準

相對于上壩段，雨日堆積體位于壩段下游，邊坡類別及安全級別為B類Ⅲ級；相對于下壩段，堆積體位于近壩庫岸，邊坡類別及安全級別為B類Ⅰ級。綜合考慮后，最終確定安全系數(shù)標準 （見表1）。

表1 安全系數(shù)標準

3.1.4 物理力學參數(shù)取值

雨日堆積體巖土體物理力學參數(shù)系根據(jù)物理力學試驗成果、反演分析及工程經(jīng)驗類比提出的。具體參數(shù)值見表2。

表2 雨日堆積體物理力學參數(shù)取值

3.1.5 穩(wěn)定性計算成果及評價

雨日堆積體穩(wěn)定性計算成果見表3。從表3可見，在各種工況下，堆積體及下部松動變形巖體整體穩(wěn)定性均較好，均可滿足上、下壩段安全標準。

3.2 三維數(shù)值模擬分析

3.2.1 天然狀態(tài)

堆積體最大主應力分布主要受重力場控制，量值隨埋深增大而增大，最大值位于堆積體底部，為2.0 MPa。受巖土體性狀差異影響，邊坡內最小主應力分布呈明顯的不連續(xù)性，主要體現(xiàn)在沿基覆接觸帶局部段應力降低，為0～0.5 MPa（見圖3），從而將導致剪應力集中。因此，基覆接觸帶是堆積體穩(wěn)定的控制性邊界，但天然狀態(tài)下最小主應力降低帶貫通性差，對堆積體穩(wěn)定性影響不大。

表3 雨日堆積體穩(wěn)定性系數(shù)計算成果

圖3 堆積體天然狀態(tài)最小主應力分布

3.2.2 地震工況

沿基覆接觸帶最小主應力集中加強，約85%的區(qū)域內形成低應力區(qū)，為0～0.5 MP（見圖4），且在堆積體后緣形成拉應力區(qū)。堆積體總體表現(xiàn)為向坡外、豎直向下的位移分布特征，位移值總體不大，水平、豎向位移分別為4.0～9.0 cm和1.0～4.0 cm。堆積體及基覆接觸帶內均未出現(xiàn)貫通的剪應變增量集中條帶，整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。后緣崩坡積堆積物由于組成物質松散，位移值較大，水平、豎向位移最大值分別為15.57 cm和14.08 cm，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大，但規(guī)模較小。

圖4 雨日堆積體地震工況最小主應力分布

3.2.3 下壩段蓄水工況

雨日堆積體位于下壩段方案庫內，水庫蓄水后堆積體下部基巖邊坡應力集中明顯，坡腳最大主應力為6.0～8.0 MPa，坡表局部巖體變形明顯，水平、豎向位移分別達10.0～20.0 cm和15.0～20.0 cm，變形深度3～5m，可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。受下部基巖邊坡變形的影響，堆積體內最小主應力普遍降低，沿基覆接觸帶70%的區(qū)域形成低應力區(qū)，為0～0.5 MP，前緣坡表甚至出現(xiàn)拉應力區(qū)，拉應力最大為0.85 MPa（見圖5）。堆積體整體表現(xiàn)為向下和向坡外變形，但量值不大，水平、豎向位移僅分別為0.5～2 cm和0.5～1 cm，堆積體及基覆接觸帶內均未出現(xiàn)貫通性剪應變增量集中條帶。綜合分析表明，下壩段蓄水工況下，堆積體整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅堆積體前緣及下部基巖邊坡表部可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

圖5 堆積體下壩段蓄水工況最小主應力分布

3.3 穩(wěn)定性綜合評價

在綜合分析坡體結構特征、已有變形破壞現(xiàn)象與變形破壞方式的基礎上，結合二維極限平衡法、三維數(shù)值模擬成果，對雨日堆積體及其下部松動變形巖體的穩(wěn)定性評價如下:

雨日堆積體分布于2550 m高程以上，由冰水堆積物組成，結構較密實，基覆接觸帶坡度平緩，未見壓密土帶分布，無整體滑動跡象，僅在堆積體前緣和兩側陡坎有局部坍滑或拉裂，后緣松散崩坡積堆積物有小規(guī)模溜滑。1967年唐古棟滑坡堵江潰壩后水位驟降過程中也未引起堆積體變形失穩(wěn)，僅前緣出現(xiàn)幾處小規(guī)模淺層坍滑，說明堆積體整體穩(wěn)定性較好。據(jù)二維極限平衡法計算成果，各種工況下堆積體沿基覆接觸帶的穩(wěn)定性系數(shù)在1.337～1.738之間，滿足上、下壩段安全標準要求。另據(jù)三維數(shù)值模擬分析，各種工況下沿基覆接觸帶均出現(xiàn)最小主應力低值帶，但均未貫通，堆積體整體位移不大，說明其穩(wěn)定性較好。地震工況下，后緣崩坡積堆積物的內剪應變增量集中明顯，位移值較大，可能發(fā)生小規(guī)模失穩(wěn)。下壩段蓄水工況下，堆積體前緣局部拉應力集中明顯，有發(fā)生小規(guī)模失穩(wěn)的可能性。

堆積體前緣2550 m高程以下基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體，變形方式以滑移-拉裂變形為主，局部有傾倒變形現(xiàn)象，但總體邊坡地形坡度不大，且處于變形發(fā)展初期階段，整體穩(wěn)定性較好，各種工況下松動巖體的整體穩(wěn)定性系數(shù)在1.368～1.554之間，滿足上、下壩段安全標準要求。堆積體前緣基巖邊坡受結構面切割控制，在1967年唐古棟滑坡堵江及潰壩后水位驟降過程中，坡表曾出現(xiàn)多處小型塌滑現(xiàn)象。因此，下壩段蓄水工況下，結構面受水浸泡軟化，表層巖體有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。

4 結 論

（1）受巖土體性狀突變的影響，雨日堆積體底部基覆接觸帶內易形成最小主應力低值帶，導致剪應力集中，從而容易形成堆積體穩(wěn)定性的控制性邊界。

（2）堆積體主要由冰水堆積物組成，結構緊密，基覆接觸帶坡度平緩，有利于邊坡穩(wěn)定。數(shù)值模擬結果顯示，各種工況下沿基覆接觸帶均出現(xiàn)最小主應力低值帶，但均未貫通，邊坡整體穩(wěn)定性好。

（3）堆積體下部基巖邊坡淺表部發(fā)育松動變形巖體，表現(xiàn)為滑移-拉裂變形和局部傾倒變形，坡內順河向、橫河向裂隙均多張開，巖體擴容。由于總體上邊坡地形坡度不大，且處于變形發(fā)展初期階段，分析計算表明，整體穩(wěn)定性較好。

（4）堆積體及前緣基巖邊坡整體穩(wěn)定性均較好，滿足上、下壩段安全標準要求，僅在地震、下壩段蓄水工況下有發(fā)生局部變形失穩(wěn)的可能，但對電站上、下壩段方案影響均較小。

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