武都水庫下游右岸變形體裂縫成因分析及處理方法

張 全，劉愛娟，毛增產(chǎn)

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，成都，611731)

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武都水庫下游右岸變形體裂縫成因分析及處理方法

張 全，劉愛娟，毛增產(chǎn)

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，成都，611731)

武都水庫下游右岸護堤工程存在一定厚度的覆蓋層。由于處于大壩泄流產(chǎn)生的霧化降雨區(qū)范圍內(nèi)，大壩泄流期間覆蓋層上出現(xiàn)了多條近平行于岸坡的拉裂縫，變形現(xiàn)象嚴重。通過分析可知裂縫形成的內(nèi)因是覆蓋層土體內(nèi)存在工程性狀較差的軟弱面；外因是水庫泄洪霧化降雨軟化土體，水位抬升導(dǎo)致的下滑力、滲透力增大。穩(wěn)定性計算表明，變形體在正常運用條件下較穩(wěn)定；在非常運用條件Ⅰ和非常運用條件Ⅱ下不穩(wěn)定。建議對變形體采用表層封閉、排水以及支擋、錨固等工程處理措施。

武都水庫 變形體 裂縫 霧化降雨 軟弱面

1 工程概況

武都水庫工程位于四川省江油市涪江干流上游4km處。水庫設(shè)計庫容5.72億m3，正常蓄水位658m，最大壩高120m，壩頂長736m，壩體為碾壓混凝土重力壩，壩后式電站裝機3臺，總?cè)萘繛?5萬kW。水庫下游右岸護堤工程存在一定厚度的覆蓋層。2011年9月至11月，武都水庫大壩進入蓄水、底孔泄流時期。大壩下游一定范圍內(nèi)霧化作用強烈，右側(cè)位于霧化降雨區(qū)內(nèi)的覆蓋層岸坡出現(xiàn)多條平行或近平行于岸坡的拉張裂縫，裂縫長達17m～110m，寬約3cm～40cm，裂縫兩側(cè)高差達2cm～40cm，可見深度達1m，開裂變形現(xiàn)象嚴重，在一定區(qū)域內(nèi)形成變形體。隨著泄洪停止，變形體的變形逐漸趨于平緩，該變形體若失穩(wěn)將嚴重影響武都水電站正常運行和下游兩岸邊坡的安全[1]。變形體位置如圖1所示。

2 變形體地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

變形體位于唐王寨向斜南東翼，龍門山斷層苦竹溝斷裂(F7)與望鄉(xiāng)臺斷裂(F9)之間。該處巖層走向為N54°E、傾角為NW∠70°，局部巖層褶曲比較嚴重。變形體內(nèi)巖石軟硬相間，順層方向發(fā)育層間軟弱夾層，巖體內(nèi)發(fā)育6組構(gòu)造裂隙。

圖1 武都水庫右岸變形體位置

變形體大致以F7斷層和下游沖溝邊緣為邊界，后緣至597m高程R2公路內(nèi)側(cè)附近，前緣至580m高程公路外側(cè)坡體處。變形體所處位置為斜坡坡腳地帶，斜坡坡角為15°～20°，原始地形呈臺階狀。高程575m以下為一級階地、漫灘堆積，坡前緣較陡，坡角為25°～28°、坡高為5m～6m。

變形體及其鄰近范圍內(nèi)巖土體成因多樣，物質(zhì)組成復(fù)雜，主要出露地層如下：

(1)第四系全新統(tǒng)人工堆積的塊碎石夾粉質(zhì)粘土(Q4s)，分布于坡體表層，厚1m～5m，結(jié)構(gòu)松散，局部架空；

(2)第四系坡積粘土夾塊碎石(Q4dl)，塊碎石以灰?guī)r為主且分布極不均勻，在平面及垂直方向均有變化，含量一般為5%～22%，在變ZK1和變ZK2處局部含量較高，可達35%～60%。坡積粘土以可塑狀為主，土體局部發(fā)育有網(wǎng)紋裂隙，沿裂隙面存在黑色鐵錳質(zhì)膜，坡積粘土具有孔隙比大于1、干密度小、粘粒含量高、塑性指數(shù)高的物理特點，具有抗剪強度低、壓縮性中等、透水性弱～中等的力學(xué)特征。該地層厚3m～5.9m；

(3)第四系殘積粉質(zhì)粘土(Q4el)，顏色一般較深，含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r等，為軟巖全風(fēng)化產(chǎn)物。該層下部碎屑顆粒增多，可塑狀為主，厚約2.26m～6.70m，以變ZK1～變ZK3一線較厚；

(4)第四系近代河流沖積弱膠結(jié)砂礫卵石層(Q41al)，結(jié)構(gòu)密實，厚約1m～4m。河床及漫灘堆積物(Q42al)內(nèi)疊于近代河流沖積層上部，為砂礫卵石層，結(jié)構(gòu)稍密，透水性強；

(5)變形體前緣坡腳地帶的塊碎(卵)石層，沖積、人工棄渣崩垮形成的混合堆積物(Q4)，厚約4.6m～6.6m，塊碎石含量40%～70%，塊碎石構(gòu)成的骨架間充填黃色粘土、中粗砂、礫、少量紅色磚屑等，粘土多為可塑狀，層內(nèi)組成物質(zhì)均一性差，結(jié)構(gòu)松散，局部架空。

變形體所處地帶巖體風(fēng)化卸荷作用強烈，強風(fēng)化帶厚1.5m～13m，變ZK2處厚度最大，變ZK4、變ZK3處較薄為1.5m～3m，強風(fēng)化巖體為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。弱風(fēng)化帶厚約8.3m～14.9m，弱風(fēng)化、新鮮巖體為中～薄層狀巖體結(jié)構(gòu)。

變形體下伏基巖有三疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)的鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r、結(jié)核狀灰?guī)r、結(jié)核狀白云質(zhì)灰?guī)r、中～薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等。

變形體內(nèi)未見承壓水，地下水以覆蓋層及基巖孔隙潛水為主，局部可溶巖沿裂隙、溶隙富存有巖溶水。覆蓋層滲透系數(shù)K=3.8×10-5cm/s～3.7×10-4cm/s，屬弱～中等透水層。強風(fēng)化巖體滲透系數(shù)K=1.1×10-4cm/s～7.2×10-3cm/s，屬中等透水巖體，局部可溶巖中溶隙發(fā)育，為強透水，隨著基巖埋深加大，透水性逐漸減弱，至弱透水、微透水層。

2.2 變形范圍及其特征

變形體組成物質(zhì)與成因比較復(fù)雜，從上至下分別為人工堆積、坡積、殘積等，前緣下部有近、現(xiàn)代河流沖積堆積分布，各土層界面緩傾江心。下伏基巖以碎屑巖為主，風(fēng)化、卸荷較嚴重，可溶性巖石呈夾層狀分布，其巖溶不發(fā)育，基巖層理構(gòu)造發(fā)育，層面較陡，傾山內(nèi)及上游，巖體結(jié)構(gòu)特征對基巖坡體穩(wěn)定起控制作用。取樣試驗表明，坡積土層中的粘土夾塊碎石抗剪強度最低。鉆探成果顯示，坡積土層底部局部存軟塑狀，并見局部剪切蠕滑跡象，變形體蠕動變形的底界面位于坡積物底部附近。

受變形特征控制，變形拉張裂縫的分布區(qū)域即為變形體的范圍，上游以F7斷層為邊界，下游近于原沖溝邊緣附近，后緣為597m高程以上R2公路內(nèi)側(cè)排水溝附近，前緣至580公路外側(cè)坡體。變形體長83m～100m、寬92m～117m，厚約5m～10.6m，變形體方量約7.29萬m3。

變形體上的拉張裂縫多分布于地形臺階的內(nèi)、外側(cè)附近，以597m高程以下R2公路、580公路內(nèi)、外側(cè)變形較大。長大裂縫延伸方向N3°～13°E、N5°～22°W，與其垂直方向的裂縫延伸較短，長大裂縫端部有斜向裂縫分布，延伸也較短，變形體變形方向與長大裂縫近于垂直。據(jù)測線變形觀測成果，右岸霧化變形體整體有向東南位移的趨勢，變形體主變形方向為向東略偏南。

公路內(nèi)側(cè)的漿砌塊石部位出現(xiàn)大量拉張裂縫，局部塊石外凸。坡積土體底部局部含水量增大，土體呈可塑～軟塑狀，并發(fā)生局部剪切蠕滑，鉆孔揭示蠕滑帶最大厚度約1.04m。變形體的主要變形特征為地表出現(xiàn)拉張裂縫、漿砌塊石拉裂局部外凸、土層底部蠕變滑移等，地表未見崩塌、垮塌及滑塌現(xiàn)象發(fā)生。

3 裂縫成因分析

鉆探資料顯示，變形體覆蓋層厚約7.6m～15.2m，可分為三層土體。中層坡積粘土夾塊碎石的上、下界面在580公路外側(cè)有臨空面，坡積物底部界面為蠕變帶的位置。變形體前緣坡積、殘積土體內(nèi)及分界面上未見明顯變形跡象，變形體中部與后部的坡積物底部形成了局部滑動面或剪切塑性變形帶。因此，從變形體的物質(zhì)組成及各巖土體分界面推斷，坡積物頂部和底部與殘積物底界面易失穩(wěn)變形。

泄洪與監(jiān)測記錄都表明裂縫與位移的增長與泄洪霧化有關(guān)。2011年9月至11月武都水庫大壩泄洪，11月初，580公路與R2公路內(nèi)側(cè)漿砌塊石護坡相繼產(chǎn)生開裂與外凸變形，11月底，580公路與R2公路597m以上高程處的外邊緣裂縫已達40cm寬，局部裂縫可見深度可達40cm～100cm，變形體變形特征非常明顯。2011年12月武都水庫大壩停止泄流，此后變形體的變形量逐漸減少，但局部變形仍在緩慢發(fā)展。因此，大壩泄流產(chǎn)生的霧化降雨是覆蓋層坡體產(chǎn)生裂縫的主要原因。

總之，變形體裂縫的形成內(nèi)因是覆蓋層土體內(nèi)存在工程性狀較差的軟弱面，主要位于坡積粘土夾碎塊石土層內(nèi)以及其與上下土體的交界面處。外因是水庫泄洪產(chǎn)生的霧化降雨軟化了土體，地下水位升高，變形體內(nèi)滲透力與下滑力均有增大，最后導(dǎo)致裂縫與變形的發(fā)生、發(fā)展。

4 穩(wěn)定性評價

4.1 變形范圍

變形體地表變形特征主要是拉張裂縫，變形體的平面范圍與其變形特征相適應(yīng)，上游以F7斷層為界，下游近沖溝附近，后緣為高程597m以上公路，前緣至580公路外側(cè)坡體處。鉛直剖面上坡積土層的工程性狀(如各種含水狀態(tài)下抗剪強度)較其上、下土層差，且土層界面臨空。因河水沖淘作用，臨涪江側(cè)坡腳處的坡度較大。鉆探成果表明坡積土體底部附近含水量較大，呈可塑～軟塑狀，有蠕滑所產(chǎn)生的擦痕及泥膜光面出現(xiàn)，變形體下部控制面為坡積土層底部。

現(xiàn)場調(diào)查表明，580公路外側(cè)未見剪出口，也未見地下水浸潤或集中滲水點，580公路勘探孔鉆進過程中也未見植物膠等從坡腳滲出。變形體僅于中、后部與坡積土層底部形成塑性剪切帶，局部有向江邊推擠、壓縮的現(xiàn)象，地表土體被拉裂，產(chǎn)生變形，坡積土層底部未形成貫通性剪切帶，變形體處于蠕動變形階段。

4.2 反演分析

沿變形較大方向布置變Ⅰ與變Ⅱ兩條剖面，剖面上布鉆孔、觸探孔和探坑并在勘探點處取巖土試樣進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗，查明了變形體巖土體的物質(zhì)組成和界面形態(tài)。變形體的潛在滑動面應(yīng)位于過變ZK1、變ZK3的殘積、坡積土層中。根據(jù)巖土體含水與固結(jié)狀態(tài)，將殘余強度指標(biāo)折算并考慮均一性等情況綜合確定殘積與坡積土層的抗剪強度參數(shù)(見表1)。將勘探期間的河水位及鉆孔終孔水位作為地下水位線的位置。利用Slide5.0計算程序，分畢肖普法和詹布法兩種方法模擬潛在滑動面。

表1 力學(xué)參數(shù)表

模擬結(jié)果顯示：變形體整體穩(wěn)定系數(shù)界于1.026～1.169之間，潛在滑面過變ZK1、變ZK3坡積物底部，見圖2與圖3。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007)，變形體蠕動滑移階段取穩(wěn)定系數(shù)為1～1.05。模擬圖及規(guī)范均表明，表1所列力學(xué)參數(shù)可作為變形體穩(wěn)定性分析的地質(zhì)參數(shù)，建議使用該表中的數(shù)值作為變形體物理力學(xué)參數(shù)建議值進行工程整治設(shè)計，潛在滑動面為過變ZK1、變ZK3坡積底部的非圓弧滑面。

圖2 天然工況變Ⅰ剖面潛在圓弧滑面位置及穩(wěn)定系數(shù)

圖3 天然工況變Ⅱ剖面潛在圓弧滑面位置及穩(wěn)定系數(shù)

4.3 穩(wěn)定性計算與分析

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007)對水利水電工程邊坡級別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將武都水庫下游右岸變形體劃分為5級邊坡。利用河海大學(xué)的Autobank7.0計算程序?qū)ψ冃误w進行穩(wěn)定性計算，計算采用畢肖普方法。變形體潛在滑動面位置位于過變ZK1、變ZK3坡積底部的非圓弧滑面。采用正常運行條件、非常運行條件Ⅰ、非常運行條件Ⅱ三種工況進行穩(wěn)定性計算。巖土體力學(xué)參數(shù)選自表1，地震動峰值加速度取0.15g，計算結(jié)果如表2。

由計算結(jié)果可知，變形體天然狀態(tài)工況安全系數(shù)為1.03～1.08，該工況下相對較穩(wěn)定；正常+霧化及正常+地震條件下安全系數(shù)分別為0.99、0.91～0.956，均小于規(guī)范值，表明武都水庫泄洪霧化及地震條件下變形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。且由于變形體穩(wěn)定模擬計算中未考慮變形體表部拉張裂縫充水等不利影響，需對變形體進行加固處理才能確保進場公路安全，避免變形體失穩(wěn)堵塞河道，影響武都水庫安全行洪。

表2 變形體穩(wěn)定性計算成果

定性及定量分析、近幾年臨時觀測、淺部拉張裂縫統(tǒng)計等均表明：變形體在天然工況下整體較穩(wěn)定；在武都水庫泄洪霧化及地震時穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因每年汛期泄洪霧化作用，如今變形體的變形仍在繼續(xù)發(fā)展，塑性剪切帶的范圍還在持續(xù)擴大。隨著時間推移，在大壩反復(fù)泄洪霧化降雨作用下，變形體前緣土體不斷被沖淘，變形體坡體后退，塑性剪切帶擴大從而形成可能貫通的潛在滑動面，坡體會以滑坡形式失穩(wěn)。

5 結(jié)論

武都水庫右岸下游變形體在水庫泄洪霧化時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，變形體上游分布有武都水庫大壩及其底層灌漿平洞、573排水洞；變形體上分布有580公路、R2公路，兩公路是大壩運行期間安全檢查的通道，對水庫大壩的安全運行有重要作用；變形體失穩(wěn)也會影響武都水庫大壩泄洪，需對變形體進行加固處理。

根據(jù)變形原因分析和穩(wěn)定性計算成果，建議對變形體上新出現(xiàn)的裂縫進行封閉處理，對坡面進行防滲處理，完善坡體的排水系統(tǒng)，降低雨水入滲率；同時按勘探成果計算變形體的剩余下滑力，對變形體采取支擋、錨固等工程處理措施。

〔1〕四川省水利水電勘測設(shè)計院. 四川武都引水第二期工程武都水庫下游護堤及右岸變形體處理設(shè)計[R]. 成都：四川省水利水電勘測設(shè)計院，2013.

〔2〕SL386-2007. 水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S]北京：中國水利水電出版社，2007.

張 全，女，四川資陽人，工程師，從事水利水電工程勘察設(shè)計工作。

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