瑪爾水電站右岸傾倒體結(jié)構(gòu)特征與穩(wěn)定分析

趙之舉, 何燕云, 趙一桐

(1.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434; 2.三峽大學(xué),湖北 宜昌 443002)

瑪爾水電站位于巴基斯坦東北部印度河支流吉拉姆河上,電站水庫總庫容約1.2億m3,最大壩高約90 m,擬建建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩后式廠房及溢流、泄洪等建筑物組成。壩址地形條件適宜修建混凝土重力壩,但壩址右壩肩為一傾倒變形體岸坡,傾倒體的發(fā)育規(guī)模、空間分布、結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性對樞紐建筑物布置意義重大,為此開展了右岸傾倒變形體的勘察研究工作。本文針對傾倒體的穩(wěn)定分析,不僅考慮了水庫蓄水前后的各種自然工況,更為關(guān)注的是水庫蓄水初期、中期邊坡的穩(wěn)定狀況。

1 邊坡地質(zhì)條件

工程區(qū)處于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶之西構(gòu)造附近,地震活動活躍,50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.30g,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差[1-2]。

壩段河谷為一縱向谷,沿河谷發(fā)育一背斜構(gòu)造。兩岸山體雄厚,為中陡傾角反向坡,岸坡巖性由上第三系穆里組(N1m)的砂巖及泥質(zhì)巖相間組成,巖層傾角40°～70°,巖體差異風(fēng)化嚴(yán)重、強(qiáng)卸荷水平深度約50 m,層間擠壓破碎帶及軟弱夾層較為發(fā)育。壩址左岸自然邊坡坡度25°～35°,右岸為傾倒變形體邊坡。

壩址右岸邊坡上緩下陡,高程610.0 m以上邊坡較緩,地形坡度15°～25°;高程590～610.0 m段地形坡度約30°～40°,590 m高程以下40°～55°。傾倒體邊坡覆蓋層以殘坡積砂質(zhì)粘土為主,殘坡積厚度一般1～4 m,邊坡前緣坡腳附近基巖露頭良好。根據(jù)邊坡巖體組合特征,邊坡巖體可劃分為7個巖性組,分別是:?層粉砂質(zhì)泥巖,塊狀;①層砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖,次塊狀—碎裂狀;②層粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、砂巖,碎裂—片狀;③層砂巖,次塊—碎裂狀;④層粉砂質(zhì)泥巖、砂巖互層,碎裂夾碎塊狀;⑤層砂巖,次塊—碎裂狀;⑥層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層,層狀—塊狀。其中①～⑤層巖組位于傾倒變形體范圍。

邊坡處于壩址河床背斜的西翼。正常巖層產(chǎn)狀走向NW330°～340°/傾向SW,傾角50°～70°,現(xiàn)狀坡面巖層傾角一般15°～40°,坡面巖層傾角較天然產(chǎn)狀傾角偏緩,巖層均有不同程度的傾倒現(xiàn)象。

邊坡體內(nèi)未見明顯的斷層通過,主要的地質(zhì)構(gòu)造為層間剪切帶和裂隙構(gòu)造。剪切帶發(fā)育寬度一般1～30 cm,剪切面光滑、多有擦痕,剪切帶物質(zhì)多為碎屑夾泥型,結(jié)構(gòu)面傾角一般接近巖層傾角,為25°～55°。構(gòu)造裂隙主要為走向NW、NWW和NEE三組,由于傾倒體處于強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷帶內(nèi),裂隙面多鐵錳質(zhì)氧化物浸染,卸荷張開或充填碎屑及次生夾泥。平硐揭示的傾倒體潮濕,但無滴水、滲水現(xiàn)象,處于地下水位以上。傾倒體邊坡縱向剖面見圖1。

2 傾倒體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)平硐揭示傾倒體水平深度20.0～48.0 m,鉆孔揭示傾倒體垂直深度約30.0 m,估算傾倒變形體方量35.0萬～40.0萬m3。

根據(jù)平硐揭示,傾倒體由強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖組成,巖體結(jié)構(gòu)呈次塊狀—碎裂狀和薄層狀。不同深度、不同巖性傾倒體邊坡變形程度和破壞形式存在差異。邊坡淺部巖體一般變形程度強(qiáng),深部巖體變形程度變?nèi)鮗3],邊坡體內(nèi)硬質(zhì)巖砂巖一般表現(xiàn)為傾倒松弛破壞,泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖巖性較軟,多表現(xiàn)為彎曲破碎變形。

圖1 傾倒體邊坡縱向剖面圖Fig.1 Longitudinal section map of dump slope1.粉砂質(zhì)泥巖;2.泥質(zhì)粉砂巖;3.砂巖;4.平硐;5.巖組編號;6.傾倒體界線;7.強(qiáng)風(fēng)化下限;8.強(qiáng)卸荷帶下限;9.地下水位線。

3 成因機(jī)制

壩址右岸邊坡為軟巖與硬巖相間分布的中陡傾角反向坡,受河流侵蝕作用影響前緣邊坡較陡,局部軟巖被水流掏蝕形成空洞。在重力、地應(yīng)力、地震等內(nèi)外營力共同作用下,邊坡巖體一方面向臨空方向卸荷變形,產(chǎn)生拉張裂縫;同時(shí)邊坡巖體中的泥質(zhì)巖及軟弱夾層等軟弱巖體在重力作用下也發(fā)生壓縮蠕變,產(chǎn)生不均勻的塑性變形;由于臨空方向軟巖擠出的影響,靠近坡外的巖體縱向壓縮變形量大于坡內(nèi)的巖體,受坡體下部軟巖不均勻變形的影響,邊坡巖體逐漸出現(xiàn)了“點(diǎn)頭哈腰”,以致產(chǎn)生傾倒變形。在巖體傾倒變形的形成過程中,由于軟質(zhì)巖適應(yīng)變形能力較強(qiáng),變形后多呈彎曲的緩坡狀,硬質(zhì)巖多呈折斷、傾倒、塊體間張開、不連續(xù)排列及架空現(xiàn)象。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 定性分析

根據(jù)勘探揭示及地表測繪,目前變形體地表未見拉裂變形跡象,傾倒變形體下部也未見貫通性結(jié)構(gòu)面,初步分析傾倒變形體在天然狀態(tài)下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在水庫蓄水期及暴雨、地震工況下,庫水對巖體的飽和、軟化作用以及地震作用會降低傾倒巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,傾倒變形體可能存在局部失穩(wěn)和整體穩(wěn)定的潛在風(fēng)險(xiǎn),威脅大壩及其他泄洪建筑的安全。

4.2 極限平衡法計(jì)算分析

根據(jù)邊坡巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級,該傾倒體邊坡巖體級別屬Ⅳ級差的—Ⅴ級巖體,參考平硐原位巖體抗剪斷試驗(yàn)成果,傾倒變形體下界面附近各巖組層巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖組層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

采用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,計(jì)算軟件為加拿大RocScience公司的Slide軟件,分別對不同運(yùn)行期、不同工況下,傾倒體沿其下界面整體滑動和沿傾倒體內(nèi)最危險(xiǎn)滑弧局部失穩(wěn)的安全性進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。邊坡二維計(jì)算模型如圖2、圖3所示。其中,水庫蓄水后分別計(jì)算蓄水初期(L=20 m)、中期(L=40 m)和正常蓄水運(yùn)行期(L=65 m)不同庫水位工況的穩(wěn)定性。水位驟降為從正常蓄水位585 m降至正常運(yùn)行排沙水位572 m。

根據(jù)水電工程相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[4]確定的該邊坡為A類Ⅱ級邊坡,相應(yīng)的安全系數(shù)取值[1]:正常運(yùn)行期1.2;正常運(yùn)行+暴雨期(含水位驟降)1.1;正常運(yùn)行+地震工況1.05。

表2 各工況穩(wěn)定性計(jì)算安全系數(shù)Table 2 Safety coefficient of stability calculation in various working conditions

圖2 蓄水后正常運(yùn)行與正常運(yùn)行+地震工況計(jì)算圖Fig.2 Calculation chart of normal operation and normal operation + earthquake condition after water storage

圖3 蓄水后正常運(yùn)行(水位585)與(水位540)暴雨工況計(jì)算圖Fig.3 Calculation diagram of normal operation after storage (water level 585) and (water level 540) of heavy rain condition

(1) 傾倒體岸坡在蓄水前和蓄水后除地震工況外,其余工況沿潛在底滑面整體失穩(wěn)的可能性不大;邊坡除蓄水前的天然狀態(tài)和蓄水后的正常+暴雨短暫工況外,其余各工況下均存在局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 邊坡的主要失穩(wěn)形式為短暫及偶然工況下的局部破壞,高烈度地震工況破壞性最大。水庫蓄水初期(L=540 m)和中期(L=560 m)邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較正常蓄水位(L=585 m)運(yùn)行期大,因此庫水對邊坡的穩(wěn)定影響主要表現(xiàn)在蓄水初期—中期。

5 結(jié)論

(1) 傾倒變形邊坡巖體呈次塊狀—碎裂狀和薄層狀構(gòu)造,邊坡巖體質(zhì)量級別屬Ⅳ級差的—Ⅴ級巖體,不同深度、不同巖性傾倒體邊坡變形程度和破壞形式存在差異。硬質(zhì)巖砂巖一般表現(xiàn)為傾倒松弛破壞,泥質(zhì)巖多表現(xiàn)為彎曲破碎變形。

(2) 本工程的傾倒變形體形成機(jī)制是軟巖壓縮—擠出—傾倒—折斷、彎曲變形的結(jié)果;折斷面的進(jìn)一步發(fā)展連通最終形成潛在的底滑面。

(3) 傾倒體在不同工況下穩(wěn)定性差異較大,最危險(xiǎn)的工況是長時(shí)間暴雨期、地震工況,主要的失穩(wěn)破壞形式為局部邊坡失穩(wěn),除地震工況外發(fā)生整體滑動破壞的可能性不大,最危險(xiǎn)時(shí)段發(fā)生在水庫蓄水初期—中期,相對于蓄水前,正常蓄水后的邊坡穩(wěn)定性則變化不大。

(4) 該傾倒變形體邊坡存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),邊坡失穩(wěn)破壞對大壩及其他建筑物威脅重大,需采取必要的措施進(jìn)行處理。

[1] 吳彩虹,劉益鋒,王瑞,等.巴基斯坦瑪爾水電站防震抗震專題研究報(bào)告[R].上海:上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司,2016.

[2] 電力行業(yè)水電規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.水電水利工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察技術(shù)規(guī)程:DL/ T 5335—2006[S].北京:中國電力出版社,2006.

[3] 馬德林,楊紹平,許榮剛.某水電站庫區(qū)傾倒變形體穩(wěn)定性研究[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,34(4):599-602.

[4] 電力行業(yè)水電規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范:DL/ T 5353—2006[S].北京:中國電力出版社,2007.