孟底溝水電站壩前左岸堆積體穩(wěn)定性分析

王宇航， 梅稚平， 劉思丁

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 概 況

孟底溝水電站壩前左岸堆積體位于雅礱江中游左岸一級支流孟底溝溝口附近，該堆積體規(guī)模大，緊鄰大壩與電站進(jìn)水口等水工建筑物，其穩(wěn)定性將直接影響到大壩、進(jìn)水口等建筑物的安全。因此，準(zhǔn)確、可靠地分析可能的破壞方式與評價(jià)堆積體的穩(wěn)定性，預(yù)測施工期和未來水庫運(yùn)行期穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，具有重要的意義，同時(shí)也為水工樞紐布置、施工場地選址提供地質(zhì)依據(jù)。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

堆積體地形完整性差，被多條沖溝切割，其中規(guī)模較大的有6條，有3條沖溝部分或全部切穿堆積體底界(見圖1)。前緣高程約2 160 m，后緣高程約2 930 m，前緣最寬處寬約750 m，縱向長約1 400 m，坡體剖面形態(tài)總體呈“陡-緩-陡”形態(tài)，后緣以外基巖斜坡坡度約35°～45°，向下在堆積體中后部相對寬緩，坡度約10°～20°，前緣坡度約30°～45°。再向下，堆積體前緣以外至孟底溝谷底是高約40～60 m的近直立基巖陡崖。

堆積體主要由冰磧堆積的塊碎礫石土(Q3gl)組成，厚60～70 m，結(jié)構(gòu)較緊密，表層分布厚約10～20 m崩坡積塊碎石土(Q4col+dl)，結(jié)構(gòu)松散。下伏基巖為燕山早期中粒花崗閃長巖(γδ52)。

堆積體附近的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷、崩塌及泥石流等。堆積體附近無區(qū)域性斷裂通過，構(gòu)造主要表現(xiàn)為小規(guī)模斷層及擠壓破碎帶。

3 堆積體結(jié)構(gòu)特征

堆積體分布于2 200～2 950 m高程范圍內(nèi)，據(jù)勘探揭示，最大垂直厚度約60 m，方量約1 500萬m3。堆積體顆分試驗(yàn)成果見表1。

該堆積體在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：

(1)巨顆粒、粗顆粒物質(zhì)之間大多表現(xiàn)出較好的相互“咬合”“嵌合”特點(diǎn)，未見明顯的架空現(xiàn)象。這種“咬合”或“嵌合”作用的存在，使得堆積體顆粒之間表現(xiàn)出較強(qiáng)的連接作用。

(2)除前緣基覆界限部位外，堆積體內(nèi)細(xì)顆粒物質(zhì)含量較低，除局部富集外，大多分散填充于粗顆粒、巨顆粒物質(zhì)之間，因而在長期的固結(jié)作用下，常常與粗顆粒、巨顆粒物質(zhì)一起構(gòu)成了堆積體特殊的緊密結(jié)構(gòu)特征，并且充填于粗顆粒、巨顆粒之間的細(xì)顆粒具有“黏結(jié)”作用，在長期固結(jié)壓力作用下使得巨顆粒、粗顆粒之間常常形成較好的膠結(jié)連接。

表1 堆積體顆粒分析試驗(yàn)成果

4 變形失穩(wěn)方式

堆積體除了被幾條地表水流切割的沖溝以外，整個(gè)堆積體上未見已有變形破壞跡象，說明該堆積體在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但在暴雨或地震作用下，堆積體有發(fā)生失穩(wěn)的可能性，變形破壞模式有下面兩種。

(1)沿基覆界面整體滑移失穩(wěn)。由于堆積體基覆界面相對較陡，基覆界面為堆積體中相對軟弱帶，在暴雨或地震作用下有可能沿基覆界面產(chǎn)生整體滑動，如圖2、3所示。

圖2 1-1堆積體結(jié)構(gòu)及滑移模式示意

圖3 2-2堆積體結(jié)構(gòu)及滑移模式示意

(2)堆積體內(nèi)部滑移失穩(wěn)。如果堆積體在暴雨或地震作用下，整體穩(wěn)定性較好，不能沿基覆界線滑動，而前緣局部地形較陡，前緣局部土體有可能產(chǎn)生圓弧形滑動，如圖2、3所示。

5 穩(wěn)定性分析

5.1 計(jì)算剖面及滑面選取

為更為準(zhǔn)確地對堆積體的穩(wěn)定性狀況作出合理評價(jià)，分別選取1-1剖面、2-2剖面作為利用極限平衡理論評價(jià)堆積體穩(wěn)定性分析的代表性剖面。

5.2 物理力學(xué)參數(shù)取值

堆積體為含漂礫的粗顆粒土，顆粒之間嵌合緊密，有一定的膠結(jié)作用，尚未進(jìn)行現(xiàn)場原位大剪試驗(yàn)，室內(nèi)大剪和大三軸試驗(yàn)采用重塑土，并且剔除了粒徑大于6 cm的碎石，室內(nèi)物試驗(yàn)值較實(shí)際值偏低。因此，在穩(wěn)定性計(jì)算中，堆積體的參數(shù)取值主要以室內(nèi)試驗(yàn)值的峰值強(qiáng)度為基礎(chǔ)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類比以及相關(guān)研究成果進(jìn)行綜合選取，見表2。

表2 堆積體物理力學(xué)參數(shù)取值

5.3 穩(wěn)定性計(jì)算方法及工況

本次穩(wěn)定性計(jì)算采用通用巖土體軟件GEOSLOPE，計(jì)算方法采用常用的瑞典條分法如Bishop法、Janbu法和M-P法進(jìn)行，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

根據(jù)堆積體在電站建設(shè)期間可能面臨的情況(暫不考慮蓄水后)，考慮以下三種工況。

工況1(持久工況)：天然狀態(tài)，該工況考慮的荷載主要有巖土體自重。

工況2(短暫工況)：自重+暴雨，該工況除考慮工況1的荷載外還包括因降雨引起的巖土體強(qiáng)度降低，暴雨工況中考慮冰磧堆積體底部3 m厚度飽水。

工況3(偶然工況)：自重+地震，該工況除考慮工況1的荷載外，還包括地震引起的水平推力。

計(jì)算過程中水平地震力按公式(1)計(jì)算：

Q=CiCzKhW

(1)

式中：Ci為重要性系數(shù)，對于該堆積體而言，取1.7；Cz為綜合影響系數(shù)，取0.25；Kh為地震峰值加速度，孟底溝水電站的Ⅶ度地震取值為0.164 g(g為重力加速度，9.8 m2/s)；W為滑塊重力。

5.4 邊坡等級及安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5353-2006)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊坡類別和級別劃分(見表3)，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)見表4。

表3 水利水電工程邊坡類別和級別劃分

表4 水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

5.5 穩(wěn)定性計(jì)算成果及評價(jià)

根據(jù)計(jì)算，各計(jì)算剖面在各工況條件下整體最危險(xiǎn)破壞面特征如圖4、5所示，堆積體在各工況條件下的穩(wěn)定性狀況如表5、6所示。

從穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：在各計(jì)算工況下，堆積體沿基覆及內(nèi)部界面滑動的穩(wěn)定性系數(shù)在1.075～1.418之間，2-2剖面在暴雨工況和Ⅶ度地震工況下，穩(wěn)定性偏低；局部穩(wěn)定性持續(xù)暴雨條件下，2-2剖面結(jié)果在1.02～1.04之間，安全儲備偏低；工況3條件下2-2剖面計(jì)算結(jié)果在0.955～0.979，穩(wěn)定性較差。

表5 堆積體整體(滑面1)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算成果

表6 堆積體局部(滑面2)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算成果

圖4 1-1剖面整體穩(wěn)定性示意

圖5 2-2剖面整體穩(wěn)定性示意

6 結(jié) 論

(1)堆積體主要由冰磧堆積的塊碎礫石土(Q3gl)組成，表層為崩坡積塊碎石土(Q4col+dl)，基巖為燕山早期中?；◢忛W長巖(γδ52)。

(2)堆積體內(nèi)細(xì)顆粒物質(zhì)含量較低，除局部富集外，大多分散填充于粗顆粒、巨顆粒物質(zhì)之間，未見明顯架空現(xiàn)象。

(3)堆積體變形破壞模式分為沿基覆界面整體滑移失穩(wěn)和堆積體內(nèi)部滑移失穩(wěn)兩種。

(4)穩(wěn)定性評價(jià)如下：

①天然條件下堆積體整體穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)大于1.08。

②若遭遇持續(xù)暴雨，堆積體1-1剖面的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.2，穩(wěn)定性好。堆積體2-2剖面整體穩(wěn)定性系數(shù)在1.09～1.14之間，穩(wěn)定性好；局部穩(wěn)定性在1.08～1.09之間，不穩(wěn)定。

③考慮Ⅶ度地震烈度，堆積體2-2剖面整體穩(wěn)定性系數(shù)1.08～1.13之間，穩(wěn)定性好；局部穩(wěn)定性系數(shù)在0.95～0.98之間，不穩(wěn)定，需進(jìn)行工程處理。