西南山區(qū)高壩深庫(kù)庫(kù)水作用下覆蓋層堆積體庫(kù)岸穩(wěn)定性及處理研究

馮文新，楊國(guó)華，胡金山

(1.河南地礦職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

西南地區(qū)區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)條件復(fù)雜，伴隨著眾多高壩深庫(kù)建成，水庫(kù)蓄水引起的塌岸問題越來(lái)越突出，水庫(kù)塌岸問題成為制約高壩大庫(kù)工程能否成功的關(guān)鍵。水庫(kù)塌岸一般會(huì)引起庫(kù)岸再造，甚至?xí)T發(fā)新的崩塌和滑坡或使古滑坡復(fù)活，可能造成嚴(yán)重災(zāi)害[1]，輕者導(dǎo)致庫(kù)岸附近改線公路路基破壞，重者甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重人身傷亡事故。

本文針對(duì)西南山區(qū)型水庫(kù)特點(diǎn)，以某水電站三雕庫(kù)岸塌岸變形為例，采用適合于西南山區(qū)型河道水庫(kù)的最新塌岸預(yù)測(cè)方法，提出了塌岸范圍及寬度，進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)塌岸后岸坡變形機(jī)制進(jìn)行了分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，針對(duì)性提出應(yīng)急管控措施。根據(jù)山區(qū)型水庫(kù)塌岸會(huì)產(chǎn)生水庫(kù)堆積，基于沖堆平衡理論，利用塊石水下自然休止穩(wěn)定坡角較大特點(diǎn)，筆者首次針對(duì)高壩深庫(kù)利用開挖料提出了塊石壓腳護(hù)坡處理措施，實(shí)施后效果較好。監(jiān)測(cè)成果顯示庫(kù)岸塌岸段邊坡穩(wěn)定，確保了便道穩(wěn)定，保障了交通安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

三雕庫(kù)岸為某電站一庫(kù)段，位于大渡河干流上。該電站大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，蓄水后壅水高度約213 m，于2016年10月蓄水，2017年12月蓄至正常蓄水位1 690 m高程。該電站由于水庫(kù)壅水高，對(duì)庫(kù)岸影響較大，蓄水前對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定進(jìn)行了專題研究，對(duì)可能產(chǎn)生塌岸部采用多種方法進(jìn)行了分析及預(yù)測(cè)。蓄水過程中三雕庫(kù)岸覆蓋層邊坡發(fā)生塌岸及變形，引起路基出現(xiàn)滑塌。塌岸發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)行了地質(zhì)測(cè)繪、無(wú)人機(jī)遙感勘察、分析其變形破壞機(jī)理、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及處理措施。

1 三雕堆積體概況

三雕堆積體位于改線S211省道三雕隧道出口下游280 m處大渡河右岸，距壩址約18.3 km，改線公路從該坡體以明線形式通過。2018年10月25日，覆蓋層路基段出現(xiàn)垮塌，造成S211省道斷路，路面垮塌長(zhǎng)度約55 m，垮塌寬約45 m，厚度約15 m，垮塌方量約1.8萬(wàn)m3。堆積體寬約150 m，順坡長(zhǎng)約160 m，厚度約15 m，方量約12萬(wàn)m3。

S211改線公路(1 715 m高程)以下邊坡坡度33°～40°，垮塌后邊坡45°～50°，以上邊坡為35°～40°。覆蓋層段植被較發(fā)育；坡面沖溝發(fā)育，中部為小山脊，山脊兩側(cè)為溝槽地貌，溝槽內(nèi)為近源崩坡積塊碎石土，堆積體范圍內(nèi)局部基巖零星出露(見圖1)。岸坡崩坡積塊碎石土，厚度約25～40 m，局部具有架空結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較松散(見圖2)。

地下水主要類型有基巖裂隙水、覆蓋層孔隙水，由大氣降水補(bǔ)給，向河床或溝谷排泄。經(jīng)調(diào)查淺表基巖及該堆積體未發(fā)現(xiàn)有地下水出露，堆積體中部沖溝為干溝。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍全貌照片 圖2 岸坡內(nèi)塊碎石土照片

2 塌岸穩(wěn)定性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

S211改線公路路基座落在崩坡積塊碎石土上，路面高程約1 715 m，正常蓄水位1 690 m，極限死水位1 650 m。蓄水前，該部位地形坡度總體約為35°～40°，為崩坡積塊碎石土，地表無(wú)變形跡象，路基邊坡總體基本穩(wěn)定。蓄水后，該處壅水高度達(dá)100 m，塊碎石土在庫(kù)水浸泡及波浪沖刷作用下，不斷產(chǎn)生自下而上牽引式垮塌破壞，并隨著時(shí)間推移，下部土體不斷垮塌，最終導(dǎo)致本次路基垮塌。故本次變形屬水庫(kù)塌岸產(chǎn)生的牽引式變形。

垮塌體前緣地形坡度陡約為45°～50°，土體結(jié)構(gòu)較松散，改線公路高程以下已出現(xiàn)垮塌等變形跡象，處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性極差，在降雨、庫(kù)水位升降、震動(dòng)等不利工況下，易出現(xiàn)向后緣牽引式垮塌。由于該垮塌離大壩較遠(yuǎn)，且為前緣解體式滑塌，每次滑塌方量不大，其可能產(chǎn)生的涌浪不高，對(duì)樞紐工程及水庫(kù)運(yùn)行影響不大。由于垮塌后修建的臨時(shí)保通便道離垮塌體邊緣距離較短(約15～20 m)，該垮塌易在較短時(shí)間內(nèi)危及便道安全，需立即采取治理措施。

3 塌岸預(yù)測(cè)

目前塌岸預(yù)測(cè)方法較多，針對(duì)此河道型水庫(kù)主要有卡丘金法、兩段法及沖堆平衡法等[2]。卡丘金法適用于黃土類土層及平原地區(qū)水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)；兩段法適合峽谷型水庫(kù)，但對(duì)高壩大庫(kù)，兩段方法起算點(diǎn)偏低，誤差較大[2]。沖堆平衡法利用塌岸土體體積乘以堆存系數(shù)與堆積土體體積相等原理，根據(jù)水下穩(wěn)定坡角、淺灘堆積坡角、沖磨蝕坡角、水上穩(wěn)定坡角通過水庫(kù)特征水位(死水位、正常蓄水位)確定塌岸范圍[2]。

根據(jù)工程類比和堆積體成因及結(jié)構(gòu)等因素確定，三雕堆積體水下穩(wěn)定坡角為26°，水下沖磨蝕角為28°，水上穩(wěn)定坡角為35°，水下淺灘堆積坡角為20°。兩種方法最終預(yù)測(cè)塌岸寬度為115.0 m，改線公路也完全在塌岸線范圍內(nèi)，塌岸預(yù)測(cè)范圍見圖3。

圖3 三雕典型塌岸預(yù)測(cè)示意

4 塌岸應(yīng)急處理措施

綜上所述，三雕塌岸變形體是由于水庫(kù)蓄水導(dǎo)致三雕堆積體產(chǎn)生塌岸，并牽引上部覆蓋層變形，為牽引式變形。經(jīng)塌岸預(yù)測(cè)，原改線公路及變形后新修的保通便道均在塌岸預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。加之塌岸變形后岸坡陡竣，保通便道又離新近塌岸線較近，在庫(kù)水作用下，極易再次產(chǎn)生塌岸變形，并導(dǎo)致保通便道處坡體再次產(chǎn)生滑塌，危及通行人員安全。

塌岸應(yīng)急處置過程中，采取了加強(qiáng)巡視、監(jiān)測(cè)，臨時(shí)交通采取單向通行，控制車流量，加強(qiáng)交通管制，采取警戒措施，并設(shè)置專職安全員等應(yīng)急管控措施。

這些措施對(duì)臨時(shí)便道保通起到了一定作用。但要使便道保持較長(zhǎng)通行時(shí)間，為公路永久改線創(chuàng)造條件，必須要采取其他處理措施。

工程區(qū)有大量的開挖料，均為花崗巖或閃長(zhǎng)巖等堅(jiān)硬巖開挖料，能否利用開挖料進(jìn)行坡體壓腳并使庫(kù)岸得到保護(hù)呢？有人認(rèn)為在100 m庫(kù)深水中對(duì)變形坡體進(jìn)行壓腳，需要天文數(shù)字量的開挖料，因而該方案根本行不通，但實(shí)際并非如此。

由于山區(qū)型水庫(kù)河谷較窄，庫(kù)水流速較小，當(dāng)庫(kù)水位以下存在堆積地形時(shí)，水下以堆積為主[2]。因此塌岸段水位以下存在一定水下堆積。另根據(jù)圍堰施工中相關(guān)資料分析，塊石料在水下自然休止穩(wěn)定坡角可達(dá)35°～38°[3]，相對(duì)比較陡。筆者進(jìn)行了剖面分析，如圖3所示，最大剖面需塊石料約470 m3/m，總共不超過4萬(wàn)m3。最終決定本次應(yīng)急處理采用在塌岸變形處坡腳堆放大量工程開挖塊石料(見圖4)，一方面對(duì)坡體起壓腳保護(hù)作用，另一方面又可以使庫(kù)水波浪不直接作用于庫(kù)岸坡體。近一年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)成果顯示，塌岸庫(kù)段邊坡總體穩(wěn)定，確保了便道穩(wěn)定，保障了交通安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

圖4 三雕塌岸塊石壓腳護(hù)坡

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高壩大庫(kù)中水庫(kù)塌岸問題出現(xiàn)頻率增多的現(xiàn)象，本文以三雕庫(kù)岸塌岸導(dǎo)致改線公路路基滑塌為例，在塌岸發(fā)生后快速進(jìn)行了地質(zhì)測(cè)繪、無(wú)人機(jī)遙感勘察，工作人員及時(shí)對(duì)垮塌原因分析、塌岸預(yù)測(cè)，并進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)山區(qū)型水庫(kù)塌岸會(huì)產(chǎn)生水庫(kù)堆積，即基于沖堆平衡理論，利用塊石水下自然休止坡角較大和三雕庫(kù)岸特點(diǎn)，筆者首次針對(duì)高壩深庫(kù)利用開挖料提出了塊石壓腳護(hù)坡處理措施。實(shí)施后效果較好，可為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。