張景順 張世殊 周光明 徐 旭 馮建明
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平緩細(xì)粒土岸坡水庫(kù)塌岸機(jī)理研究*
張景順 張世殊 周光明 徐 旭 馮建明
大量工程實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,水庫(kù)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(rèn)為自然坡度10°左右的平緩堆積層岸坡發(fā)生水庫(kù)塌岸的可能性小,但在四川省寶興河磽磧水電站庫(kù)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(lèi)型。螞蝗溝5#堆積體由礫質(zhì)黏土組成,土中小于0.075mm的細(xì)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(lái),變形范圍由前緣的小規(guī)模塌岸逐漸向后緣擴(kuò)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(guò)對(duì)土體結(jié)構(gòu)、顆粒組成等的勘探試驗(yàn),并結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行方式和變形監(jiān)測(cè)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(jì)算,系統(tǒng)地開(kāi)展了其塌岸機(jī)理研究。研究結(jié)果表明:細(xì)粒為主的土體結(jié)構(gòu)及其弱透水性,是平緩堆積體在庫(kù)水位反復(fù)升降作用下蠕滑變形的根本原因; 平緩細(xì)粒土岸坡的穩(wěn)定性與庫(kù)水位的升降具有明顯的相關(guān)性,隨庫(kù)水位的周期性變化岸坡呈現(xiàn)出不同的穩(wěn)定狀態(tài),其蠕滑變形速率也明顯不同。
水庫(kù)塌岸 蠕滑 礫質(zhì)黏土 瞬態(tài)滲流分析 變形監(jiān)測(cè)
近年來(lái),隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的快速發(fā)展,建成了一大批大中型水庫(kù)。三峽、二灘、寶珠寺、天生橋一級(jí)、瀑布溝、溪洛渡、小灣、磽磧、毛爾蓋等庫(kù)區(qū)蓄水后的水庫(kù)塌岸問(wèn)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(kù)塌岸已成為庫(kù)區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì), 90%以上的水庫(kù)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(rèn)為自然坡度10°左右的平緩堆積層岸坡發(fā)生水庫(kù)塌岸的可能性小,但在四川省寶興河磽磧水電站庫(kù)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(kù)蓄水后,受庫(kù)水作用的影響,庫(kù)區(qū)發(fā)生規(guī)模不等的松散堆積層塌岸數(shù)十處,塌岸問(wèn)題十分突出。在2007~2008年首輪庫(kù)水位升降過(guò)程中,庫(kù)區(qū)即出現(xiàn)18處規(guī)模數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)立方米的塌岸,其中包括螞蝗溝5#堆積體,塌岸模式以逐級(jí)牽引式的緩慢蠕滑變形為主(胡卸文等, 2009; 劉娟等, 2010; 趙國(guó)宣等, 2015)。根據(jù)跟蹤調(diào)查情況和監(jiān)測(cè)資料分析,在經(jīng)歷9年多的庫(kù)水位周期性變化影響后,細(xì)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(kù)區(qū)大量居民房屋開(kāi)裂、破壞,公路路基沉降,同時(shí)也增加了水庫(kù)淤積,影響水庫(kù)運(yùn)行。若近壩庫(kù)岸塌岸導(dǎo)致滑坡涌浪將直接威脅大壩安全,造成嚴(yán)重后果。
系統(tǒng)地開(kāi)展細(xì)粒土岸坡的塌岸機(jī)理研究,有助于正確判斷岸坡的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢(shì),評(píng)價(jià)塌岸對(duì)水工樞紐建筑物、庫(kù)區(qū)房屋和公路等的影響,為治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。另一方面,相關(guān)的研究方法和結(jié)論對(duì)類(lèi)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(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)工程,電站采用高土石壩長(zhǎng)隧洞引水發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位2140m,死水位2060m,總庫(kù)容約2×108m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容1.87×108m3,具有年調(diào)節(jié)能力。
2006年12月5日開(kāi)始水庫(kù)蓄水, 2007年底水庫(kù)最高蓄水至2125m, 2008年水庫(kù)初次蓄水至正常水位2140m。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行方式,水庫(kù)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(zhì)特征
螞蝗溝5#堆積體位于磽磧水電站庫(kù)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(zhǎng)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(zhì)黏土,土體顆粒較細(xì),總體結(jié)構(gòu)較松散。2158m高程(環(huán)湖公路附近)以上地形坡度12°~14°,礫質(zhì)黏土厚度約16~35m。2158m高程以下坡洪積礫質(zhì)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(zhì)黏土厚度約40~80m; 2070~2110m高程地形坡度約14°,礫質(zhì)黏土厚度約5~40m。下伏基巖為泥盆系(D)粉砂質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾薄-極薄層灰?guī)r。整體來(lái)看,螞蝗溝5#堆積體坡洪積(Qdl+pl)礫質(zhì)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(zhì)黏土的顆粒級(jí)配組成(表1)。另?yè)?jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果:土體天然密度20.2~22.2kN·cm-3,直剪試驗(yàn)(飽和固結(jié)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(zhì)平面圖
圖2 螞蝗溝5#堆積體1—1′工程地質(zhì)剖面圖
表1 礫質(zhì)黏土顆粒級(jí)配表
Table1 Grain size distribution of gravelly clay
土樣編號(hào)顆粒級(jí)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(guò)程及塌岸特征
據(jù)2008年4月初調(diào)查,在2007年底水庫(kù)首次蓄水至2125m以及后續(xù)的首次庫(kù)水位下降過(guò)程中,螞蝗溝5#堆積體前緣臨河部位出現(xiàn)小規(guī)模坍塌現(xiàn)象,坡面出現(xiàn)變形裂縫并逐漸向后緣擴(kuò)展。變形后緣邊界高程約2140m,尚未對(duì)環(huán)湖公路造成影響。
2008年 “5·12 汶川地震”后調(diào)查發(fā)現(xiàn),變形后緣邊界已經(jīng)到達(dá)2157m高程附近的環(huán)湖公路,導(dǎo)致路基沉降,坡上多處居民房屋受損嚴(yán)重。
蓄水后9年多以來(lái),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(kuò)展,目前變形后緣邊界已到達(dá)2244m高程的基覆界線附近。
通過(guò)對(duì)螞蝗溝5#堆積體變形過(guò)程的回顧,可以總結(jié)出磽磧水電站庫(kù)區(qū)平緩細(xì)粒土岸坡水庫(kù)塌岸有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn):(1)塌岸模式以逐級(jí)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(kù)水位存在明顯的相關(guān)性,庫(kù)水位快速消落過(guò)程中蠕滑變形較顯著;(3)蠕滑變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),變形逐年趨緩。
在螞蝗溝5#堆積體內(nèi)部及周邊布置了9個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別是MD501~MD509,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置詳(圖1)。
自2014年12月底開(kāi)始實(shí)施監(jiān)測(cè),每月監(jiān)測(cè)1次,汛期增加監(jiān)測(cè)次數(shù),截至2016年4月22日,已實(shí)施監(jiān)測(cè)19期。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理后與庫(kù)水位進(jìn)行了相關(guān)性分析(圖4)。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,除MD505、MD508等兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)未產(chǎn)生變形外,其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(kù)水位的周期性變化具有明顯的相關(guān)性(張友誼等, 2007; 易武等, 2011; 王世梅等, 2015)。
以累計(jì)位移量較大的MD506監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)487d總位移量384.7mm。其中2014年12月23日~2015年12月22日一年時(shí)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(cè)成果可知: 2月底至4月底,庫(kù)水位從2100m下降至死水位2060m過(guò)程中,庫(kù)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(kù)水位從2060m上升至正常蓄水位2140m,岸坡蠕滑變形在減速,說(shuō)明隨著庫(kù)水位上升,岸坡穩(wěn)定性提高; 12月中下旬至翌年2月底,庫(kù)水位從正常蓄水位2140m下降至2100m,變形開(kāi)始加速。
圖5 第160d(水位下降至2090m時(shí))瞬態(tài)滲流分析結(jié)果
圖6 第280d(水位上升至2135m時(shí))瞬態(tài)滲流分析結(jié)果
對(duì)螞蝗溝5#堆積體因庫(kù)水位變化產(chǎn)生的瞬態(tài)滲流問(wèn)題分析采用SEEP/W軟件(張文杰等, 2005; 廖紅建等, 2008),滲流分析過(guò)程將磽磧庫(kù)區(qū)水位隨時(shí)間的變化函數(shù) (圖7)作為水頭-時(shí)間函數(shù)。4月中旬至5月底期間,庫(kù)水位低于計(jì)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(jì)算起點(diǎn),時(shí)間步長(zhǎng)取10d,模擬分析1a內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的岸坡瞬態(tài)滲流問(wèn)題。例如:第160d,水位下降至2090m時(shí)的瞬態(tài)滲流分析結(jié)果(圖5); 第280d,水位上升至2135m時(shí)的瞬態(tài)滲流分析結(jié)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(kāi)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(cè)各有1條水溝,溝內(nèi)常年流水。因此,受溝水沖刷、公路開(kāi)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(jié)果表明,庫(kù)水位上升過(guò)程中,由于礫質(zhì)黏土滲透性弱,地表水入滲較慢,地下水位上升相對(duì)滯后,庫(kù)水位與坡體地下水位形成負(fù)落差,反壓坡體,對(duì)穩(wěn)定性有利。庫(kù)水位下降過(guò)程中,由于庫(kù)水位的快速消落,導(dǎo)致土體內(nèi)的孔隙水來(lái)不及消散,地下水位下降也相對(duì)滯后,產(chǎn)生的動(dòng)水壓力對(duì)岸坡穩(wěn)定不利。
綜合分析水庫(kù)運(yùn)行方式、土體顆粒組成、變形監(jiān)測(cè)以及滲流計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為以螞蝗溝5#堆積體為例的磽磧庫(kù)區(qū)平緩細(xì)粒土岸坡蓄水后蠕滑變形的主要原因是:(1)土體顆粒以細(xì)粒為主,透水性弱; (2)庫(kù)水作用改變了岸坡地下水狀態(tài),使土體強(qiáng)度降低,特別是庫(kù)水位消落過(guò)程中形成的動(dòng)水壓力對(duì)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(shù)-水庫(kù)水位-時(shí)間關(guān)系曲線
圖8 庫(kù)水位上升至2140m時(shí)(10月20日前后)穩(wěn)定性計(jì)算成果
圖9 庫(kù)水位下降至2090m時(shí)(3月底)穩(wěn)定性計(jì)算成果
6.1 穩(wěn)定性分析方法
對(duì)螞蝗溝5#堆積體的穩(wěn)定性分析采用SLOPE/W軟件,計(jì)算方法選擇基于極限平衡理論的Morgenstern-Price法。將一個(gè)水庫(kù)運(yùn)行周期內(nèi)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)滲流分析結(jié)果應(yīng)用到穩(wěn)定分析過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)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(kù)水位升降引起的地下水變化對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。
6.2 計(jì)算參數(shù)與成果
穩(wěn)定性分析計(jì)算過(guò)程,對(duì)礫質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了試算,以找到符合岸坡蠕滑變形特征的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試算過(guò)程中,有效黏聚力c取值分別為: 15kPa、18kPa、20kPa、22kPa、25kPa和30kPa; 有效內(nèi)摩擦角φ取值分別為: 9.5°、10°、10.5°、11°、11.5°和12°。計(jì)算過(guò)程中,通過(guò)土水特征曲線預(yù)測(cè)非飽和土的抗剪強(qiáng)度(Fredlund et al.,1996)。滲流分析與穩(wěn)定性分析計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)(表2),穩(wěn)定性計(jì)算成果(圖7)。
表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表
Table2 Rock and soil physical mechanics parameters table
巖土體參 數(shù)重度/kN·m-3有效黏聚力/kPa有效內(nèi)摩擦角/(°)飽和滲透系數(shù)Ksat/m·s-1礫質(zhì)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(jì)算結(jié)果顯示,礫質(zhì)黏土的有效黏聚力c取值15kPa,有效內(nèi)摩擦角φ取值11°時(shí),岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與實(shí)際情況較符合。其中,庫(kù)水位由2137.5m上升至2140m時(shí)岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最大(1.189),計(jì)算成果(圖8),庫(kù)水位下降至2090m時(shí)岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最小(0.858),計(jì)算成果(圖9)。
6.3 計(jì)算成果分析
根據(jù)穩(wěn)定性分析計(jì)算成果,岸坡穩(wěn)定性隨庫(kù)水位變化呈現(xiàn)周期性變化,且其穩(wěn)定性變化與監(jiān)測(cè)成果、庫(kù)水位變化之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4,圖7)。
10月中、下旬,庫(kù)水位從汛期控制水位2137.5m上升到正常蓄水位2140m。由于礫質(zhì)黏土滲透性弱,地表水入滲較慢,庫(kù)水位與坡體地下水位形成負(fù)落差,反壓坡體,對(duì)穩(wěn)定性有利,此時(shí)計(jì)算的岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)全年最大。當(dāng)庫(kù)水位維持在2140m蓄水位一定時(shí)間形成穩(wěn)定滲流時(shí),庫(kù)水位對(duì)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(shù)。12月底水位開(kāi)始下降,由于庫(kù)水位快速消落產(chǎn)生的動(dòng)水壓力的不利影響,岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨之快速減小。至翌年3月底,庫(kù)水位下降到2090m附近時(shí),計(jì)算的岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最小。3月底至5月中旬,庫(kù)水位經(jīng)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(jì)算剖面處螞蝗溝水位約為2070m,當(dāng)庫(kù)水位低于2070m時(shí),庫(kù)水作用對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響甚微。5月中旬至6月初,庫(kù)水位從2070m快速上升到2100m,受庫(kù)水作用影響,岸坡穩(wěn)定性降低。6月初至10月中旬,庫(kù)水位從2100m上升到2137.5m,并維持汛期控制水位2137.5m一段時(shí)間,受庫(kù)水位上升較快形成的反壓坡體作用,計(jì)算得到的期間穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸增大,庫(kù)水位維持在2137.5m不變后反壓作用逐漸消失,安全系數(shù)略有減小。
綜上所述,隨著庫(kù)水位周期性變化,目前螞蝗溝5#堆積體在不同時(shí)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(yùn)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(guò)對(duì)螞蝗溝5#堆積體的顆粒組成、滲透特性以及變形監(jiān)測(cè)資料分析,結(jié)合有限元瞬態(tài)滲流分析與穩(wěn)定性分析的耦合分析結(jié)果,得出主要結(jié)論如下:
(1)螞蝗溝5#堆積體為平緩細(xì)粒土岸坡,土體以粉粒、黏粒和砂礫為主,力學(xué)參數(shù)較低,透水性弱。其塌岸始于水庫(kù)蓄水初期,塌岸模式以逐級(jí)牽引式的緩慢蠕滑變形為主,蓄水后9年多來(lái)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(kù)水位的周期性變化具有明顯的相關(guān)性。庫(kù)水位快速下降過(guò)程中,蠕滑變形加速,累計(jì)變形量大; 庫(kù)水位上升過(guò)程中,蠕滑變形減速,累計(jì)變形量小。
(3)細(xì)粒為主的土體結(jié)構(gòu)及其弱透水性,以及庫(kù)水位反復(fù)升降作用,是平緩細(xì)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(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事水電水利工程和巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作. Email:10474590@qq.com
P642.2
A