祝敏剛, 鄭曉晶, 覃雨璐, 何佳偉
(1.中國(guó)電建集團(tuán)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣州 511458; 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, 成都 610036;3.廣東省有色工業(yè)建筑質(zhì)量檢測(cè)站有限公司, 廣州 510000)
進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái),水庫(kù)蓄水造成的災(zāi)害案例眾多,且造成的影響巨大,如意大利瓦伊昂水庫(kù)滑坡[1-2]最為典型,因此,水庫(kù)蓄水對(duì)周邊場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響是中外最為重要的研究課題之一。
目前,對(duì)于水庫(kù)蓄水對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響方面的研究已有一定成果。熊茹雪等[3]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于某一庫(kù)區(qū)而言,庫(kù)水升降過(guò)程與周邊場(chǎng)地穩(wěn)定性之間具有密切的聯(lián)系,而水位驟降影響效果更為顯著[4];Tang[5]分析得出不同類型塌岸的演化特征及庫(kù)水作用機(jī)制;Zheng等[6]通過(guò)模型試驗(yàn),分析得出水位變化對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響較大;唐紅梅等[7]運(yùn)用3D激光掃描分析土質(zhì)岸坡變形破壞的演化過(guò)程;周劍等[8]通過(guò)三峽庫(kù)區(qū)某滑坡15年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性和變形速率隨著庫(kù)水位的變動(dòng)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化;李永康等[9]發(fā)現(xiàn)周邊邊坡變形速率隨水庫(kù)水位的變化規(guī)律;李鵬岳等[10]在研究中發(fā)現(xiàn)水庫(kù)蓄水過(guò)程中,邊坡穩(wěn)定系數(shù)先升高后降低,且水位上升速率越大,穩(wěn)定系數(shù)升高后衰減的幅度越大;劉興[11]用FLAC3D分析,得出庫(kù)水升降循環(huán)次數(shù)的增多,庫(kù)岸邊坡巖體力學(xué)參數(shù)不斷劣化的結(jié)論;李大龍等[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)庫(kù)水上升時(shí)岸坡受浸泡軟化的影響穩(wěn)定性略有降低,庫(kù)水下降時(shí)岸坡下滑力增加易失穩(wěn)破壞;馮文凱等[13]研究發(fā)現(xiàn)庫(kù)水升降循環(huán)次數(shù)達(dá)35次時(shí)堆積體將發(fā)生滑動(dòng),古滑坡再次復(fù)活。
近年來(lái),大部分案例的研究對(duì)象均為水庫(kù)岸坡,對(duì)于水庫(kù)蓄水后大壩上游場(chǎng)地進(jìn)行的穩(wěn)定性分析成果偏少,且對(duì)庫(kù)水位上升導(dǎo)致的大壩上游場(chǎng)地及場(chǎng)地內(nèi)邊坡變形特征的研究分析偏少,也少有相關(guān)蓄水后,在坡腳防護(hù)有效的條件下,發(fā)生后坡滑移~前緣場(chǎng)地剪出的變形的案例研究?,F(xiàn)選取四川毛爾蓋水庫(kù)移民安置點(diǎn)場(chǎng)地及場(chǎng)地后緣公路外側(cè)邊坡為研究對(duì)象,采用現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析相結(jié)合的手段對(duì)其變形范圍及特征和不同工況的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析,旨在為類似項(xiàng)目研究提供借鑒。
四川毛爾蓋水庫(kù)位于黑水河中游紅巖鄉(xiāng)至俄石壩河段,屬于高山峽谷型水庫(kù),兩岸谷坡陡峻,局部庫(kù)尾段地形平緩,水庫(kù)正常蓄水位為2 133 m。壩前壅水高142 m,庫(kù)容5.35億m3,死水位為2 063 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容為4.44億m3,屬高壩、大型水庫(kù)。主庫(kù)回水至紅巖鄉(xiāng)小學(xué)附近,回水長(zhǎng)約13 km;支庫(kù)回水至扎窩鄉(xiāng)政府上游1 km附近和知木林鄉(xiāng)政府下游3 km附近,回水長(zhǎng)分別約16 km和約10 km。
安置點(diǎn)場(chǎng)地在黑水河右岸紅巖鄉(xiāng)云陵寺村,位于水庫(kù)大壩上游約9 km處。沿右岸呈帶狀分布,長(zhǎng)約500 m、寬度為50~70 m,占地面積約10畝,采用回填料對(duì)河漫灘、洪積扇和谷坡地帶回填墊高,并在場(chǎng)地前緣設(shè)置防護(hù)工程。移民安置場(chǎng)地標(biāo)高在2 135 m左右。S302省道公路從移民安置場(chǎng)地后坡通過(guò),公路高程為2148~2150 m。
安置點(diǎn)場(chǎng)地后緣(臨近省道S302公路)有一排民居,前緣(臨近黑水河)有一排民居,中部為汽車便道。
水庫(kù)于2011年3月20日開始下閘蓄水,7月3日庫(kù)水位抬高至2 126 m,7月7日安置場(chǎng)地內(nèi)側(cè)臨近公路(省道S302)地坪和村民住宅出現(xiàn)多處裂縫。
公路(省道S302)內(nèi)側(cè)人工邊坡高度為40~50 m,坡角達(dá)60°~70°。坡腳處采用漿砌石擋墻護(hù)坡,擋墻高度為2.5 m左右。場(chǎng)地左、右側(cè)各有2個(gè)沖溝,溝谷寬度為10~20 m(圖1)。
圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀
S302改線公路在修改過(guò)程中,直接將棄渣丟棄于坡外,形成人工堆積的公路外側(cè)(安置點(diǎn)場(chǎng)地后緣)邊坡,坡高為10~15 m,地形坡度為30°~50°,淺表采用框格梁和混凝土擋墻進(jìn)行護(hù)坡(圖2和圖3)。
圖2 采用漿砌石擋墻和噴射混凝土護(hù)坡
圖3 采用混凝土擋墻和框格梁護(hù)坡
根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪與現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果表明,場(chǎng)地及后坡覆蓋層主要為人工填土(Q4ml)、風(fēng)成堆積物(Q4eol)、崩坡積物(Q4co+dl)、河流堆積物(Q4al),下伏地層為三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)砂巖夾千枚巖。
場(chǎng)地內(nèi)無(wú)斷裂構(gòu)造通過(guò),僅其南側(cè)約3 km處分布有近北西向日嘎斷裂,該斷裂帶通過(guò)場(chǎng)地部位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷層新活動(dòng)的地貌特征顯示[14]。
近場(chǎng)區(qū)有1次強(qiáng)震活動(dòng)(汶川地震)的波及影響,場(chǎng)地屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差區(qū)。
2.4.1 地表水
移民安置場(chǎng)地后坡沖溝較發(fā)育,分布有4個(gè)沖溝。其中1號(hào)沖溝、2號(hào)沖溝長(zhǎng)度為0.19~0.30 km,僅坡腳段存在常年流水,3號(hào)沖溝和4號(hào)沖溝長(zhǎng)度為0.50~0.80 km,存在常年流水。其水源主要通過(guò)大氣降水和地下徑流補(bǔ)給,水量隨季節(jié)變化,最終排入黑水河。場(chǎng)地地表水主要為黑水河河水,由于電站蓄水發(fā)電其水位總體較穩(wěn)定。
2.4.2 地下水的類型及水位
場(chǎng)地覆蓋層分別為碎石和角礫,由于場(chǎng)地所處地勢(shì)較高,其透水性和保水性較差,場(chǎng)地地下水位埋深較大,主要表現(xiàn)為基巖裂隙水。
基巖裂隙水受大氣降水和鄰近水文單元補(bǔ)給,水量一般有限,受氣候影響明顯,多以小泉、滴水形式向陡坎及低洼地帶溢出,匯入河流[15]。場(chǎng)地周圍未見地下水出露現(xiàn)象,說(shuō)明場(chǎng)地基巖地下水埋深較大。
3.1.1 公路及外側(cè)邊坡變形范圍及特征
2012年7月5日,水庫(kù)第一次蓄水,水位上升至2 120 m,同年10月16日上升至2 133 m正常蓄水位,在水位逐漸上升的過(guò)程中,安置點(diǎn)后緣的S302公路及外側(cè)邊坡出現(xiàn)了一定程度的變形跡象(表1)。
表1 公路及外側(cè)坡變形主要裂縫一覽
公路及外側(cè)坡變形跡象非常明顯,主要集中于部分建筑后緣的S302公路(圖4)及外側(cè)邊坡(圖5)。其變形范圍后緣至S302公路路面中央地帶,后緣高程為2 149 m左右。統(tǒng)計(jì)表明,在公路及外側(cè)坡共發(fā)現(xiàn)有8條主要的裂縫,其中4條位于公路路面,為拉裂縫,且出現(xiàn)一定程度的路面下錯(cuò)破壞,而在公路里側(cè)擋墻及排水溝未見有變形裂縫。在公路外側(cè)坡中下部則出現(xiàn)橫縱交錯(cuò)的張拉或剪切裂縫,特別是在側(cè)坡中部框格梁結(jié)合部位,可見較為明顯的鼓脹現(xiàn)象,局部地段出現(xiàn)了框格梁剪切折斷。
圖4 路面張拉裂縫
圖5 外側(cè)邊坡張拉裂縫
3.1.2 安置點(diǎn)場(chǎng)地變形范圍及特征
安置點(diǎn)場(chǎng)地原地面高程為2 117~2 128 m,填高后現(xiàn)狀地面為2 135 m高程左右。水庫(kù)蓄水后,安置點(diǎn)場(chǎng)地靠S302公路側(cè)房屋、排水溝等建筑出現(xiàn)了一定程度的拉裂變形跡象(表2和圖6、圖7):
表2 場(chǎng)地變形主要裂縫一覽
圖6 變形區(qū)前緣房屋與地面脫落形成反翹
圖7 變形區(qū)后緣出現(xiàn)的水平向滑移裂縫
1)場(chǎng)地內(nèi)部的變形范圍來(lái)看,其變形前緣主要以內(nèi)部便道內(nèi)側(cè)(S302公路方向)的排水溝為界,排水溝以里地面多見有張拉裂縫和剪切裂縫的存在,裂縫可見橫向與縱向裂縫分布,裂縫最大延伸可達(dá)40 m左右,最大張開8 cm左右,最大下錯(cuò)5 cm左右,造成局部房屋和排水溝開裂,而在排水溝外側(cè)(黑水河方向)未見有長(zhǎng)大的拉張裂縫的存在,且房屋未見有開裂、張開等現(xiàn)象,僅存在少量細(xì)微的沉降裂縫分布。
2)從變形特征來(lái)看,場(chǎng)地變形具有以下特征:
①場(chǎng)地變形裂縫統(tǒng)計(jì)表明,場(chǎng)地內(nèi)主要分布有26條張拉或剪切裂縫,其中橫向裂縫17條,裂縫延伸長(zhǎng)為3~40 m,普遍張開1~4 cm,最大張開可達(dá)8 cm左右,最大下錯(cuò)達(dá)5 cm,部分裂縫橫穿房屋,造成房屋的開裂變形,橫向裂縫以張性裂縫為主,局部地段可見有剪切裂縫出現(xiàn)??v向裂縫9條,裂縫延伸長(zhǎng)度為2~10 m,普遍張開為0.5~2 cm;②從裂縫運(yùn)動(dòng)方向來(lái)看,前緣分布的橫向裂縫外側(cè)垂直下錯(cuò)為主,最大下錯(cuò)可達(dá)8 cm左右,并造成部分房屋與地面脫落,而在后緣分布的橫向裂縫可見有明顯的水平錯(cuò)動(dòng),錯(cuò)動(dòng)為1~3 cm,表現(xiàn)出一定的張剪性質(zhì),表明場(chǎng)地變形呈現(xiàn)后緣水平滑移,前緣反翹,并造成部分房屋與地面脫落的變形趨勢(shì),根據(jù)7月27日—12月14日房屋傾斜度觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表明,房屋傾斜度隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大,累積傾斜度為3.32°~4.47°。
3.2.1 公路外側(cè)邊坡變形破壞機(jī)制
2012年7月5日,水庫(kù)水位上升至2 120 m,水位逐漸上升,至2012年10月16日上升至2 133 m正常蓄水位,在水位逐漸上升的過(guò)程中,S302公路及外側(cè)邊坡出現(xiàn)了一定程度的拉裂、下錯(cuò)等變形跡象,通過(guò)調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn):場(chǎng)地前緣邊坡坡腳高程為2 125 m左右,水庫(kù)水位在2012年8月2日左右蓄水至2 125 m,隨著水位的逐漸上升,改變了坡腳原有的水-巖作用環(huán)境與條件[16],坡腳巖土體物理力學(xué)指標(biāo)降低,影響邊坡穩(wěn)定。
另外,通過(guò)監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn),在水位2 127~2 130 m時(shí),公路外側(cè)邊坡上3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)隨著水位上升變形逐漸加大的特點(diǎn),變形速率為0.85~1.74 mm/d;水位在2 130~2 133 m運(yùn)行時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)合位移變形量為41.5~182.3 mm,隨著水位上升變形快速加大的特點(diǎn),變形速率為2.92~7.7 mm/d,變形速率明顯加快。
總的來(lái)看,水庫(kù)蓄水對(duì)場(chǎng)地及公路外側(cè)邊坡穩(wěn)定有不利影響,特別是在2 130~2 133 m水位運(yùn)行時(shí),外側(cè)坡變形速率明顯加快,原有的拉張裂縫逐漸變寬,原有框格梁鼓脹部位出現(xiàn)框格梁折斷現(xiàn)象,表明外側(cè)坡在水位上升后出現(xiàn)了較大規(guī)模的變形。此外,由于外側(cè)坡坡度為30°~50°,有利于地表水或降雨的入滲,坡體棄渣遇水后物理力學(xué)指標(biāo)降低,若外側(cè)坡產(chǎn)生深部的滑移,將可能從安置點(diǎn)場(chǎng)地剪出,從而對(duì)安置場(chǎng)地產(chǎn)生影響[17]。
3.2.2 安置點(diǎn)場(chǎng)地變形破壞機(jī)制
水庫(kù)蓄水后,安置點(diǎn)場(chǎng)地后緣靠S302公路側(cè)房屋、排水溝等建筑出現(xiàn)了一定程度的拉裂變形跡象,通過(guò)對(duì)場(chǎng)地變形范圍及特征的分析,可認(rèn)為影響場(chǎng)地變形的主要因素如下。
1)公路外側(cè)坡變形。①安置點(diǎn)變形區(qū)前緣分布的橫向裂縫多表現(xiàn)出向外垂直下錯(cuò)的趨勢(shì),下錯(cuò)幅度多在1~3 cm,最大可達(dá)5 cm左右,且造成部分已有房屋與地面脫落,形成房屋反翹傾斜的趨勢(shì),傾斜角度為3.32°~4.47°,這種反傾變形特征與一般的地面沉降有較為明顯的區(qū)別,符合后坡滑移-前緣場(chǎng)地剪出的變形特征;②安置點(diǎn)變形區(qū)后緣排水溝兩側(cè)發(fā)生較為明顯的下錯(cuò),即內(nèi)側(cè)溝壁低于外側(cè)溝壁6 cm左右,裂縫底部相對(duì)裂縫頂部向坡外水平位錯(cuò)2 cm左右,表明安置點(diǎn)變形區(qū)后緣處于下錯(cuò)兼水平錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì),而這一區(qū)域填土厚度不大,變形不可能來(lái)自回填場(chǎng)地自身的變形,分析其形成主要源自公路外側(cè)坡變形帶動(dòng)引起。
2)回填料及水的影響。安置點(diǎn)場(chǎng)地為回填墊高場(chǎng)地,墊高最大高度達(dá)18 m左右,如若回填料塊度較大或碾壓未滿足設(shè)計(jì)要求,邊坡抵抗水位升降與水下沖刷的能力減弱[18]。在蓄水后庫(kù)水的作用下,場(chǎng)地將可能存在不均勻沉降問(wèn)題,產(chǎn)生沉降裂縫,場(chǎng)地隨機(jī)分布的少量沉降裂縫是由于回填墊高場(chǎng)地回填料塊度較大或碾壓未滿足設(shè)計(jì)要求,在庫(kù)水位的作用下造成。
隨著水庫(kù)水位上升,公路外側(cè)邊坡開始出現(xiàn)較大的變形,并由于其下錯(cuò)變形,使得安置點(diǎn)場(chǎng)地也出現(xiàn)了一定的變形,因此,初步宏觀判斷,蓄水后場(chǎng)地及公路外側(cè)邊坡穩(wěn)定性差[19]。
4.1.1 剖面的選取
根據(jù)場(chǎng)地地形、地貌和地面地質(zhì)調(diào)查,沿可能失穩(wěn)方向選取高差相差最大的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算(圖8)。
圖8 工程地質(zhì)剖面
4.1.2 滑面假設(shè)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)資料分析,公路外側(cè)坡失穩(wěn)對(duì)場(chǎng)地的影響主要在:①外側(cè)坡從坡腳擋墻以上失穩(wěn),滑動(dòng)物質(zhì)將直接堆砌于安置點(diǎn)場(chǎng)地,將可能覆蓋已有建筑,造成對(duì)場(chǎng)地影響;②公路外側(cè)坡直接從場(chǎng)地內(nèi)剪出,滑動(dòng)物質(zhì)將直接破壞房屋地基,造成對(duì)場(chǎng)地的影響。因此,穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中,以上述兩種滑動(dòng)模式搜索可能的滑面,分析公路外側(cè)邊坡穩(wěn)定性對(duì)場(chǎng)地的影響。
4.1.3 地下水位的確定
場(chǎng)地地下水主要受庫(kù)水位影響,地下水位以庫(kù)水位作為地下水位,未考慮地下水翹高。
4.1.4 計(jì)算參數(shù)的確定
根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果和類似工程巖土體經(jīng)驗(yàn),結(jié)合地區(qū)性經(jīng)驗(yàn),綜合考慮后提出場(chǎng)地相關(guān)土體物理力學(xué)參數(shù)建議值如表3所示。
表3 場(chǎng)地土體物理力學(xué)參數(shù)建議值
4.1.5 計(jì)算工況
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔資料確定地下水分布情況,破壞模式考慮公路外側(cè)邊坡沿?fù)鯄舫龊蛨?chǎng)地剪出2種。
考慮的計(jì)算4種工況如下:天然工況,工況①;正常蓄水工況,工況②;正常蓄水+暴雨(潛在滑體全飽水),工況③;正常蓄水+地震工況,工況④。
4.2.1 計(jì)算方法
計(jì)算方法采用通過(guò)畢肖普法搜索潛在的圓弧滑面,計(jì)算公路外側(cè)坡安全系數(shù)。
4.2.2 穩(wěn)定性計(jì)算成果
根據(jù)上述分析,計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 場(chǎng)地穩(wěn)定性計(jì)算成果
天然狀態(tài)下公路外側(cè)邊坡沿?fù)鯄舫龊蛨?chǎng)地剪出安全系數(shù)分別為0.97、0.98,基本處于極限穩(wěn)定狀態(tài),可能會(huì)產(chǎn)生小規(guī)模的變形。2011年5月前后在水庫(kù)第一次蓄水之前,公路外側(cè)邊坡形成的框格梁鼓出便是邊坡坡體棄渣自身內(nèi)部變形引起。
由于坡體回填料中塊石含量較大,且局部地段存在黏性土,水庫(kù)蓄水后,引起坡內(nèi)動(dòng)水壓力與靜水壓力的變化[20],場(chǎng)地內(nèi)局部地段產(chǎn)生少量沉降裂縫,在正常蓄水工況下,水一方面削弱土體顆粒間摩擦阻力[21],降低剪切強(qiáng)度[22]。引起場(chǎng)地后援有附加荷載的公路外側(cè)邊坡產(chǎn)生變形,進(jìn)而帶動(dòng)場(chǎng)地產(chǎn)生變形。兩種破壞模式安全系數(shù)均為0.95,安全系數(shù)進(jìn)一步降低,邊坡變形可能進(jìn)一步加劇,可能造成失穩(wěn)。
通過(guò)對(duì)場(chǎng)地邊坡高差最大的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算發(fā)現(xiàn),在正常蓄水、疊加暴雨、疊加地震工況下,公路外側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求,均有可能發(fā)生變形破壞。
由于公路外側(cè)坡坡腳距離安置點(diǎn)房屋最近僅3 m左右,無(wú)論哪種破壞模式,邊坡失穩(wěn)必然會(huì)對(duì)場(chǎng)地造成影響,因此,建議對(duì)公路外側(cè)坡應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)工作。
總的來(lái)看,場(chǎng)地前緣防護(hù)堤工程未見變形跡象,堤防工程基本完好,安置點(diǎn)場(chǎng)地整體穩(wěn)定。水庫(kù)蓄水后,場(chǎng)地前緣邊坡坡體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,強(qiáng)度降低[23],引起場(chǎng)地上部后緣S302公路外側(cè)邊坡和安置點(diǎn)場(chǎng)地內(nèi)出現(xiàn)了明顯的變形,通過(guò)對(duì)公路外側(cè)邊坡和場(chǎng)地的變形范圍及特征的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),其符合后坡滑移-前緣場(chǎng)地剪出的變形特征。
在庫(kù)水位上升的影響下,在坡腳已有有效防治的條件下,先發(fā)生變形的是邊坡上部后緣公路外側(cè)坡,而其失穩(wěn)對(duì)邊坡前緣安置點(diǎn)場(chǎng)地產(chǎn)生影響。
在正常蓄水工況下,公路外側(cè)邊坡沿?fù)鯄舫龊蛨?chǎng)地剪出兩種破壞模式安全系數(shù)均為0.95;疊加暴雨作用后,安全系數(shù)降低到0.80和0.85;疊加地震作用下,安全系數(shù)分別為0.62和0.93。說(shuō)明蓄水對(duì)場(chǎng)地及公路外側(cè)邊坡影響一般,安全系數(shù)降幅約為4%;蓄水疊加暴雨影響較大,安全系數(shù)降幅超過(guò)15%;蓄水疊加地震影響最大,公路外側(cè)邊坡沿?fù)鯄舫龅陌踩禂?shù)降幅超過(guò)35%。