水庫(kù)岸坡開(kāi)挖蠕變體形成機(jī)制與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

唐運(yùn)剛

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

永不落水庫(kù)位于西盟縣中課鎮(zhèn)庫(kù)杏河上游段永古河支流溝口處,地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°32′18″～99°39′58″,北緯22°50′46″～22°56′00″。

正常蓄水位1 071.5 m,總庫(kù)容1 488.3萬(wàn)m3,最大壩高約86.2 m,壩頂長(zhǎng)258.72 m,壩頂高程1 076.2 m;水庫(kù)主要為集鎮(zhèn)供水、農(nóng)村人畜飲用供水、農(nóng)業(yè)灌溉供水。

1.2 基本地質(zhì)條件

工程區(qū)位于瀾滄—耿馬地震構(gòu)造帶,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性屬差級(jí)。地震動(dòng)峰值加速度為0.40g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅸ度。

壩址河床屬于構(gòu)造侵蝕淺切割低山及河流堆積地貌,地形完整性差。壩址區(qū)河道較順直,河谷呈開(kāi)闊的“U”字形。右岸壩頂以下自然坡度約33°,壩頂以上自然坡度約21°。心墻壩基開(kāi)挖坡比1∶1.52,壩頂開(kāi)挖坡比1∶4.07。

右岸山頂及岸坡上覆第四系殘坡積、崩坡積層及坍滑體紫紅色砂質(zhì)粘土、碎石土,厚3.5～5.0 m,局部厚度8～10 m;河床上覆第四系沖洪積及一級(jí)階地灰褐色砂卵礫石、夾孤塊石層,厚4.5～5.0 m,結(jié)構(gòu)松散。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)花開(kāi)左組(J2h)紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、長(zhǎng)石砂巖。

壩址區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂穿插,地層傾向下游偏左岸,總體屬單斜構(gòu)造[1]。

2 蠕變體變形特征、影響因素及形成機(jī)制

2.1 蠕變體基本概況

2014年11月29日,永不落水庫(kù)壩址右岸壩基開(kāi)挖過(guò)程中壩基岸坡山體發(fā)生了蠕變,造成右岸岸坡后緣坡面多處拉裂,前緣近河床段局部造成了剪切凸起破壞,蠕變體邊沿裂縫呈現(xiàn)圈椅狀展布。蠕變發(fā)生后,在坡面布置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行24小時(shí)全天監(jiān)測(cè)[2]。

2.2 平面形態(tài)特征及規(guī)模

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及施工方測(cè)量放線,蠕變體的平面形態(tài)呈圈椅狀,其后緣拉張裂縫最高點(diǎn)高程約1 130 m,前緣剪切凸起點(diǎn)最低高程約995 m,后緣拉張裂縫與前緣剪切凸起點(diǎn)最大高差約135 m。地表最大縱長(zhǎng)約268 m,中部寬約200 m,后緣寬約80 m,前緣寬度約240 m,水平投影面積約5.2萬(wàn)m2。蠕變體前緣厚度10～15 m,中部最大厚度約20 m,后緣厚度8～10 m,平均厚度約16.8 m,體積約60萬(wàn)～70萬(wàn)m3。平面形態(tài)見(jiàn)圖1、圖2[3-4]。

2.3 變形特征

壩址右岸斜坡蠕動(dòng)變形始于2014年11月29日,據(jù)斜坡坡面14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,至12月8日仍持續(xù)發(fā)展。主要表現(xiàn)為斜坡上地面開(kāi)裂,心墻壩基前緣局部受剪鼓脹凸起,凸起約5～10 cm。兩側(cè)及后緣形成圈椅弧形狀邊界裂縫1條,該條裂縫基本與蠕變體平面邊界一致,長(zhǎng)約650 m,基本勾繪出了蠕變體的平面形態(tài),該裂縫后緣寬度25～35 cm,裂縫上、下在垂直向上已形成了20～30 cm的錯(cuò)動(dòng);壩頂以上后緣開(kāi)挖平臺(tái)(擬建管理所房屋場(chǎng)地)部位形成了數(shù)條相對(duì)較集中羽狀拉張裂縫,目前裂縫垂直貫通深度6～7 m。

圖1 蠕變體平面形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plane shape of creep body

圖2 蠕變體變形邊界示意照片F(xiàn)ig.2 Photo of deformable boundary of creep body

2.4 蠕變體影響因素

(1) 地形地貌條件因素:壩址河床屬于構(gòu)造侵蝕淺切割低山及河流堆積地貌,地形完整性差?？v向地形呈上緩下陡的趨勢(shì),壩頂高程以下地形坡度約33°,壩頂高程以上地形坡度約21°,蠕變體表面平均坡角約25°,其縱向形態(tài)為凸形,橫向上地形起伏較大,呈中部稍凸兩側(cè)較凹的環(huán)形趨勢(shì),總體地形具備良好的臨空條件。

(2) 地層巖性因素:山體巖體巖性為碎屑巖紅層,蠕變體內(nèi)以薄—中層狀泥質(zhì)粉砂巖夾中層狀砂巖、長(zhǎng)石砂巖為主,蠕變體巖體多呈強(qiáng)風(fēng)化,強(qiáng)風(fēng)化平均深度約13～15 m,巖體結(jié)構(gòu)呈碎裂鑲嵌的層狀結(jié)構(gòu);總體巖質(zhì)軟,屬軟巖。

據(jù)前期鉆孔壓水試驗(yàn)成果分析,蠕變體巖(土)體滲透系數(shù)較大,在強(qiáng)大氣降水作用下地表水易下滲軟化巖體,潛勢(shì)滑動(dòng)面內(nèi)巖體多呈強(qiáng)風(fēng)化,其自身力學(xué)指標(biāo)較差。由此可知,地層巖性因素為蠕變形成提供了的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(3) 地質(zhì)構(gòu)造因素:蠕變體所在斜坡為順向坡,上部殘坡積厚度較薄,厚約3.5～5 m。蠕變體中央壩肩部位巖體產(chǎn)狀20°∠36°,河床壩軸線坡腳產(chǎn)狀20°∠22°,總體為順向坡,與主滑方向(N5°E)成較小銳角。地形坡度與巖層傾角相差較小,尤其坡腳巖層傾角與坡角基本一致。由此可見(jiàn),層面為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,為蠕變提供了有利的力學(xué)機(jī)制條件。

(4) 大氣降雨因素:區(qū)內(nèi)降水形式主要為降雨,雨量充沛、夏雨集中、多暴雨,且近年來(lái)降雨頻率增大,且降雨強(qiáng)度也較往年增大,暴雨入滲使巖體含水量劇增,重度增加,雨季地表水短期的賦存會(huì)產(chǎn)生一定的靜水壓力,在巖體強(qiáng)透水帶會(huì)形成地下水滲流面,產(chǎn)生瞬間的動(dòng)水壓力,暴雨入滲降低了巖體的力學(xué)指標(biāo)。因此,暴雨的作用增大了下滑力,同時(shí)會(huì)降低了山體的抗滑能力,使坡體穩(wěn)定性變差。大范圍的強(qiáng)降雨是影響山體穩(wěn)定的主要自然因素。

(5) 壩基開(kāi)挖因素:壩基開(kāi)挖尤其心墻的開(kāi)挖,開(kāi)挖成坡過(guò)程中斜坡巖體向開(kāi)挖臨空方向卸荷回彈,使原有結(jié)構(gòu)面尤其順坡向?qū)用嫠沙?同時(shí)又可在集中應(yīng)力和剩余應(yīng)力的作用下,產(chǎn)生一系列新的表層結(jié)構(gòu)面(后緣及坡體的地表拉裂縫)或改造一些原有結(jié)構(gòu)面(坡腳的剪切鼓脹凸起點(diǎn))。即壩基的開(kāi)挖導(dǎo)致了巖體向斜坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變,其后緣發(fā)育自坡面向深部發(fā)展的拉張裂縫。

2.5 蠕變體演化形成機(jī)制及防治的必要性分析

綜上主要影響因素分析,地形地貌條件為蠕變體變形提供了初步的臨空地形條件;地層巖性因素為蠕變形成提供了的物質(zhì)基礎(chǔ);層面為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,為蠕變提供了有利的力學(xué)機(jī)制條件;強(qiáng)降雨是影響山體穩(wěn)定的主要自然因素;壩基的開(kāi)挖后,后緣形成了拉張裂縫,后緣邊界裂縫已有垂直錯(cuò)動(dòng)跡象,坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變,是斜坡蠕變變形的誘發(fā)因素。

目前,蠕變體處于蠕滑—拉裂階段,表現(xiàn)為后緣拉裂,拉裂縫在坡面上呈羽狀展布;前緣局部剪切鼓脹凸起。隨著蠕變剪切進(jìn)一步發(fā)展,中部剪應(yīng)力集中部位可能被擾動(dòng)擴(kuò)容,使斜坡下半部分逐漸鼓脹隆起;隨著蠕變變形體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),后緣邊界裂縫進(jìn)一步明顯下沉,拉裂面可能由目前的拉張轉(zhuǎn)為漸趨閉合,一旦潛勢(shì)剪切面被剪斷貫通,可能發(fā)展為中層滑坡。因此,在此蠕變期間及時(shí)采取工程處理措施防治滑坡的發(fā)生是十分必要的。

3 蠕變體穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

此次穩(wěn)定性分析方法:采用目前清基后的蠕變體典型剖面進(jìn)行抗剪參數(shù)反演分析,結(jié)合前期勘察階段資料綜合確定穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù),然后利用所確定的參數(shù)對(duì)清基前原始地形剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià),以此來(lái)驗(yàn)證所提出的參數(shù)的可靠性,為后期防治設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

3.1 計(jì)算剖面的選取及滑動(dòng)面的確定

圖3 蠕變體坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向及變形主方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of displacement direction and main direction ofdeformation of slope monitoring points

通過(guò)綜合分析確認(rèn),蠕變體變形主方向?yàn)镹5°E(見(jiàn)圖3)。根據(jù)實(shí)地踏勘結(jié)合山體變形主方向綜合確定主剖面。壩址區(qū)右岸清基后蠕變體參數(shù)反演分析采用的典型剖面為Ⅱ-Ⅱ′計(jì)算剖面,原始地形穩(wěn)定性分析計(jì)算剖面為相同位置的Ⅲ-Ⅲ′計(jì)算剖面。由于蠕變體后緣已出現(xiàn)較為明顯的拉張裂縫,前緣位于清基后齒槽下部局部巖體發(fā)生剪切鼓狀凸起,結(jié)合前期勘察階段鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)資料及平硐編錄資料綜合分析,確定潛勢(shì)滑動(dòng)面,其具體計(jì)算剖面見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 右岸清基后蠕變體參數(shù)反演分析Ⅱ-Ⅱ′計(jì)算剖面圖Fig.4 Inversion analysis of creep parameters of the right bank after clearingthe foundation Ⅱ-Ⅱ′ calculation profile

圖5 右岸原始地形穩(wěn)定性分析Ⅲ-Ⅲ′計(jì)算剖面圖Fig.5 Stability analysis of the original topography onthe right bank Ⅲ-Ⅲ′ calculation section

3.2 計(jì)算工況及荷載組合

3.2.1 計(jì)算工況

根據(jù)踏勘情況,目前右岸山體天然狀況下已處于整體變形狀態(tài),變形體周?chē)芽p呈現(xiàn)圈椅狀,且裂縫具有一定的寬度,考慮到降雨對(duì)蠕變體的穩(wěn)定性影響較大,更會(huì)加劇其變形,故本次參數(shù)反演分析及穩(wěn)定性分析只考慮一種計(jì)算工況:天然狀況(蠕變體自重)。

3.2.2 荷載組合

自重:整個(gè)蠕變體上基本無(wú)建筑物。因此,參數(shù)反演分析過(guò)程中考慮蠕變體無(wú)集中荷載,基本荷載主要為潛勢(shì)滑面上蠕變體的自重。變形體重度計(jì)算中,對(duì)于地下水位面以上的變形體取天然重度,地下水位面以下的變形體取浮重度,對(duì)于原始地形坡面穩(wěn)定性分析只考慮潛勢(shì)滑動(dòng)面上巖土體自重。

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算方法及計(jì)算公式

壩址區(qū)右岸蠕變體潛勢(shì)滑動(dòng)面呈折線型,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)第5.2.8條當(dāng)滑動(dòng)面為折線形時(shí),可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),其穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如下(考慮動(dòng)水壓力,不考慮地震力的作用)[5]:

Ri=[Wicosαi+Disin(βi-αi)]tanφi+cili(i=1,,n)

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1(j=i)

式中:Fs為穩(wěn)定系數(shù);Ri為作用于第i塊段的抗滑力(kN/m);Ti為作用于第i塊段潛勢(shì)滑面上的滑動(dòng)分力(kN/m);Rn為作用于第n塊段的抗滑力(kN/m);Tn為作用于第n塊潛勢(shì)滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力(kN/m);Di為作用于第i塊的動(dòng)水壓力(kN/m);Wi為第i條塊自重標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)附加荷載之和(kN/m);Ci為第i條塊潛勢(shì)滑面粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);φi為第i條塊潛勢(shì)滑面內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°);ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i時(shí))。

其中滑體內(nèi)滲透壓力計(jì)算公式如下:

Di=γihiLicosαisinβi

式中:γi為水的重度,取10 kN/m3;hi為第i條塊地下水位(m);Li為第i條塊潛勢(shì)滑面長(zhǎng)度(m);αi為第i條塊潛勢(shì)滑面傾角(°);βi為第i條塊地下水流向。

3.4 計(jì)算參數(shù)的確定及參數(shù)建議取值

3.4.1 前期勘察參數(shù)建議值

前期勘察階段對(duì)巖體物理力學(xué)指標(biāo)提出了建議值(見(jiàn)表1),因建議值取值范圍較大,造成對(duì)原始地形坡面穩(wěn)定性分析結(jié)果的不確定性。針對(duì)該蠕變體目前的變形破壞現(xiàn)象以及其所處狀態(tài)分析,對(duì)蠕變體進(jìn)行反演分析是具備條件,同時(shí)也是符合實(shí)際的。為此,本次原始地形坡面穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)采用前期勘察成果與蠕變體參數(shù)反演相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合確定。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值Table 1 Recommended values of physical and mechanical indexes of rock mass

3.4.2 潛勢(shì)滑面巖土體參數(shù)反演

壩址區(qū)右岸山體目前處于整體變形狀態(tài),坡面裂縫呈圈椅狀展布,變形體后緣出現(xiàn)拉張裂縫,兩側(cè)出現(xiàn)羽狀裂縫,前緣坡腳局部鼓狀凸起。本次潛勢(shì)滑面參數(shù)反演分析選用蠕變體主滑方向Ⅱ-Ⅱ′剖面為實(shí)體模型,枯雨季節(jié)巖體處于整體強(qiáng)變形狀態(tài),根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)第5.2.7條,對(duì)處于整體變形—滑動(dòng)狀態(tài)的滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.95～1.00。反演分析采用不平衡推力法(傳遞系數(shù)法),其計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

根據(jù)參數(shù)反演的結(jié)果所作的FOS-Φ,FOS-C,Φ-C相關(guān)曲線圖。由圖6-圖8可知,FOS-C關(guān)系曲線中直線族傾角為0.539°,FOS-Φ關(guān)系曲線中直線族傾角為2.605°,表明穩(wěn)定性系數(shù)FOS對(duì)內(nèi)摩擦角Φ的反應(yīng)比對(duì)內(nèi)聚力C的反應(yīng)要略靈敏些。反演工況下的穩(wěn)定性系數(shù)取0.95時(shí),C=5 kPa,Φ= 21.655°;C=6 kPa,Φ=21.448°;C=7 kPa,Φ=21.237°;C=8 kPa,Φ=21.031°;C=9 kPa,Φ=20.831°;C=10 kPa,Φ=20.618°;C=11 kPa,Φ=20.414°;C=12 kPa,Φ=20.200°;C=13 kPa,Φ=19.998°;C=14 kPa,Φ=19.787°;C=15 kPa,Φ=19.580°。根據(jù)參數(shù)反演成果推薦的潛勢(shì)滑動(dòng)面巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)范圍C=13～15 kPa,Φ=19.5°～20°。

圖6 參數(shù)反演FOS-Φ關(guān)系曲線圖Fig.6 Parameter inversion FOS-Φ relation curve

圖7 參數(shù)反演FOS-C關(guān)系曲線圖Fig.7 Parameter inversion FOS-C relation curve

圖8 參數(shù)反演Φ-C關(guān)系曲線圖Fig.8 Parameter inversion Φ-C relation curve

3.4.3 建議參數(shù)的確定

根據(jù)上述參數(shù),結(jié)合初設(shè)階段參數(shù)取值,本次計(jì)算潛勢(shì)滑動(dòng)面巖土體抗剪強(qiáng)度取值根據(jù)各值所占的權(quán)重綜合確定(表3)。

表3 潛勢(shì)滑帶巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)權(quán)重及取值Table 3 Weight and value of shear strength parameters of rock massin potential sliding zone

3.5 原始地形坡面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

利用前述建立的蠕變體Ⅱ-Ⅱ′典型剖面,在相同位置建立Ⅲ-Ⅲ′原始地形計(jì)算剖面模型、計(jì)算工況以及確定穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù),利用傳遞系數(shù)法(不平衡推力法)計(jì)算Ⅲ-Ⅲ′計(jì)算剖面的穩(wěn)定性系數(shù)(表4)。

根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》9.4.6條中穩(wěn)定狀態(tài)劃分規(guī)定1.05≤FOS=1.09<1.15,所以原始地形邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),與實(shí)際情況基本相符。

表4 原始地形坡面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of slope stability of original terrain

4 蠕變體防治工程措施地質(zhì)建議

(1) 在壩頂以上一定范圍內(nèi)建議進(jìn)行適量的削方減載,改變后緣邊坡的幾何形態(tài),以減小后緣的下滑力,改善蠕變體的穩(wěn)定性。

(2) 工程區(qū)雨季周期時(shí)間較長(zhǎng),降雨量充沛,蠕變體邊界及坡面需采取系統(tǒng)排水工程措施,以防止雨季大量地表水下滲降低巖體的力學(xué)指標(biāo)。

(3) 蠕變體需采取一定的支擋結(jié)構(gòu)措施。蠕變體中軸線較長(zhǎng),結(jié)合壩址區(qū)水工建筑物布置情況建議采取分段支擋。即在蠕變體中部壩頂高程附近采取適宜的抗滑支擋結(jié)構(gòu)措施,以提高蠕變體中上部壩頂以上部分的抗滑穩(wěn)定性;壩腳宜采取一定的抗滑支擋結(jié)構(gòu)工程措施,提高蠕變體下部壩基范圍內(nèi)的抗滑穩(wěn)定性。

(4) 壩基心墻齒槽部位坡段建議采取系統(tǒng)錨固措施和固結(jié)措施,錨固端應(yīng)深入潛勢(shì)滑動(dòng)面以下10 m,以提高蠕變巖體強(qiáng)度,增強(qiáng)巖體的抗變形能力。

(5) 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作:監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)針對(duì)形態(tài)特征明顯、變形密集的地段布設(shè),并能形成點(diǎn)、線、面、體的三維立體監(jiān)測(cè)網(wǎng),包括地表位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等[6-8]。

5 結(jié)論

本文針對(duì)水庫(kù)大壩開(kāi)挖邊坡出現(xiàn)的蠕動(dòng)變形體,對(duì)蠕變體的變形特征、影響因素、演化形成機(jī)制等進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)清基后蠕變體參數(shù)反演分析的穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)合前期勘察階段資料,綜合確定穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù),然后利用所確定的參數(shù)對(duì)清基前原始地形剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià),以此來(lái)驗(yàn)證所提出參數(shù)的可靠性,為后期防治設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

通過(guò)綜合分析,建議對(duì)蠕變體采取坡面系統(tǒng)排水措施、支擋結(jié)構(gòu)措施、壩基心墻齒槽部位系統(tǒng)錨固措施和固結(jié)措施等綜合防治措施。同時(shí),還應(yīng)加強(qiáng)地表位移監(jiān)測(cè),建議采取地表及深部位移綜合監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)措施。