橫泉水庫左岸邊坡穩(wěn)定性分析及評價

趙 宇

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司山西太原030024）

1 工程概況

橫泉水庫位于山西省呂梁市三川河支流北川河干流上，是一座以城市生活及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用的中型水利樞紐工程。

2 水庫左岸坍岸治理段工程地質(zhì)

左岸坍岸治理段總長785.57 m，左岸坡頂為耕地及硬化道路。受庫水沖刷，局部地段坍塌嚴重。

該治理段總體走向為N50°E，蜿蜒起伏，時而凹進去，時而凸出來。現(xiàn)狀邊坡均為土質(zhì)邊坡，坡度85°～90°，邊坡高度8.4～25.8 m，且有輕微的倒坡，土質(zhì)邊坡不穩(wěn)定，部分坡段已有塌落痕跡。

左岸分布地層主要為第四系松散堆積物及人工堆積，現(xiàn)由老到新描述如下：

1）第四系中更新統(tǒng)洪沖積（Q2pal）

巖性為主要為級配不良礫夾級配不良砂層：較密實，卵礫石多呈次、圓棱角狀，成分以花崗巖、片麻巖為主，可見灰?guī)r。結(jié)構(gòu)松散，礫卵石成分主要為砂巖，多呈板狀、片狀，細粒主要為細砂及低液限粉土。該層為中等-強透水層。分布于古河道，該層勘探深度內(nèi)未見底。

2）第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）

巖性主要為低液限黏（粉）土，淺紅、淺黃色，偶含鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾級配不良砂透鏡體，出露于壩址左岸，厚度9.5～18.1 m。

3）第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）

巖性主要為黃褐色低液限粉（黏）土：結(jié)構(gòu)稍密，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙結(jié)構(gòu)，多具濕陷性。分布于左岸黃土臺地及山坡，厚度一般10.4～30 m。

4）人工堆積（Qs）

巖性主要為碎塊及碎石混合土等，主要為公路路基和公路開挖堆渣、建筑物等，厚0～3 m。

地下水類型為松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水含水層主要為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉（黏）土、級配不良礫、級配不良砂、卵石混合土等，其富水性主要受顆粒大小、級配和地層結(jié)構(gòu)等控制，一般富水性較好，但局部因含泥量增大，富水性變差。地下水主要接受大氣降水補給，自庫水上游向下游徑流排泄。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

庫區(qū)左岸邊坡坡度85°～90°，邊坡高度8.4～25.8 m，且有輕微的倒坡，土質(zhì)邊坡不穩(wěn)定，部分坡段已有塌落痕跡。若邊坡發(fā)生塌方將會侵占庫容，威脅到大壩及岸坡上建筑物安全，故需對該處土質(zhì)邊坡進行處理。邊坡主要為河流沖刷形成，局部已發(fā)生坍塌形成倒坡，左岸邊坡巖性為第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）黃褐色低液限粉（黏）土，結(jié)構(gòu)稍密，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙結(jié)構(gòu)，軟塑-可塑狀，中等壓縮性，存在濕陷及不均勻變形問題，工程地質(zhì)特性一般。邊坡坍塌形式為大面積深層滑塌。

據(jù)現(xiàn)場邊坡裸露低液限粉（黏）土層觀察描述、鉆孔標準貫入試驗、土工試驗等資料，綜合分析，低液限粉（黏）土物理力學參數(shù)地質(zhì)建議值見表1。

表1 Q3eol 低液限粉（黏）土物理力學地質(zhì)建議值表

據(jù)本次勘察，庫區(qū)鉆孔揭露地下水位深度為3.6～4.9 m，地下水由庫區(qū)向庫外滲流，故邊坡穩(wěn)定分析時需考慮地下水對岸坡影響。邊坡穩(wěn)定分析計算分自然狀態(tài)及地震狀態(tài)兩種工況計算。依左岸邊坡邊坡形態(tài)、地層巖性以及坡頂建筑物分布特征，選取邊坡典型斷面采用理正巖土計算軟件邊坡穩(wěn)定分析進行計算。

對于土質(zhì)邊坡，黏性土破壞面基本為圓弧型。為確保工程安全，采用如下方法確定潛在滑動面：

1）依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013），按下式確定邊坡塌滑區(qū)范圍，即邊坡坡頂塌滑區(qū)外緣至坡底邊緣的水平投影距離。

式中：L——邊坡坡頂塌滑區(qū)外緣至坡底邊緣的水平投影距離，m；

H——邊坡高度，m；

θ——坡頂無荷載時邊坡的破裂角（°）；對直立土質(zhì)邊坡可取45°+φ/2，φ 為土體的內(nèi)摩擦角；對斜面土質(zhì)邊坡，可?。é?φ）/2，β 為坡面與水平面的夾角，φ為土體的內(nèi)摩擦角。

選取剖面編號為2-2’、4-4’、6-6’、8-8’等4 條典型斷面進行計算（表2、表3），其中低液限粉（黏）土內(nèi)摩擦角φ 取18.6°。

2）以邊坡坡頂塌滑區(qū)外緣點及坡腳為兩控制點，假定邊坡潛在滑動面為圓弧形滑面，進行邊坡穩(wěn)定計算分析。

表2 典型斷面滑塌區(qū)范圍計算統(tǒng)計表

采用簡化畢肖普法計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，假定條塊間只有水平作用力，而不存在切向力。計算公式如下：

式中：Fs——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

ci——第i 條塊底面的有效凝聚力，kPa；

φi——第i 條塊底面的內(nèi)摩擦角，（°）；

Wi——第i 條塊重量，kN；

bi——第i 條塊寬度，m；

θi——第i 條塊滑面傾角（°）滑面傾向與滑面方向相同時取正值，相反時取負值；

表3 抗滑穩(wěn)定天然工況安全系數(shù)計算結(jié)果表

抗滑穩(wěn)定天然工況安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。

依據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386-2007），水工建筑物等級為3 級，邊坡發(fā)生破壞對水工建筑物破壞嚴重，邊坡級別為3 級。天然工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于1.15。由此可判定，左岸邊坡在天然狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時可能發(fā)生坍塌、滑坡。建議對邊坡進行放坡、錨桿支護處理，增設排水措施，并加強觀測。

4 邊坡工程地質(zhì)問題及評價

該段坍岸可采用混凝土擋土墻。擋土墻基礎持力層為第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）低液限粉（黏）土，軟塑-可塑狀，中等壓縮性，存在濕陷及不均勻變形問題，不宜直接作為基礎持力層。建議對地基采用水泥攪拌樁處理。也可采用格賓石籠。格賓石籠基礎擋土墻基礎持力層為第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）低液限粉（黏）土，軟塑-可塑狀，中等壓縮性，存在濕陷及不均勻變形問題，不宜直接作為基礎持力層。建議對地基采用干插片石處理，提高地基承載力，消除地基不均勻變形。

建議開挖邊坡：水上1∶1～1∶1.5，水下1∶1.5～1∶2，必要時采取支護措施。地基承載力建議值：Q3eol低液限粉（黏）土70～90 kPa，Q2pl低液限粘（粉）土100～120 kPa，Q2pal級配不良礫夾級配不良砂層200～250 kPa。極限側(cè)阻力標準值：Q3eol低液限粉（黏）土50～60 kPa，Q2pl低液限黏（粉）土60～80 kPa，Q2pal級配不良礫夾級配不良砂層100～120 kPa。極限端阻力標準值：Q2pl低液限黏土300～450 kPa，Q2pal級配不良礫夾級配不良砂層1 500～2 500 kPa。

建議對左岸岸坡進行護坡，可采用擋土墻護坡，部分凹岸段，庫水對岸坡易產(chǎn)生沖刷和淘蝕作用，影響岸坡土體穩(wěn)定，建議采用鋼筋混凝土護坡，或采用鉛絲籠防護，并采取丁壩、順壩等控導工程改變水勢及流向，減弱庫水沖刷。另外，處理邊坡時應做好相應的防水、排水措施。

5 結(jié)論及建議

1）工程區(qū)處于蘆芽山赤堅嶺掀斜背斜南端，區(qū)內(nèi)大于等于5 級（ML）的強震發(fā)生極少，區(qū)域穩(wěn)定性良好。工程區(qū)地震動峰值加速度值為0.05 g，反應譜特征周期值為0.45 s，地震基本烈度為Ⅵ度。

2）左岸岸坡局部坡度較陡，且有輕微的倒坡，土質(zhì)邊坡不穩(wěn)定，若邊坡發(fā)生塌方將會侵占庫容，威脅到大壩及岸坡上建筑物安全，故需對該處土質(zhì)邊坡進行處理。

3）建議施工過程中加強觀測，并增設排水措施。