西藏某水電站壩前大型冰水堆積體穩(wěn)定性研究

王有林，趙志祥，許曉霞，李?；?/p>

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,西安 710065)

0 前 言

青藏高原地區(qū)水利水電工程地處高寒、高海拔、高烈度等惡劣地質(zhì)環(huán)境，給工程勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)帶來了極大的難度。藏東南的高山峽谷河流中冰水堆積物分布廣泛，表現(xiàn)為河谷深切，堆積物厚度一般為數(shù)十米，部分可達(dá)數(shù)百米，規(guī)模巨大，體積可達(dá)數(shù)百萬立方米至數(shù)千萬立方米[1-3]。

冰水堆積物是在冰川堆積、重力堆積、水流堆積、風(fēng)化殘積、構(gòu)造作用等綜合堆積作用下形成的松散堆積體，具有典型的二元介質(zhì)特征，顆粒分布具有明顯的不同尺度、不均勻和隨機(jī)分布特征[4-5]，工程性質(zhì)表現(xiàn)為軟弱的基質(zhì)松散材料中存在大顆粒物質(zhì)，成因、結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征復(fù)雜，常見于大型水利水電建設(shè)工程中，嚴(yán)重制約和影響中國(guó)青藏高原地區(qū)的水利水電開發(fā)。

青藏高原冰水堆積物成因類型復(fù)雜，主要為第四紀(jì)冰期與間冰期形成，具備的特征有規(guī)律可循，主要表現(xiàn)為顆粒粒徑分布范圍廣，物質(zhì)成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)密實(shí)，少見架空現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)冰水堆積物的形成演化過程及其與古氣候環(huán)境的關(guān)系等進(jìn)行了有益探索[6-7]；進(jìn)而在大量試驗(yàn)及相關(guān)工程資料收集的基礎(chǔ)上對(duì)青藏高原典型冰水堆積物的滲流特性、強(qiáng)度特性以及變形特性等進(jìn)行了較為深入的分析和研究[8-10]，并在建壩應(yīng)用方面取得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

西藏某水電站兩岸邊坡高陡雄偉，河谷深切。流域范圍內(nèi)冰川地貌發(fā)育，兩岸冰磧和冰水堆積物沿江分布，其分布特征和穩(wěn)定狀態(tài)制約水電工程梯級(jí)電站選址和樞紐建筑物的布置；同時(shí)位于近壩庫岸的大型堆積體在蓄水條件下可能存在失穩(wěn)破壞，威脅大壩及其他水工建筑物的安全，因此正確認(rèn)識(shí)近壩區(qū)大型冰水堆積體的發(fā)育特征及穩(wěn)定性狀況，并提出針對(duì)性的防治措施，對(duì)工程建設(shè)具有重要實(shí)踐意義。本文在論述某電站壩前冰水堆積體發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法分析其在不同工況下的穩(wěn)定狀態(tài)和對(duì)蓄水的敏感性，并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)冰水堆積體失穩(wěn)破壞后對(duì)電站的影響，為電站工程建設(shè)提供支撐。

1 堆積體發(fā)育特征

1.1 分布特征

西藏某電站壩前大型冰水堆積體分布在右岸大型沖溝R-c1地帶，距壩軸線約1 600 m，堆積體方量283.8×104m3。主要由塊石、碎石土所構(gòu)成，呈扇形膠結(jié)堆積，分布長(zhǎng)度近530 m，臨江高度410 m。

堆積體分布在右岸沖溝內(nèi)，上部窄、下部寬，表面呈“錐”型。堆積體兩側(cè)基巖裸露，巖性為灰黑色細(xì)粒大理巖，高程2 870.00 m以下為一陡坎，岸坡坡度一般65°～70°；高程2 870.00 m以上岸坡較緩，岸坡坡度約40°左右。堆積體兩側(cè)谷坡坡度高陡，在冰川侵蝕作用下形成深切的沖溝地貌，對(duì)堆積體的向下運(yùn)動(dòng)有一定的約束作用。由于沖溝的形成與冰川運(yùn)動(dòng)相關(guān)，堆積體在自身重力場(chǎng)作用下膠結(jié)、自穩(wěn)能力好，前緣40 m為近直立的陡坎，坡表無植被發(fā)育。

堆積體前緣直抵河床，河床高程2 712.00 m，堆積體后緣高程3 130.00 m，相對(duì)高差418 m。河床處堆積體寬度為350 m，壩頂高程2 940.00 m處寬度約40 m。堆積體前緣陡坎近直立，高度約40 m。陡坎以上堆積體平均坡度約34°。堆積體上部山體高陡，沖溝變淺窄且狹長(zhǎng)，直通坡頂分水嶺，堆積體全貌見圖1。

圖1 冰水堆積體全貌照片

1.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

堆積體粗顆粒巖性主要以灰?guī)r和大理巖為主，物質(zhì)組成中大于500 mm的顆粒約占0～14.2%，平均6.7%；200～500 mm顆粒約占10.6%；60～200 mm顆粒約占27.7%；20～60 mm顆粒約占17.5%；5～20 mm顆粒約占14.9%；小于5 mm的細(xì)粒約占22.7%，不均勻系數(shù)692，曲率系數(shù)14.665，級(jí)配不良。堆積體層狀分布特征不明顯，以塊石礫石土為主，夾砂礫石層透鏡體，塊石和礫石以棱角狀、次棱角狀為主，少量次圓狀。顆粒組成偏粗大，塊石、碎石、礫石磨圓度較差。堆積體總體無明顯的分選特征，磨圓度差，未見沉積層理。顆粒組成多元且不均一，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為巨粒、粗粒和細(xì)粒的無序混雜堆積，粗顆粒形成骨架，細(xì)顆粒鑲嵌其中，具備一定的膠結(jié)性，組成物質(zhì)在平面和空間上無顯著變化規(guī)律。

通過坡表探槽內(nèi)取樣8組，獲取其天然密度為2.2 g/cm3，天然干密度為2.17 g/cm3，最優(yōu)含水量均值為7.5%；壓縮系數(shù)0.14 MPa-1，壓縮模量10.58 MPa，凝聚力45 kPa，平均摩擦角33°，臨界水力坡降0.47。

鉆孔揭露最大厚度72 m，堆積體底界面基于鉆孔、物探探測(cè)綜合確定(見圖2)，地表結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的激光點(diǎn)云，利用多重剖面綜合計(jì)算獲取其堆積體體積為283.8×104m3。

2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

壩前右岸大型冰水堆積體位于壩址上游1.6 km，規(guī)模大，其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)水電工程施工和運(yùn)行安全具有重要影響。根據(jù)已有資料將右岸堆積體剖面復(fù)雜的地質(zhì)原型概化為巖體力學(xué)數(shù)值模型，計(jì)算模型見圖3。模型單元選用三角形、四邊形等參常應(yīng)變單元，單元數(shù)2695個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1731個(gè)，模型分析容差0.001，地震動(dòng)峰值加速度0.18g。

圖2 冰水堆積體工程地質(zhì)剖面

采用數(shù)值模擬，分析不同工況條件下的應(yīng)力狀態(tài)?？紤]天然工況、正常蓄水位2 940.00 m工況、地震工況以及蓄水+地震共4個(gè)工況。計(jì)算模擬參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 最大主應(yīng)力分布特征

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，堆積體內(nèi)最大主應(yīng)力σ1分布主要受坡形、物質(zhì)組成等因素的影響和控制，局部出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中。

天然狀態(tài)下(見圖4)，堆積體影響范圍內(nèi)最大主應(yīng)力σ1分布較為均勻，量值在1.00～3.00 MPa范圍內(nèi)變化，受坡面臨空效應(yīng)影響，坡面處σ1為最小值。在地震工況下，堆積體影響范圍內(nèi)最大主應(yīng)力σ1分布形態(tài)未發(fā)生明顯變化，其量值與天然狀態(tài)相比明顯增高，量值在1.00～3.50 MPa范圍內(nèi)變化。堆積體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律與天然狀態(tài)基本相近，分布范圍和應(yīng)力量值有所增加。

圖4 天然工況下最大主應(yīng)力分布

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下(見圖5)，堆積體影響范圍內(nèi)最大主應(yīng)力σ1量值稍高于天然狀態(tài)，應(yīng)力量值在1.00～4.00 MPa；蓄水工況下堆積體內(nèi)應(yīng)力分布特征與天然狀態(tài)類似，應(yīng)力量值略有增加。在水庫正常蓄水位2 940.00 m并同時(shí)遭受最強(qiáng)地震作用的最不利工況條件下，淺表層最大主應(yīng)力σ1明顯增加，堆積體坡腳和后緣產(chǎn)生應(yīng)力集中。最大主應(yīng)力σ1量值范圍仍處于1.00～4.0 MPa，淺表層應(yīng)力增加明顯，深部未發(fā)生明顯變化。

2.3 最小主應(yīng)力分布特征

天然狀態(tài)下(見圖6)，堆積體影響范圍內(nèi)最小主應(yīng)力σ3整體量值普遍較小，淺表層應(yīng)力分布較均勻，總體應(yīng)力量值在0.00～1.25 MPa范圍內(nèi)變化。在遭受區(qū)域最強(qiáng)地震作用工況下，堆積體影響范圍內(nèi)最小主應(yīng)力σ3在-0.30～1.25 MPa范圍內(nèi)變化。與天然狀態(tài)相比淺表層應(yīng)力量值減小，深部應(yīng)力量值無明顯變化，拉應(yīng)力分布范圍變大。

圖5 蓄水工況下最大主應(yīng)力分布

圖6 天然工況下最小主應(yīng)力分布

圖7 蓄水工況下最小主應(yīng)力分布

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下(見圖7)，堆積體影響范圍內(nèi)最小主應(yīng)力σ3整體分布仍較均勻，應(yīng)力量值保持在0～0.75 MPa。根據(jù)圖6和圖7所示，通過比較天然狀態(tài)和蓄水工況下的最小主應(yīng)力σ3分布，淺表層應(yīng)力分布特征基本一致，量值略有增加；深部應(yīng)力分布產(chǎn)生較大變化，坡腳和堆積體底面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力量值減小。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m、并同時(shí)遭受最強(qiáng)地震作用的最不利工況條件下，深部最小主應(yīng)力σ3分布較均勻，淺表部應(yīng)力量值較蓄水狀態(tài)下有所減小，深部未發(fā)生明顯變化。應(yīng)力影響范圍有所擴(kuò)大。

2.4 最大剪應(yīng)力分布特征

天然狀態(tài)下，堆積體影響范圍內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax分布均勻穩(wěn)定，量值較低，總體在0.50～1.50 MPa范圍內(nèi)變化(見圖8)。

圖8 天然工況下最大剪應(yīng)力分布

在遭受區(qū)域最強(qiáng)地震作用工況下，最大剪應(yīng)力τmax分布特征與天然狀態(tài)基本一致，量值局部略有增加。在堆積體坡腳和底面前緣出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，剪應(yīng)力量值與其它部位相差0.25～0.50 MPa。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m的工況條件下，堆積體影響范圍內(nèi)剪應(yīng)力τmax分布仍較均勻(見圖9)，與天然狀態(tài)相比剪應(yīng)力量值略有增加。堆積體內(nèi)應(yīng)力集中部位及其分布特征基本類似于天然狀態(tài)，但剪應(yīng)力量值較天然狀態(tài)有所改變，最大值τmax=1.50 MPa。堆積體坡腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，相比天然狀態(tài)剪應(yīng)力量值有所增加。坡腳部位剪應(yīng)力量值一般高出其他部位0.50～1.00 MPa。

在水庫正常蓄水位2 940.00 m、并同時(shí)遭受最強(qiáng)地震作用的最不利工況條件下，淺表部最大剪應(yīng)力τmax量值明顯高于蓄水工況，一般為1.00～2.00 MPa。應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在坡腳部位，最大剪應(yīng)力τmax量值超過其他部位0.50～1.00 MPa。

圖9 蓄水工況下最大剪應(yīng)力分布

2.5 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

結(jié)合冰水堆積體所做的地質(zhì)勘察工作及分析，建立了極限平衡計(jì)算模型，潛在破壞面為基—覆界面。該堆積體厚度較大，最大厚度72 m，其前緣直至河床。潛在滑移控制面為堆積體與基巖的接觸帶，剪出口處于河面常水位附近。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表2)，冰水堆積體天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震不利工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。蓄水后其穩(wěn)定性大大減小，計(jì)算的整體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞的可能較大。并且該堆積體處于壩前近壩庫岸范圍內(nèi)，一旦整體性失穩(wěn)破壞將對(duì)大壩的安全穩(wěn)定造成較大的影響。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步研究其穩(wěn)定性與蓄水位的關(guān)系，對(duì)不同蓄水位下的堆積體穩(wěn)定性進(jìn)行了敏感性分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見圖10)，天然工況下水位低于2 850.00 m時(shí)，堆積體整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)水位升至2 850.00 m附近時(shí)，堆積體存在失穩(wěn)可能；在地震、暴雨等不利工況條件下，當(dāng)水位在2 750.00 m以上時(shí)，就存在失穩(wěn)的可能性，地震條件下甚至低于2 750.00 m就存在失穩(wěn)的可能性。

通過以上分析，可以得出初步結(jié)論：當(dāng)水庫建設(shè)中圍堰截流的安全運(yùn)行高度2 750.00 m時(shí)，在天然條件下不存在安全隱患；當(dāng)暴雨條件下其圍堰高度低于2 750.00 m時(shí)，庫區(qū)內(nèi)的堆積體穩(wěn)定性基本大于1，但在接近2 750.00 m時(shí)，其安全儲(chǔ)備不足；在地震條件下，庫區(qū)內(nèi)右岸堆積體的安全蓄水高度明顯下降，2 725.00 m左右將達(dá)到極限狀態(tài)。因此，圍堰的設(shè)計(jì)除考慮不同概率條件下的洪水位外，尚應(yīng)考慮堆積體的影響。

圖10 堆積體蓄水敏感性分析

3 堆積體對(duì)電站的影響評(píng)價(jià)

3.1 失穩(wěn)后的滑速計(jì)算

根據(jù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成果，堆積體蓄水后大部分將被水淹沒，在蓄水后其穩(wěn)定性急劇下降，穩(wěn)定性差。由于其距壩址近，規(guī)模巨大，一旦失穩(wěn)，其造成的涌浪可能危及大壩安全，為此開展了冰水堆積體失穩(wěn)涌浪研究。

目前對(duì)于滑坡或邊坡失穩(wěn)后滑速計(jì)算方法很多，其中能量法研究滑坡體系內(nèi)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，基于能量守恒定律，研究滑動(dòng)前后的體系總能量，理論較成熟，參數(shù)易獲??；潘家錚法充分考慮了滑面形態(tài)和滑動(dòng)模式，研究方法更能真實(shí)反映滑體結(jié)構(gòu)。本文以最不利因素考慮，堆積體最大失穩(wěn)范圍以兩側(cè)沖溝為界，寬度40～350 m，長(zhǎng)約500 m，體積283.8×104m3。本工程初擬圍堰高程為2 750.00 m，初期蓄水高程2 850.00 m，正常蓄水位2 940.00 m，選用以上水位進(jìn)行最大滑速計(jì)算，計(jì)算得到不同庫水位條件下的最大滑速見表3。堆積體隨著蓄水水位的升高，滑速呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，分析認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象與庫水的頂托力有關(guān)。堆積體失穩(wěn)后的最大滑速為11.1 m/s，屬極高速滑坡。

3.2 涌浪計(jì)算

滑坡失穩(wěn)入庫后會(huì)產(chǎn)生涌浪，對(duì)大壩的安全造成極大影響，因此需研究滑坡產(chǎn)生的涌浪至壩前的最大浪高，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。涌浪計(jì)算以滑速和滑坡體積為基礎(chǔ)，目前計(jì)算滑坡涌浪的方法包括潘家錚法、北京水科院算法和模型試驗(yàn)法等[11]，本次研究主要采用水科院算法。

表3 滑速計(jì)算成果

正常蓄水位2 940.00 m時(shí)，用潘家錚法對(duì)堆積體得到的滑速進(jìn)行計(jì)算，各水位條件下產(chǎn)生的涌浪高度一般均小于3 m。能量法滑速研究成果計(jì)算的涌浪最大高度為3.43 m(見表4)。以最不利工況考慮，綜合預(yù)測(cè)該冰水堆積體失穩(wěn)入庫后，在壩前產(chǎn)生的最大涌浪高度為3.43 m。

表4 堆積體2 940.00 m水位時(shí)不同滑速下的涌浪高度

涌浪的預(yù)測(cè)涉及復(fù)雜的巖土力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科，國(guó)內(nèi)外尚無一例事先預(yù)測(cè)而后期經(jīng)驗(yàn)證較為準(zhǔn)確的案例，事后的驗(yàn)證、擬合性分析計(jì)算存在人為因素。鑒于堆積體距壩址區(qū)近，一旦失穩(wěn)破壞對(duì)水工建筑物有較大影響，因此從工程安全角度，需重視堆積體的穩(wěn)定性及可能產(chǎn)生的涌浪破壞，采取必要的防護(hù)措施，并布置相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)手段。

4 結(jié) 論

(1) 研究流域河谷兩岸冰水堆積體顆粒粒徑分布范圍廣，結(jié)構(gòu)密實(shí)，少見架空現(xiàn)象，呈弱膠結(jié)性，具有明顯的不同尺度特征、不均勻特征和隨機(jī)分布特征，成因、結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征復(fù)雜。

(2) 冰水堆積物形成時(shí)代久遠(yuǎn)，大多經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)期的壓密、固結(jié)，大多具有結(jié)構(gòu)密實(shí)、高密度、孔隙率小、滲透性弱、膠結(jié)較好的特點(diǎn)。變形模量、壓縮模量較其他松散覆蓋層高得多，屬典型的高承載力、低壓縮性土，天然狀態(tài)下冰水堆積體岸坡整體穩(wěn)定性好，局部成近直立狀態(tài)。

(3) 蓄水后堆積體大多位于水下，細(xì)顆粒發(fā)生軟化，同時(shí)膠結(jié)作用減弱，飽水條件下導(dǎo)致內(nèi)聚力降低明顯，內(nèi)摩擦角變化不大。蓄水后的穩(wěn)定性大大減小，整體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，可能會(huì)發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞。

(4) 水庫蓄水水位越高，堆積體失穩(wěn)后的滑速反之越小，但變化不明顯，失穩(wěn)后最大滑速為11.1 m/s。失穩(wěn)后產(chǎn)生的涌浪至壩前最大浪高為3.43 m。冰水堆積體距壩址近，失穩(wěn)后產(chǎn)生的涌浪對(duì)施工期的安全和水工建筑物運(yùn)行影響較大，需采取針對(duì)性的防治措施和布置必要的監(jiān)測(cè)措施。