竹格多水電站廠(chǎng)房高位覆蓋層邊坡失穩(wěn)原因分析

曾令波，梁 勇

（1.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；2.四川省清源工程咨詢(xún)有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

中國(guó)西南地區(qū)處于青藏高原強(qiáng)烈隆升區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，工程建設(shè)中常常面臨邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)通?？紤]地形、巖土體類(lèi)型及其結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、區(qū)域地質(zhì)地震、氣象等因素，而各因素又隨著人類(lèi)活動(dòng)、氣候條件、水文地質(zhì)條件的變化而發(fā)生改變，從而影響邊坡穩(wěn)定性。本文以竹格多水電站廠(chǎng)房高位覆蓋層邊坡為例，分析研究廠(chǎng)房邊坡的失穩(wěn)原因。

竹格多水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內(nèi)，為黑水河干流馬橋～白溪河段水電梯級(jí)規(guī)劃的第二級(jí)水電站。電站采用低閘引水式開(kāi)發(fā)，閘址位于鐵別村附近，廠(chǎng)房位于紅巖鄉(xiāng)黑水河左岸斜緩臺(tái)地上，為地面廠(chǎng)房方案，廠(chǎng)址區(qū)主要建筑物由主副廠(chǎng)房、開(kāi)關(guān)站、出線(xiàn)場(chǎng)、尾水渠等組成。電站設(shè)計(jì)水頭155.9 m，引水隧洞長(zhǎng)5.374 km，引用流量69.14 m3/s，裝機(jī)容量80 MW，年發(fā)電量為3.790億kW·h。電站主體工程開(kāi)工于2004年11月，2006年5月下閘蓄水投入商業(yè)運(yùn)行，電站主體工程運(yùn)行狀態(tài)良好。

竹格多水電站自2006年建成投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)生過(guò)大規(guī)?；卢F(xiàn)象，廠(chǎng)區(qū)后坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。2020年7月，受持續(xù)降雨影響，廠(chǎng)房后坡覆蓋層坡體穩(wěn)定性逐漸變差，7月26日發(fā)生覆蓋層邊坡滑坡，部分滑坡體物質(zhì)順坡而下，嚴(yán)重威脅到廠(chǎng)區(qū)運(yùn)行安全?；麦w物質(zhì)堆積于半坡上，分布高程高且坡體中后部已產(chǎn)生拉裂縫，一旦再發(fā)生規(guī)模較大的破壞將嚴(yán)重影響電站的運(yùn)行。因此，查明廠(chǎng)房高位覆蓋層邊坡邊界條件和分布范圍，分析邊坡失穩(wěn)原因是提出合理的邊坡治理方案的必要前提。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地震

在大地構(gòu)造上，工程區(qū)位于龍門(mén)山后山“茂汶斷裂”以北、“若爾蓋盆地”以南、近南北向“岷江斷裂帶”以西的“黑水褶皺束”構(gòu)造帶內(nèi)，在大地構(gòu)造部位上地處松潘—甘孜地槽褶皺系之三級(jí)構(gòu)造單元馬爾康地向斜東側(cè)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)。但工程區(qū)外圍（東側(cè)和北側(cè)）斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，主要活動(dòng)斷裂有龍門(mén)山斷裂帶、岷江斷裂帶、虎牙斷裂、松平溝斷裂等。

工程場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自松潘—較場(chǎng)地震帶和龍門(mén)山地震帶強(qiáng)震復(fù)發(fā)的波及影響。據(jù)四川省地震局工程地震研究所對(duì)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)，竹格多水電站廠(chǎng)址的基巖水平峰值加速度為131.7 cm/s2。據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)址區(qū)50年超越概率10%的場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

1.2 基本地質(zhì)條件

高位覆蓋層邊坡位于水電站廠(chǎng)房后方山體，高程為2 300～2 550 m之間，區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層大面積展布，地表主要生長(zhǎng)荊棘、雜草等植被。邊坡自然坡度一般30°～45°，其中高程約2 430 m以下邊坡自然坡度相對(duì)較陡，高程至2 300 m以下基巖裸露，自然坡度驟然變陡，一般50°～75°。邊坡坡腳發(fā)育Ⅰ級(jí)階地，為竹格多水電站地面廠(chǎng)房場(chǎng)地，場(chǎng)地高程一般為2 140～2 150 m，橫坡寬約110 m，順坡長(zhǎng)約200 m。具體如圖1所示。

圖1 高位覆蓋層邊坡全貌

區(qū)內(nèi)出露基巖為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2z）中～厚層狀鈣質(zhì)石英砂巖夾中～薄層砂質(zhì)板巖，偶夾千枚巖，巖層產(chǎn)狀N20°～45°E/NW∠45°～55°。

區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層總體豎直厚度一般為15～47 m，由老至新可將其劃分為2層。①層塊碎石土（gl+fglQ3）：冰川冰水堆積，豎直厚度一般為15～45 m，下部與基巖相接。②層礫石土（dlQ4）：坡積堆積，分布于地形相對(duì)較緩的淺表部，覆蓋于①層之上，豎直厚度一般1～6 m。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大斷層通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為以層面為主的節(jié)理裂隙系統(tǒng)，除層面裂隙外，優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育4組。

1.3 氣象與水文地質(zhì)

結(jié)合歷史降水資料，對(duì)比2020年降水情況，黑水縣多年平均年降水量835.3 mm，但從2018年開(kāi)始降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并逐年突破歷史新高，超過(guò)了1 000 mm，2020年降水達(dá)到了1 188 mm，超過(guò)了歷史平均水平的42.2%（見(jiàn)圖2）。2020年的降水資料顯示（見(jiàn)圖3），該年主要降水集中在6—9月份，其中以6月降水最多，達(dá)到了316.76 mm，超過(guò)歷史同期水平。2020年6、7月工程區(qū)天氣以陰雨連綿天氣為主，基本很少出現(xiàn)晴朗天氣。

圖2 工程區(qū)多年降水統(tǒng)計(jì)

圖3 2020年工程區(qū)降水統(tǒng)計(jì)

區(qū)內(nèi)地下水主要為分布于岸坡基巖裂隙中，由于河谷深切，岸坡谷坡較陡，地下水排泄條件好，水力坡降小，水位埋藏較深，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)泉水出露。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，由岸坡向河谷及下游排泄。

2 物理力學(xué)特征

據(jù)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，①層塊碎石土、②層礫石土均為稍密～中密。據(jù)壓縮試驗(yàn)，①層塊碎石土壓縮系數(shù)a1-2為0.025～0.089 MPa-1，為低壓縮性土。據(jù)飽和快剪試驗(yàn)，①層塊碎石土黏聚力C值為24.3～36.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ值為25.3°～38.0°。

高位覆蓋層邊坡主要由①層塊碎石土和表層少量②層礫石土組成，通過(guò)對(duì)各土層進(jìn)行動(dòng)力觸探及室內(nèi)物性和力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范建議值，土體力學(xué)指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

表1 邊坡覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)取值

3 邊坡分區(qū)及其失穩(wěn)變形特征

自2006年竹格多水電站建成投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，廠(chǎng)房后坡未發(fā)生過(guò)大規(guī)模滑坡現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，邊坡落石現(xiàn)象共發(fā)生了7次，其中2020年發(fā)生了4次，2008年“5·12”地震、2015年7月、2019年7月分別發(fā)生了3次。2020年7月，在持續(xù)降雨影響下廠(chǎng)房后坡覆蓋層坡體穩(wěn)定性逐漸變差，于7月26日發(fā)生覆蓋層邊坡滑坡，部分滑坡體物質(zhì)順坡而下，嚴(yán)重威脅到廠(chǎng)區(qū)運(yùn)行安全。從2020年4月和2020年7月的航拍照片對(duì)比，近年來(lái)邊坡未發(fā)生滑坡現(xiàn)象，也未見(jiàn)明顯的邊坡變形跡象，2020年7月發(fā)生的邊坡滑動(dòng)破壞現(xiàn)象分布于邊坡的前緣。

邊坡地表主要生長(zhǎng)荊棘、雜草等植被，下覆基巖為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2z）中～厚層狀鈣質(zhì)石英砂巖夾中～薄層砂質(zhì)板巖，偶夾千枚巖，巖層產(chǎn)狀N20°～45°E/NW∠45°～55°。巖層走向與邊坡走向呈小角度相交，為順河向谷，巖層傾向與邊坡傾向相反，為中傾角逆向坡。根據(jù)地貌及覆蓋層特征，將覆蓋層邊坡劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)（見(jiàn)圖4）。

圖4 高位覆蓋層邊坡全貌

Ⅰ區(qū)覆蓋層邊坡高程2 425～2 550 m，順坡長(zhǎng)約200 m，橫坡寬約150 m，拔河高度約350 m，地面自然坡度一般25°～37°，自然坡走向N20°～35°E。該區(qū)早期為農(nóng)田，近幾十年已退耕還林。地表為②層坡積礫石土，結(jié)構(gòu)中密，豎直厚度一般為1～6 m；下覆①層冰川冰水堆積塊碎石土，豎直厚度一般為30～45 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，未發(fā)現(xiàn)明顯地表張裂縫和坡體變形痕跡。

Ⅱ區(qū)邊坡高程為2 370～2 455 m，順坡長(zhǎng)約為200 m，橫坡寬約150 m，拔河高度約240 m，地面自然坡度一般36°～45°，自然坡走向N35°～40°E。地表為①層冰川冰水堆積塊碎石土，淺表部結(jié)構(gòu)松散，豎直厚度一般10～30 m。地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)Ⅱ區(qū)有多個(gè)部位發(fā)生了失穩(wěn)滑動(dòng)，統(tǒng)計(jì)出5個(gè)淺表滑坡帶。由于Ⅱ區(qū)下部基巖裸露，自然坡度陡峻，堆積條件差，滑坡物質(zhì)順坡而下，匯聚于后坡沖溝。

Ⅲ區(qū)邊坡高程2 330～2 390 m，順坡寬約20 m，橫坡長(zhǎng)約60 m，拔河高度約200 m，地面自然坡度一般36°～45°，自然坡走向N28°～32°E。地表為①層冰川冰水堆積塊碎石土，淺表部結(jié)構(gòu)松散，豎直厚度一般為2～5 m。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，未發(fā)生變形破壞。

Ⅳ區(qū)邊坡高程為2 330～2 380 m，順坡長(zhǎng)約為110 m，橫坡寬約80 m，拔河高度約200 m，地面自然坡度一般25°～39°，自然坡走向近EW。地表為①層冰川冰水堆積塊碎石土，淺表部結(jié)構(gòu)松散，豎直厚度一般為20～40 m。區(qū)內(nèi)地表干燥，在上游側(cè)沖溝左岸高程2 363 m附近發(fā)現(xiàn)地表滲流，其流量隨高程降低逐漸增大，于高程2 350 m附近隨高程降低又逐漸減小，并于高程2 334 m附近消散于地表之下。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，Ⅳ區(qū)僅一處發(fā)現(xiàn)淺表張裂縫。

4 邊坡失穩(wěn)原因分析

據(jù)勘探鉆孔資料，邊坡下伏基巖斷層或擠壓帶不發(fā)育，覆蓋層中無(wú)滑動(dòng)帶；據(jù)地表調(diào)查，邊坡后緣地裂縫不發(fā)育；Ⅰ區(qū)后緣坑槽探資料顯示，邊坡后緣無(wú)地裂縫，邊坡無(wú)滑動(dòng)跡象。

2008年“5·12”地震對(duì)場(chǎng)址區(qū)影響烈度為Ⅶ度，邊坡未發(fā)生滑移失穩(wěn)現(xiàn)象，整個(gè)廠(chǎng)房后坡僅發(fā)生了零星落石，邊坡整體穩(wěn)定性未受影響。從記錄統(tǒng)計(jì)看，主要落石事件均發(fā)生在“5·12”地震之后。所以“5·12”地震對(duì)邊坡淺表部穩(wěn)定產(chǎn)生了一定影響。

邊坡失穩(wěn)變形發(fā)生在Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)，其成因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）降水原因。據(jù)降雨量資料，近幾年的年降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且逐年突破歷史新高，并于2020年達(dá)到了1 188 mm的歷史新高。據(jù)歷史落石資料統(tǒng)計(jì)，2006年竹格多水電站建成投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，后邊坡少有落石現(xiàn)象發(fā)生，近一年多以來(lái)落石現(xiàn)象增多。2020年6月為該年中最大降水月份，且7月的降水量?jī)H次于6月，該時(shí)間段以陰雨天氣為主，長(zhǎng)時(shí)間的降水而蒸發(fā)小，使土體尤其是地表土體長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。邊坡失穩(wěn)與降水量在發(fā)生時(shí)間上表現(xiàn)出了較密切的相關(guān)性，持續(xù)強(qiáng)降水為邊坡失穩(wěn)的主要原因。

（2）地形原因。Ⅰ區(qū)為早期冰川冰水堆積物，地表覆蓋坡積物，自然坡度一般25°～37°，地形相對(duì)平緩；Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)處于邊坡前緣，第四紀(jì)以來(lái)，區(qū)內(nèi)覆蓋層在重力、雨水、河流下切等地質(zhì)作用下，一直處于覆蓋層流失狀態(tài)，Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)自然坡度一般36°～45°，地形相對(duì)較陡，地表覆蓋層相對(duì)松散，邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。本次邊坡失穩(wěn)發(fā)生在Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)，地形較陡是其發(fā)生的主要原因。

（3）人為因素。除自然因素外，人為因素也對(duì)邊坡穩(wěn)定造成了不良影響。通村公路排水溝的側(cè)向排水通道設(shè)置于公路回頭彎處，為Ⅱ區(qū)1號(hào)滑坡頂部。公路積水通過(guò)此排水線(xiàn)路，積水下滲浸入自然坡體，增加了土體重量，減弱了邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)，加之該部位邊坡自然坡度較陡，促進(jìn)了邊坡失穩(wěn)。長(zhǎng)時(shí)間降水且受公路排水影響，1號(hào)滑坡的滑體物質(zhì)形成了一次小規(guī)模坡面泥石流。通村公路工程排水措施設(shè)置不當(dāng)也是本次滑坡發(fā)生的重要原因。

綜上所述，邊坡由于其地形較陡，表部物質(zhì)松散，在持續(xù)強(qiáng)降水的作用下，加上工程排水措施的影響，前緣發(fā)生多處淺表部失穩(wěn)滑動(dòng)現(xiàn)象。

5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

穩(wěn)定性計(jì)算采用剛體極限平衡法，選?、騾^(qū)典型剖面作為穩(wěn)定分析的計(jì)算剖面（見(jiàn)圖5～6），由于土質(zhì)邊坡無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，故采用土質(zhì)邊坡常用的圓弧形滑面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 高位覆蓋層邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

圖5 Ⅱ區(qū)高位覆蓋層邊坡典型剖面

圖6 暴雨工況覆蓋層邊坡潛在滑弧

Ⅱ區(qū)高位覆蓋層邊坡天然狀態(tài)下安全系數(shù)計(jì)算值為1.205，邊坡整體穩(wěn)定；暴雨工況下安全系數(shù)計(jì)算值為1.014，邊坡存在淺表部滑移失穩(wěn)的可能，邊坡表部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；地震作用下的安全系數(shù)計(jì)算值為1.065，邊坡整體基本穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果與邊坡失穩(wěn)原因分析結(jié)果基本一致，邊坡失穩(wěn)主要發(fā)生在前緣淺表部，穩(wěn)定性受集中降雨控制。

6 結(jié) 論

（1）邊坡上部為②層坡積礫石土，下覆①層冰川冰水堆積塊碎石土，覆蓋層總體豎直厚度一般為15～47 m。自2006年竹格多水電站建成投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)生過(guò)大規(guī)?；卢F(xiàn)象，廠(chǎng)區(qū)后坡基本穩(wěn)定。2020年在連續(xù)降雨后，于7月26日發(fā)生Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)邊坡淺表部滑坡。邊坡失穩(wěn)與降水量在發(fā)生時(shí)間上表現(xiàn)出了較密切的相關(guān)性，持續(xù)強(qiáng)降水為邊坡失穩(wěn)的主要原因。

（2）邊坡近幾十年落石記錄均發(fā)生在“5·12”地震之后，勘探未發(fā)現(xiàn)深部滑動(dòng)面。故“5·12”地震未對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性造成影響，但對(duì)邊坡淺表部穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響。

（3）不利的地形條件和設(shè)置不當(dāng)?shù)墓放潘胧┮彩前l(fā)生本次滑坡的重要原因。

（4）穩(wěn)定性計(jì)算表明，邊坡失穩(wěn)主要發(fā)生在前緣淺表部，穩(wěn)定性受集中暴雨控制。

（5）邊坡的穩(wěn)定性受到了地震、降水及人為因素的影響，建議定期對(duì)邊坡穩(wěn)定性因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。同時(shí)，邊坡滑動(dòng)模式為表部牽引式滑動(dòng)，建議對(duì)邊坡進(jìn)行護(hù)坡處理，保證廠(chǎng)區(qū)運(yùn)行安全。