某水利樞紐近壩庫岸滑坡體穩(wěn)定分析及評(píng)價(jià)

徐廣勇

(費(fèi)縣許家崖水庫管理中心,山東 臨沂 273400)

某水利樞紐工程的主要建筑等級(jí)為二級(jí),大壩以上控制水面357.0km2,防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為2 000 年一遇,水庫容量1.257×108m3,電站容量23MW。 樞紐工程主要建筑包括堤壩、溢流壩、引水渠、隧洞及電站等,是一座以灌溉發(fā)電為主、兼顧防洪等綜合開發(fā)的大型水庫。

通過地質(zhì)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、校核等方法,對(duì)鄰近堤壩周邊滑坡體進(jìn)行較為全面、系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估,分析該滑坡體的安全狀態(tài)。

1 樞紐工程地質(zhì)概況

研究區(qū)地形整體表現(xiàn)為“北西高、南北低”的特征,其分布與主構(gòu)型基本一致。 區(qū)域谷底溝壑縱橫,山巒起伏,海撥高度一般為3 500～5 500m,相對(duì)高差2 000～2 500 m,屬于山地地形。 壩址區(qū)的谷地基本上是平直的,具有典型的V 形剖面形狀。 河漫灘多,通常高出河面1～2 m,河底在兩者之間穿行,近代河道在峽谷右側(cè)。 壩軸線處,其寬度10～35m,深度40m 左右,河底不平坦,且左側(cè)有一條深溝[1]。 大壩的左岸以巖體為主,其壩軸下游和右側(cè)的邊坡以第四系疏松堆積體為主,厚35～85m。

壩區(qū)基巖以左右岸為多,全為二疊紀(jì)上世大石包組(P2d)呈暗灰色、致密的大玄武巖,整體穩(wěn)定性好,出露高度3 030～3 050m。 在河谷右側(cè),廣泛分布著崩積、坡積和泥石流的混合堆積,其分布范圍3 020～3 350m,長度680m,寬度160～310m,厚度17～53m,容積535.3×104m3,其面積為裙?fàn)?坡度為10°～30°,以玄武巖、碎石和泥沙為主,碎石局部直徑為20～150cm。 山坡上植物密集,部分地區(qū)有塌方[2]。 水庫蓄水后,其前緣斜坡面受淹,根據(jù)斜坡的斜度,有發(fā)生塌方的危險(xiǎn)。 河道沉積物成分比較復(fù)雜,厚度35～85 m。

2 近壩右岸滑坡體穩(wěn)定分析

2.1 滑體特征

滑坡體位于大壩上游和下游的左岸,距離大壩基礎(chǔ)0.3km,兩側(cè)邊界高度差異接近100m,滑坡總體長度400m×260m,總體積260×104m3。 組成材料的上部為料石和碎渣石混合±塊,厚度15～22m 左右;下部為滾石,主要為前寒武紀(jì)的質(zhì)變板、千枚巖、多為強(qiáng)烈的風(fēng)化巖,厚度20～30m左右。 由于泥石流涌入河床,改變了河水的流向,導(dǎo)致對(duì)河水的沖刷加劇。

該滑坡有3 個(gè)層次的滑動(dòng)面：①滑坡平面沿東北方向平行延伸,厚度5～10m,為沙±,局部有礫±,±壤具有塑性;②滑動(dòng)表面為黃、黑、帶沙的砂粒,地表無顯著的反射;③為半圓型,沿F12剖面控制,厚度2～3m,底部黏泥經(jīng)剪切后呈光滑的鏡面,有明顯的刮擦痕跡。 整體上,滑床由上而下、外側(cè)倒斜,呈現(xiàn)一種變型形態(tài);在掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)許多的張開裂縫,與滑動(dòng)方向大致垂直。

2.2 滑坡成因機(jī)制

滑坡的成因與周圍的地質(zhì)條件密切相關(guān),主要是由前寒武紀(jì)的片狀板巖和千枚巖組成,容易淤積,層理發(fā)育;巖體中節(jié)理斷裂發(fā)育程度高,特別是走向N30-50°、趨向北東、傾斜角度60°～70°節(jié)理及方向構(gòu)成,對(duì)坡體穩(wěn)定性不利。 其走向趨向與斜坡的方向接近,并趨向斜坡外側(cè),因此構(gòu)成剪力失效;在F12 橫向剖面和邊坡的控制下、在F15 的上游和上游的切割面控制下、在降水和重力的綜合作用下,使邊坡發(fā)生翻轉(zhuǎn)[3]。

2.3 滑坡體穩(wěn)定分析

可研階段對(duì)該滑坡進(jìn)行勘探,其成果見表1、表2。

表2 滑坡體穩(wěn)定分析物理力學(xué)指標(biāo)采用值表

在此基礎(chǔ)上,分為3 種工作條件。 工作條件1：為自然狀態(tài),地下水位根據(jù)鉆孔的狀態(tài)而暴露;工作條件2：水庫水位為148.00m,根據(jù)鉆孔暴露情況計(jì)算出地下水位為宜;工作條件3：水庫水位由148.00m 突然降低至137.00m,假設(shè)地下水沒有及時(shí)排水,但仍維持在148.00m[4]。 在核實(shí)和估算中,假設(shè)兩側(cè)的滑移摩擦沒有被考慮在內(nèi),滑坡自身的擠壓應(yīng)力剪斷與斷裂表面均按照平行直線進(jìn)行,整體的曲線滑動(dòng)。 滑坡體穩(wěn)定分析計(jì)算成果見表3。

表3 滑坡體穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

水庫水位驟降時(shí),滑坡排水管的質(zhì)量較高,因此所造成的滲流壓力極有可能較小,為安全問題,仍以最差情況為考量;在高水位條件下,露出海面面積約為600 000m2,所占斜面面積相對(duì)較少。

結(jié)果顯示,剖面1-1 在設(shè)定工況2、工況3 條件下,穩(wěn)定安全率低于1.0,只有3 個(gè)滑面,一級(jí)和二級(jí)滑面的安全因子均大于1.0;剖面2-2 的3 個(gè)滑面在3 個(gè)工況下,安全度均在1.0 以上[5]。

第三滑面高度185.0m,滑帶厚度2～3m,位于水庫的標(biāo)準(zhǔn)蓄水位148.0m 以上。 實(shí)際上,第三滑面的具體工況應(yīng)該僅有工況1 能夠滿足即純天然情況,原先地質(zhì)勘查鉆井地下水位因?yàn)樗畮焖坏纳仙?也會(huì)帶來抬高;但其高度始終停留在148.0m 左右。 在工況2 和工況3 條件下,第一、第二級(jí)滑面的剖面1-1 和剖面2-2 的平滑、安全性指標(biāo)均高于1.0。

在未采取任何工程措施的情況下,滑坡總體處于穩(wěn)定的位置。 但蓄水后,隨著庫容的迅速降低,滑坡處于不均衡的位置。

3 近壩右岸滑坡體治理

3.1 近壩右岸滑坡體治理措施

由于滑坡體體積龐大,且與堤壩相鄰,蓄水量過高,一旦出現(xiàn)破壞,將會(huì)對(duì)壩體的安全造成較大影響,因此,治理工程方案是削坡減荷。 采用分層的方式進(jìn)行挖掘,每級(jí)高度不超過15m,服務(wù)平臺(tái)寬度5～8m,坡度1：1。

在工程建設(shè)中,對(duì)滑坡體進(jìn)行切坡卸荷處理。 在120.0～170.0m 的基坑中,以二次粗糙面段為主,采取分層方法,開挖±石量40 000m3左右。 該滑坡的卸荷能力約840×104t(在巖石和±壤方面,約為2. 1 kg/cm3),采用反鏟和挖機(jī)施工。

3.2 削坡減載后滑坡體穩(wěn)定分析

3.2.1 摩根斯頓-普賴斯方法穩(wěn)定分析

對(duì)于具有破碎構(gòu)造和散體構(gòu)造的巖質(zhì)邊坡,在滑動(dòng)面為非弧形時(shí),應(yīng)選用摩根斯頓-普賴斯方法和不均衡推力轉(zhuǎn)移方法,進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析。

利用Geo-Studio 的Slope 控制器,可實(shí)現(xiàn)斜坡穩(wěn)定性驗(yàn)證和分析。 該方法可以自行確定滑動(dòng)表面,求出最小安全系數(shù)和相應(yīng)的滑動(dòng)電弧位置。 該剖面取基坑開挖后的實(shí)際剖面,其物性、機(jī)械性能和剖面體系劃分都是前期的。

1)計(jì)算成果。 根據(jù)假定準(zhǔn)則,對(duì)所需加載及3 種工況進(jìn)行分析,滑動(dòng)體分析結(jié)果見表4。 每個(gè)工況狀態(tài)下的滑裂弧值見圖1-圖4。

圖1 剖面1-1 各滑動(dòng)面天然工況下最小安全系數(shù)計(jì)算成果圖

圖2 剖面1-1 正常蓄水位148m 工況下最小安全系數(shù)

圖3 剖面1-1 水位驟降至137m 工況下最小安全系數(shù)

圖4 剖面2-2 三級(jí)滑動(dòng)面各工況下最小安全系數(shù)

表4 滑坡體穩(wěn)定分析計(jì)算成果表(削坡減載后)

2)滑坡體穩(wěn)定分析。 根據(jù)《水利水電邊坡設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 386-2007),三峽水利樞紐工程屬于II 類,主要永久性房屋為2 類。 這種邊坡對(duì)房屋結(jié)構(gòu)造成的損害較為嚴(yán)重,屬于2 類,采用臨界均衡方法計(jì)算,最小安全值1. 25～1. 20,異常值1.20～1.15。 計(jì)算結(jié)果表明,剖面1-1 一級(jí)滑面和剖面2-2 三級(jí)滑面的安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求,而剖面1-1 三級(jí)滑面的安全系數(shù)均大于1.0,但低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。 表明整個(gè)邊坡總體上是比較穩(wěn)定的,但其安全程度并不高。

在該滑坡的開挖過程中,因其在開挖過程中的卸荷方、卸荷類型較少,而且主要分布在滑坡中部,將對(duì)壩頂高程150.00～180.00m 滑坡造成不利的影響,運(yùn)行中滑體一旦下降,嚴(yán)重危害大壩安全。 建議按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)增設(shè)監(jiān)控裝置,密切注意其變化情況,及時(shí)處置,確保工程項(xiàng)目的正常運(yùn)行。

3.2.2 有限元法邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)所給出的主參數(shù)E、μ、c、φ、r,在此基礎(chǔ)上,用自然狀態(tài)下的c數(shù)值計(jì)算;密度按自然重度r計(jì)算;在水庫蓄水之前,在自然條件下,內(nèi)部摩擦力角度φ=30°,可以得出n=1.30。

某水利樞紐近壩庫岸工程附近斜坡斷面,蓄水工程前期的穩(wěn)定分析結(jié)果顯示,由于水位上升,邊坡穩(wěn)定降低至臨界阻尼的平衡狀態(tài),表明水庫在蓄水之前必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。 在由常規(guī)的3 090.0m 的水庫水位下降至靜止的3 037.0m過程中,不同時(shí)刻斜面上的水位在變化過程中,在發(fā)生53 天的洪水退潮后,由滑坡體的穩(wěn)定情況可知,隨著時(shí)間的推移,水庫水位高度一直在下降,斜坡的穩(wěn)定性也是如此。 這是由于水庫水位在降落前期,±層有向外的滲透力,而±層含水量則從飽和到非飽和,這些都會(huì)導(dǎo)致±層的穩(wěn)定性下降;在水庫水位降落的中后期,±層的水位會(huì)逐漸下降,±層的滲透性會(huì)逐漸減弱,而一些疏松的±質(zhì)則會(huì)從飽和變成干實(shí)密度,此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性和安全度出現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。 另外,當(dāng)處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡,其穩(wěn)定性最大的安全因子為0.924。 在波浪作用下(波浪高度15m)時(shí),斜面的穩(wěn)定性和安全系數(shù)比一般的水位值有顯著下降。 見圖5。

圖5 蓄水前邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

剖面1 對(duì)應(yīng)的部位斜坡的可靠度安全系數(shù)在自然條件下大于115,但當(dāng)蓄水后發(fā)生洪水或發(fā)生地震災(zāi)害時(shí),庫水從標(biāo)準(zhǔn)水位3 090m 下降至3 037m。 在工程期間,從堤防(壩基)攔洪高度3 033m 降至河流水位3 012m 等情況下的滑坡體可靠性安全系數(shù)超過105,表明該滑坡體總體處于平衡狀態(tài);只匹配剖面1 是水庫蓄水后發(fā)生地震災(zāi)害,匹配剖面2 是蓄水后遭遇強(qiáng)降雨或地震災(zāi)害,庫水位線由3 090m 下降至3 037m,在一定程度上甚至小于1,表明水庫蓄水后存在著一定的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

水利樞紐滑坡體在施工過程中,由于滑坡和中下游堤岸的穩(wěn)定性較低,對(duì)施工的安全性造成了極大影響。 雖然通過削坡減荷可解決該問題,