鯨魚(yú)溝水庫(kù)蓄水對(duì)泥巖-黃土岸坡穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

曹 博，魯 博，于前偉，葛書(shū)磊，秦二樂(lè)，李同錄，李 萍

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)壞境教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 正寧 745339；3. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

水庫(kù)蓄水會(huì)導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡巖土體強(qiáng)度降低，誘發(fā)滑坡和塌岸，造成直接破壞和淤積、涌浪等工程問(wèn)題[1-3]。水庫(kù)在蓄水過(guò)程中，庫(kù)水位的升降使得水庫(kù)岸坡的水文地質(zhì)條件發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，臨水斜坡穩(wěn)定性也隨之改變，一旦低于邊坡的臨界狀態(tài)，則會(huì)發(fā)生失穩(wěn)[4-6]。水的浸沒(méi)產(chǎn)生的浮托力是庫(kù)區(qū)岸坡變形、失穩(wěn)的主要因素；同時(shí)庫(kù)水位的升降在斜坡內(nèi)形成水力梯度，產(chǎn)生的滲透力使邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化[7-8]。一些學(xué)者利用強(qiáng)度折減法分析了水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，認(rèn)為邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著庫(kù)水位的增加有先變小后增大的趨勢(shì)，并不是水位越高，邊坡穩(wěn)定性越差[9-10]。鄭穎人等[11-16]分析認(rèn)為邊坡最危險(xiǎn)的水位大約位于坡體1/3～1/4處，表明在涉水邊坡穩(wěn)定分析中有一定的危險(xiǎn)水位。對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自2003年三峽水庫(kù)蓄水開(kāi)始，許多涉水滑坡一直在變形，至今還未停止變形，可見(jiàn)水庫(kù)蓄水對(duì)邊坡具有長(zhǎng)期惡化效應(yīng)[17]。因此研究涉水水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性對(duì)水庫(kù)工程具有重要的實(shí)際意義。

目前，對(duì)于涉水庫(kù)區(qū)邊坡研究大多以三峽巖質(zhì)水庫(kù)邊坡(滑坡)為主要研究對(duì)象，黃土地區(qū)的水庫(kù)邊坡研究較少[18-21]。我國(guó)在黃土地區(qū)修建了較多類型的水庫(kù)，蓄水水位的上升對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性會(huì)造成嚴(yán)重影響，出現(xiàn)滑坡、塌岸等問(wèn)題[22-26]。水庫(kù)作為區(qū)域性工程，涉水邊坡的類型較多，但對(duì)黃土地區(qū)的水庫(kù)邊坡僅有個(gè)案研究，缺乏系統(tǒng)性、區(qū)域性的整體研究，因此針對(duì)性的研究只能解決個(gè)案問(wèn)題，著實(shí)難以解決水庫(kù)區(qū)域產(chǎn)生的問(wèn)題[27-28]。因此，依據(jù)水庫(kù)區(qū)的邊坡演化、地層結(jié)構(gòu)、庫(kù)水位與地層的關(guān)系等因素，對(duì)一個(gè)水庫(kù)的邊坡進(jìn)行分類，按邊坡類型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，是非常有必要的。

本文以新建陜西省引漢濟(jì)渭二期工程為基礎(chǔ)，其水庫(kù)建設(shè)加高了鯨魚(yú)溝內(nèi)原有水庫(kù)的壩高，增大了原水庫(kù)的庫(kù)容量，導(dǎo)致第三系砂泥巖上披覆的黃土?xí)谎蜎](méi)，易于誘發(fā)滑坡，對(duì)水庫(kù)造成一定危害。新建水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響，是二期工程特別關(guān)注的地質(zhì)問(wèn)題。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對(duì)鯨魚(yú)溝的地層結(jié)構(gòu)和邊坡演化情況，對(duì)引漢濟(jì)渭鯨魚(yú)溝調(diào)蓄工程51個(gè)邊坡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分類，建立起邊坡工程地質(zhì)模型，計(jì)算了水庫(kù)蓄水過(guò)程中不同類型邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，預(yù)測(cè)了不利水位下危險(xiǎn)岸坡類型的滑移方量，對(duì)該水庫(kù)工程的前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)營(yíng)管理具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

1 鯨魚(yú)溝水庫(kù)工程地質(zhì)條件

1.1 水庫(kù)區(qū)地質(zhì)特征

鯨魚(yú)溝水庫(kù)位于渭河盆地中部的黃土臺(tái)塬白鹿塬上。白鹿塬為渭河盆地中驪山隆起斷塊西南側(cè)的一個(gè)次級(jí)斷塊，與驪山斷塊之間以灞河斷裂為界，與秦嶺山地以華山山前斷裂西段為界，與少陵塬之間以浐河為界，與渭河階地間以臨潼-長(zhǎng)安斷裂為界。白鹿塬既是一個(gè)構(gòu)造地塊，也是一個(gè)獨(dú)立的臺(tái)塬地貌單元，如圖1所示。

圖1 鯨魚(yú)溝水庫(kù)大壩位置Fig.1 Dam Site of Jingyugou reservoir

白鹿塬長(zhǎng)25 km，寬6～9 km，面積263 km2，是西安境內(nèi)最大的黃土臺(tái)塬。塬面自東南向西北傾斜，海拔680～780 m，東北側(cè)高出灞河240～320 m，西南側(cè)高出浐河150～200 m，塬面高亢，與灞、浐河谷高差懸殊。塬內(nèi)鯨魚(yú)溝順塬面傾斜方向發(fā)育切割，將塬面分割為南北兩部分，左側(cè)南塬稱炮里塬，塬面平緩；右側(cè)北塬稱狄寨塬，起伏較大。

1.2 水庫(kù)區(qū)地層巖性特征

白鹿塬是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造地塊，形成了一套以新生代地層河湖相砂泥巖和風(fēng)積紅粘土、黃土為特征的獨(dú)特的地層系統(tǒng)。鄰近與灞河、浐河和渭河沖洪積地層及秦嶺基巖地層截然分界。基座是由第三系漸新統(tǒng)至上新統(tǒng)地層構(gòu)成，上部覆蓋巨厚的第四系風(fēng)積黃土，如圖2所示。

圖2 白鹿塬地質(zhì)剖面圖Fig.2 A Geological section of Bailuyuan

白鹿塬第三系至第四系地層出露完整，據(jù)前人研究，將第四系以黃土為主，自上而下分為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)地層；第三系以砂泥巖為主，自上而下分為上上新統(tǒng)藍(lán)田組、下上新統(tǒng)灞河組、中新統(tǒng)寇家村組和漸新統(tǒng)-始新統(tǒng)白鹿塬組。白鹿塬區(qū)域的地層自北東向西南緩傾，在工程區(qū)的鯨魚(yú)溝兩側(cè)只出露第四系黃土到下上新統(tǒng)灞河組的地層，寇家村組和白鹿塬組地層未出露。因此鯨魚(yú)溝庫(kù)區(qū)主要為第四系黃土和下上新統(tǒng)灞河組的地層。此外在第三系砂泥巖表層有少量殘坡積粉質(zhì)黏土，在現(xiàn)有水庫(kù)和溝谷底部有現(xiàn)代淤積的淤泥質(zhì)土，庫(kù)區(qū)還發(fā)育多個(gè)黃土滑坡。

白鹿塬自第四紀(jì)初就開(kāi)始抬升，在第四紀(jì)晚期，塬中間的鯨魚(yú)溝溯源侵蝕逐步形成。因此第三系和中更新世早期的黃土在庫(kù)區(qū)為水平層狀分布，中更新世末期至晚更新世的黃土則披覆在溝兩側(cè)的較緩斜坡上，在陡邊坡上難以存留。

鯨魚(yú)溝內(nèi)已修建了紅旗水庫(kù)、車村水庫(kù)、楊家溝水庫(kù)等，引漢濟(jì)渭鯨魚(yú)溝工程將在紅旗水庫(kù)與老車村水庫(kù)之間修建新車村水庫(kù)，設(shè)計(jì)庫(kù)區(qū)的正常水位高程為517.9 m，最高水位550.0 m，水位較原水庫(kù)水位抬升了近60.0 m。

2 庫(kù)區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)特征

為了對(duì)鯨魚(yú)溝水庫(kù)塌岸和岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，勘察期間對(duì)兩岸岸坡進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，鯨魚(yú)溝內(nèi)涉水邊坡高在55～110 m之間，坡度在30°～40°之間，根據(jù)涉水部分邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)將其分為四種類型，即第三系砂泥巖陡坡、黃土-砂泥巖緩坡、黃土-砂泥巖陡坡和殘坡積土-砂泥巖陡坡，各類邊坡的特征見(jiàn)表1。

表1 鯨魚(yú)溝邊坡特征表

由圖2可見(jiàn)，白鹿塬的黃土和第三系砂泥巖為平行不整合接觸，產(chǎn)狀近水平。第四紀(jì)晚期，由于鯨魚(yú)溝溯源侵蝕，溝谷下切，沿溝兩岸的黃土披覆在溝兩側(cè)的第三系砂泥巖和更老沉積的黃土之上，披覆黃土的產(chǎn)狀和坡面平行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，披覆黃土主要為L(zhǎng)1—S2地層，即晚更新世黃土和中更新世的頂部。隨著后期進(jìn)一步侵蝕，這種披覆結(jié)構(gòu)的黃土溝坡進(jìn)一步改造，形成了不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的斜坡。其中下部較陡的黃土-砂泥巖段斜坡，披覆黃土被侵蝕，砂泥巖出露，形成了上述第一種類型，即第三系砂泥巖陡坡，典型斜坡如圖3所示，壩址附近最高水位線以下出露第三系灞河組砂泥巖，黃土在最高水位線以上出露，地層結(jié)構(gòu)如圖4所示。下部較緩的黃土-砂泥巖斜坡，上部黃土很少被侵蝕，保持了原有地層結(jié)構(gòu)，黃土自坡頂披覆到溝底，該類邊坡為上述第二種類型，即黃土-砂泥巖緩坡，典型斜坡如圖5所示，上游右岸L1—S2黃土自坡頂披覆到坡底，其地層結(jié)構(gòu)如圖6所示。下部較陡的黃土-砂泥巖斜坡，由于位于沖溝堆積岸，侵蝕作用不強(qiáng)，黃土依然存留，自坡頂披覆到溝底，該類邊坡為上述第三種類型，即黃土-砂泥巖陡坡，典型斜坡如圖7所示，壽陽(yáng)山墓園上游L1—S2自塬頂順坡披覆到溝底，下部坡度較陡，其地層結(jié)構(gòu)如圖8所示。在鯨魚(yú)溝兩側(cè)發(fā)育的許多大型沖溝兩側(cè)形成洼地，有一定匯水面積，地表侵蝕能力強(qiáng)，黃土被侵蝕，第三系砂泥巖被風(fēng)化剝蝕，形成了一定厚度的殘坡積土，該類邊坡為上述第四種類型，即殘坡積土-砂泥巖緩坡，典型斜坡如圖9所示，現(xiàn)車村水庫(kù)壩址下游砂泥巖段斜坡被殘坡積粉質(zhì)黏土覆蓋，含砂巖、鈣板層大塊石和碎石，該類斜坡一般為洼地，地表植被主要為竹林，地層結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖3 第三系砂泥巖陡坡Fig.3 Tertiary sandstone and mudstone steep slope

圖4 第三系砂泥巖陡坡Fig.4 Tertiary sand mudstone steep slope

圖5 黃土-砂泥巖緩坡Fig.5 Loess sand mudstone gentle slope

圖6 黃土-砂泥巖緩坡Fig.6 Loess sand mudstone gentle slope

圖7 黃土-砂泥巖陡坡Fig.7 Loess sand mudstone steep slope

圖8 黃土-砂泥巖陡坡Fig.8 Loess sand mudstone steep slope

圖10 殘坡積土-砂泥巖緩坡Fig.10 Eluvial soil sand mudstone gentle slope

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡參數(shù)選取

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆探采樣及現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)鯨魚(yú)溝區(qū)內(nèi)的各層巖土的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

本文借用Geo-Slope軟件對(duì)鯨魚(yú)溝內(nèi)的邊坡進(jìn)行建模分析，采用Morgenstern-Price法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，由于此次水庫(kù)蓄水時(shí)庫(kù)水位快速上升，則不考慮非飽和區(qū)的滲流場(chǎng)以及水荷載對(duì)其安全系數(shù)的影響。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

庫(kù)水位在現(xiàn)狀水位和最高蓄水位之間變動(dòng)，將邊坡分為飽和區(qū)和非飽和區(qū)，據(jù)表2知，Q4、Q1以及N2的地層飽和度都在80%以上，處于飽和或接近飽和狀態(tài)，而僅披覆的Q2-3土層的飽和度部分低于40%，屬于非飽和土，且Q2的離石黃土和Q3的馬蘭黃土是高水敏性土，遇水粘聚力降低顯著。因此，僅Q2-3土層水位淹沒(méi)部分取飽和土抗剪強(qiáng)度，未淹沒(méi)部分取天然強(qiáng)度。其他土層都按表2，取了天然含水率下的強(qiáng)度參數(shù)。高邊坡設(shè)10.0 m水位為上升間隔，低邊坡設(shè)5.0 m水位線為上升間隔計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，建立水位逐步上升的工況，將4類典型邊坡庫(kù)水位變動(dòng)與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化關(guān)系繪制如圖11。

表 2 邊坡土體參數(shù)表

圖11 安全系數(shù)與水位上升的關(guān)系Fig.11 The relationship between factor of safety and water level rise

《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》[29]規(guī)定邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.15～1.25，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的安全系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)所選四類典型邊坡的穩(wěn)定性。由圖11可見(jiàn)，在現(xiàn)狀水位情況下，鯨魚(yú)溝內(nèi)第三系砂泥巖陡坡、黃土-砂泥巖緩坡、黃土-砂泥巖陡坡和殘坡積土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.35、1.17、1.35和1.86，根據(jù)四種類型邊坡所在鯨魚(yú)溝的區(qū)域，認(rèn)為在現(xiàn)狀水位下，鯨魚(yú)溝內(nèi)從下游至上游的邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著庫(kù)水位的升高，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)均有所下降，在最高水位550.0 m時(shí)，第三系砂泥巖陡坡下降率為5.2%；黃土-砂泥巖緩坡下降率為11.0%；黃土-砂泥巖陡坡下降率為1.5%；殘坡積土-砂泥巖緩坡下降率為4.3%。黃土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定系數(shù)下降率最大，最低穩(wěn)定系數(shù)僅有1.04，小于工程邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，發(fā)生邊坡失穩(wěn)的可能性大。而其他三類邊坡均高于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡在水庫(kù)蓄水過(guò)程中，都會(huì)存在一個(gè)“最不利水位”，其對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小[30]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，最不利水位約在坡體的2/3位置處，黃土-砂泥巖陡坡和殘坡積土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定系數(shù)較現(xiàn)狀水位下降率為5%左右，而第三系砂泥巖陡坡和黃土-砂泥巖緩坡穩(wěn)定系數(shù)下降率大于5%，這也是由于高邊坡所受的重力條件突出導(dǎo)致的。其中黃土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定系數(shù)下降最多，下降率達(dá)16.2%，對(duì)應(yīng)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)僅為0.98，相比區(qū)內(nèi)其他類型邊坡最危險(xiǎn)。黃土-砂泥巖緩坡邊坡分布于鯨魚(yú)溝下游，自塬頂至坡腳披覆大量的Q2-3非飽和黃土層，強(qiáng)度對(duì)庫(kù)水位的敏感性較高，本文對(duì)粘聚力折減為0，是較為保守的估計(jì)。

4 滑移方量預(yù)測(cè)

新建車村水庫(kù)的水位高程為550.0 m，比當(dāng)前水位高出60.0 m，水位抬升以后，在最不利水位的情況下邊坡更易失穩(wěn)，產(chǎn)生的滑移方量也就越大。由上述結(jié)果可知，鯨魚(yú)溝下游的黃土-砂泥巖緩坡在蓄水過(guò)程中是鯨魚(yú)溝水庫(kù)內(nèi)一種較為危險(xiǎn)的邊坡類型，易于形成滑坡并產(chǎn)生庫(kù)區(qū)淤積。庫(kù)區(qū)內(nèi)黃土-砂泥巖緩坡的延伸距離約1.5 km左右，可用6個(gè)剖面段估算的滑移方量，滑移方量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)繪制如表3。

表3 滑移方量預(yù)測(cè)表

以兩條剖面的塌岸面積和剖面間距離估算剖面段之間的滑移方量，將所有剖面段的滑移方量累加得到總的滑移方量。通過(guò)表3可知，黃土-砂泥巖緩坡段預(yù)測(cè)的總滑移方量為785 077.4 m3。相比整個(gè)庫(kù)區(qū)的滑移方量而要言，僅占總體滑移方量的13%。

5 結(jié)論

1)任何庫(kù)水位條件下，鯨魚(yú)溝內(nèi)的第三系砂泥巖陡坡、黃土-砂泥巖陡坡和殘坡積土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定系數(shù)均高于水利水電工程邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。黃土-砂泥巖緩坡在庫(kù)水位上升過(guò)程中，穩(wěn)定性降低幅度大，容易形成滑坡和庫(kù)區(qū)塌方。因此，在鯨魚(yú)溝新車村水庫(kù)建設(shè)中應(yīng)特別關(guān)注最不利水位下黃土-砂泥巖緩坡的穩(wěn)定性。

2)黃土-砂泥巖緩坡位于鯨魚(yú)溝下游，Q2-3黃土披覆于整個(gè)坡面，在庫(kù)區(qū)內(nèi)延伸距離大約1.5 km，不利水位下預(yù)測(cè)該類邊坡的總滑移方量約為785 077.4 m3，占庫(kù)區(qū)總滑移方量的13%。