弱膠結(jié)寬級配卵漂石工程地質(zhì)特性及邊坡穩(wěn)定性研究

雷世兵 黃振偉 蒲進 張濤 孫韜 熊宇康

收稿日期：2023-09-20

基金項目：

中國大唐集團有限公司科研項目“西藏扎拉水電站工程區(qū)弱膠結(jié)卵漂石混合土工程特性及邊坡穩(wěn)定性研究”（CWEME-2404XZ-F002）

作者簡介：

雷世兵，男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察與研究工作。E-mail：94213148@qq.com

引用格式：

雷世兵，黃振偉，蒲進，等.

弱膠結(jié)寬級配卵漂石工程地質(zhì)特性及邊坡穩(wěn)定性研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：27-32，42.

摘要：

青藏高原山區(qū)河流階地發(fā)育，區(qū)域內(nèi)卵漂石具有弱膠結(jié)、寬級配、超大粒徑顆粒含量較多等特點，工程地質(zhì)特性及邊坡穩(wěn)定性研究難度大。采用現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)試驗和地質(zhì)調(diào)查測繪等方法，初步查明西藏扎拉水電站工程區(qū)卵漂石顆粒級配及抗剪強度。通過近景測量攝影、圖像處理技術(shù)與常規(guī)顆粒分析試驗相結(jié)合可確定顆粒級配，基于實測邊坡地形和調(diào)查穩(wěn)定坡角，結(jié)合穩(wěn)定性反演計算可獲得抗剪強度參數(shù)。結(jié)果表明：天然和飽水條件下卵漂石的內(nèi)摩擦角差別不大，但飽水條件黏聚力僅為天然條件的25%～40%，由此對正常蓄水位以下、以上的庫壩區(qū)邊坡分別采取不同的支護措施，確保了處理方案的安全性與經(jīng)濟性。研究結(jié)果可為庫壩區(qū)卵漂石邊坡穩(wěn)定性計算評價及處理方案設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

弱膠結(jié)； 寬級配； 卵漂石； 地質(zhì)特性； 邊坡穩(wěn)定性； 扎拉水電站

中圖法分類號：O319.56

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.005

文章編號：1006-0081（2024）06-0027-06

0? 引? 言

西南地區(qū)為高山峽谷地貌，構(gòu)造運動強烈，海拔高，天氣寒冷。在特殊的地形地質(zhì)環(huán)境和氣候條件下，河流階地發(fā)育，階地物質(zhì)成分復(fù)雜，由粗粒土、細粒土組成，且主要為卵漂石［1］，卵漂石具有弱膠結(jié)、寬級配、超大粒徑的漂石含量較多等3個顯著特點。在這些河流上興建水利水電工程，涉及卵漂石地基與邊坡的利用及加固等關(guān)鍵地質(zhì)問題，需要對工程地質(zhì)特性進行研究。

目前，針對上述卵漂石乃至弱膠結(jié)寬級配的巨（粗）粒土，工程勘察重點在于探查、分析其空間分布和地質(zhì)結(jié)構(gòu)及成因機制［2-4］，對工程地質(zhì)特性研究并不深入。顆粒級配和抗剪強度是土最重要的工程地質(zhì)特性，顆粒級配在很大程度上又影響著抗剪強度，由于巨（粗）粒土顆粒粒徑分布范圍很廣，大者直徑可達10 m以上，小者為小于0.075 mm的粉粒、黏粒，采用現(xiàn)行技術(shù)標準進行顆粒分析試驗以取得準確的級配數(shù)據(jù)變得相當困難［5］。巨（粗）粒土抗剪強度一般依據(jù)試驗數(shù)據(jù)取值，但擾動樣破壞了原始的膠結(jié)性，且通過采用剔除法、等量替代法、相似級配法、結(jié)合法等超粒徑顆粒處理配樣后［6］，試驗樣品已不能代表其天然級配。受剪切試驗儀器設(shè)備的限制，只能選擇巨（粗）粒土中的細顆粒相對集中的部位進行原位剪切，白金朋等［7］在蘇洼龍水電站壩前堆積體原位直剪試驗中采用的剪切盒尺寸為50 cm×50 cm×35 cm；張濤等［8］在拉洛水利樞紐近壩堆積體原位直剪試驗中采用的剪切盒尺寸為55 cm×55 cm×35 cm，盡管剪切盒的尺寸在不斷加大，但仍較最大顆粒小得多。在巨（粗）粒土邊坡穩(wěn)定性計算方面，極限平衡解析法和數(shù)值法均得到了比較廣泛的應(yīng)用［9-12］。

本文依托西藏扎拉水電站，對庫壩區(qū)廣泛分布的寬級配弱膠結(jié)卵漂石的工程地質(zhì)特性及邊坡穩(wěn)定性進行了勘察研究，取得了初步成果，可為西藏自治區(qū)境內(nèi)首個已（在）建的裝機百萬千瓦水電站設(shè)計與建設(shè)提供支撐。

1? 工程概況及場地地形地質(zhì)條件

扎拉水電站主要任務(wù)是發(fā)電，以及促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展。電站采用混合式開發(fā)，壩址控制流域面積8 546 km2，多年平均流量110 m3/s，多年平均徑流量34.7億m3，水庫正常蓄水位2 815 m，死水位2811.5 m，總庫容914萬m3，總裝機容量1 015 MW，多年平均發(fā)電量39.46億kW·h，為Ⅱ等大（2）型工程。2020年12月，扎拉水電站獲得核準，成為西藏自治區(qū)首個已（在）建的百萬裝機容量水電工程，計劃于2027年9月完工。

扎拉電站工程地處青藏高原東南部，高山峽谷地貌，新構(gòu)造運動強烈［13］。庫壩區(qū)河流總體流向自北北西至南南東，局部河段發(fā)育小而緩的彎道，主河床寬一般20～50 m，河水位2 760～2 815 m。沿河呈帶狀連續(xù)發(fā)育有Ⅱ、Ⅲ級階地，均為基座階地。Ⅱ級階地臺面高程2 810～2 860 m，寬20～200 m，拔河高45～100 m。Ⅲ級階地臺面高程2 860～2 900 m，臺面寬50～100 m，拔河高80～115 m。階地基座不平，部分地段有較大的起伏和深槽，深槽最低處接近現(xiàn)代河床。階地前緣斜坡一般為陡壁或陡坡，坡角多為45°～65°，最大坡角可達75°以上。階地物質(zhì)主要為第四系更新統(tǒng)沖積（Qpal）卵漂石，下伏基巖為二疊系下統(tǒng)納錯群第一段（P1nc1）、三疊系中統(tǒng)忙懷組（T2m）板巖和局部侵入的印支期花崗閃長巖（γδ51）。

2? 物質(zhì)組成及級配

2.1? 物質(zhì)組成

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，庫壩區(qū)河流兩岸分布的Ⅱ，Ⅲ級階地形成于第四紀更新世（Qp），物質(zhì)為卵漂石，粗顆粒呈次圓狀、圓狀（圖1），屬沖積成因類型。卵漂石結(jié)構(gòu)密實，以泥質(zhì)弱膠結(jié)為主，局部含較多鈣質(zhì)，膠結(jié)程度中等（圖2），充填少量砂和粉黏粒。

卵漂石中粗顆粒原巖成分主要為花崗巖、花崗閃長巖及變質(zhì)砂巖、輝長巖等，花崗巖、花崗閃長巖飽和單軸抗壓強度Rb為68.2～86.3 MPa，變質(zhì)砂巖Rb為101.7～186.5 MPa，輝長巖Rb為114.5～241.5 MPa，均屬堅硬巖（Rb＞60 MPa）［14］。

2.2? 天然重度

在階地平臺上開挖了8個試坑，考慮到卵漂石中超大粒徑顆粒含量較多，為準確反映卵漂石的天然重度，需要開挖較一般土取樣所需的更大的試坑，但試坑尺寸越大也意味著取樣及試驗工作量增加。因顆粒最大粒徑為1.0 m，但這種超大漂石數(shù)量少僅偶見，綜合試驗工作量和成果可靠性兩方面因素，采用試坑基本上呈邊長2 m左右的立方體，邊長約為最大粒徑的2倍。

采用灌水法［6］進行試驗，共取得8組試驗數(shù)據(jù)，重度最小值為24.3 kN/m3，最大值為26.1 kN/m3。試驗樣本標準差為0.561 kN/m3，變異系數(shù)0.022，各試驗數(shù)據(jù)均在合理范圍之內(nèi)。因此，取上述8組試驗數(shù)據(jù)的平均值25.2 kN/m3作為卵漂石的天然重度。

2.3? 級? 配

在現(xiàn)場按照現(xiàn)行技術(shù)標準，對開挖的8個試坑卵漂石樣品進行顆粒分析試驗，對其中4個試坑樣品分別平行實施2組，另4個試坑樣品實施1組，總共獲得了12組試驗數(shù)據(jù)。在試驗過程中，對粒徑大于350 mm的大漂石，先測量其尺寸，然后根據(jù)形狀和密度，估算單個大漂石的質(zhì)量。對粒徑小于350 mm 的顆粒，采用大臺秤、小臺秤和天平稱量質(zhì)量，大臺秤量程為150 kg，小臺秤量程為30 kg，大、小臺秤配合使用可在確保稱量準確的同時提高工作效率［15］。

根據(jù)現(xiàn)場顆粒分析試驗成果（表1），粒徑大于350 mm的漂石含量為4.5%～12.9%，平均值9.2%；粒徑350～200 mm的漂石含量7.3%～27.3%，平均值17.2%；粒徑200～20 mm的卵石含量35.3%～58.7%，平均值42.7%；粒徑20～2 mm的礫石含量6.9%～22.7%，平均值13.6%；粒徑2～0.075 mm的砂含量6.9%～26.8%，平均值14.5%；粒徑小于0.075 mm的粉黏粒含量0.8%～4.9%，平均值2.8%。

針對這種寬級配卵漂石，采用一般土顆粒分析試驗方法存在以下不足：①? 試樣質(zhì)量較大（所需樣品是常規(guī)的3倍以上），同時篩分工作量較大、工時較長（工時是常規(guī)的4倍以上）；② 對大漂石，因稱量不便而通過測量尺寸估算質(zhì)量，造成試驗成果誤差較大；③ 開挖試坑不適用靈活、便捷的人工方式，需租用重型機械設(shè)備，增加了工作經(jīng)費。

為克服上述不足，研究過程中還創(chuàng)新采用近景測量攝影、圖像處理技術(shù)與常規(guī)顆粒分析試驗相結(jié)合的方法來確定卵漂石的顆粒級配。經(jīng)對比（圖3），新方法獲得的級配曲線處于前述現(xiàn)場顆粒分析上包線、下包線之間且接近中間線，成果準確、可靠。此方法無需開挖深大試坑和現(xiàn)場稱（測）量（超）大顆粒質(zhì)量，操作簡便，可顯著提高工效、保障安全。

3? 抗剪強度

3.1? 現(xiàn)場直剪試驗

在卵漂石試坑中取擾動樣，根據(jù)DL/T 5356《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》要求，剔除了5 cm以上的顆粒后，按干密度制成重塑樣品。重塑樣品為25 cm×25 cm×25 cm的立方體，最大正壓力1 MPa，在現(xiàn)場開挖的平硐內(nèi)進行試驗。

共完成了直剪試驗4組，試驗值：黏聚力10～40 kPa、摩擦系數(shù)0.35～0.46。對4組23點數(shù)據(jù)進行擬合，得到試樣的綜合抗剪強度：黏聚力為0、摩擦系數(shù)為0.45（表2）。

3.2? 岸坡穩(wěn)定坡角調(diào)查

通過實測河流兩岸臨河的卵漂石岸坡地形斷面，對未出現(xiàn)變形的現(xiàn)狀岸坡坡角進行統(tǒng)計，作為卵漂石的穩(wěn)定坡角。結(jié)合訪問當?shù)孛癖姾秃樗圹E研究，可分別調(diào)查出河流最高洪水位至平水位之間、最高洪水位以上這兩個部分的穩(wěn)定坡角。

沿河流選擇卵漂石岸坡完成實測地形斷面31條，斷面方向與岸坡走向基本垂直，并繪制地形斷面圖，在圖上量測地形坡角進行統(tǒng)計（表3）。以平均值～（平均值+最大值）/2作為岸坡不同部位的穩(wěn)定坡角，即最高洪水位至平水位之間的卵漂石岸坡穩(wěn)定坡角為30.0°～32.5°，最高洪水位以上的卵漂石岸坡穩(wěn)定坡角為45°～49°。

3.3? 反演分析

根據(jù)岸坡坡角調(diào)查結(jié)果，河流最高洪水位至平水位之間的卵漂石穩(wěn)定坡角為30.0°～32.5°。這個部位的岸坡是在河流歷史上長期且周期性洪水作用下形成的穩(wěn)定坡形，包含飽水和洪水沖刷兩個因素，即上述穩(wěn)定坡角是卵漂石在飽水和洪水沖刷作用下的自然休止角。如果沒有洪水沖刷作用，而只考慮飽水作用，那么卵漂石的自然休止角會比上述穩(wěn)定坡角大。因此，經(jīng)綜合考慮，飽水條件下卵漂石的內(nèi)摩擦角取34°～36°比較穩(wěn)妥；用于反演分析計算時，天然條件下卵漂石的內(nèi)摩擦角取36°～38°。飽水條件的卵漂石摩擦系數(shù)是天然條件的0.85～0.90倍，符合礫石土抗剪強度的一般規(guī)律［16］。

河流兩岸分布Ⅱ、Ⅲ級階地，前緣斜坡高陡。在地質(zhì)調(diào)查和測繪過程中，發(fā)現(xiàn)部分岸段的階地卵漂石斜坡發(fā)生了變形，坡頂平臺發(fā)育有順河向裂縫，裂縫寬1～5 cm，裂縫外側(cè)階地平臺有下座跡象，臺面向臨空方向傾斜（圖4）。另外，階地臨河斜坡總體坡角多為45°～65°，但斜坡下部坡角相對較小，一般不超過35°，這部分岸坡分布于河流最高洪水位以下，相對較緩的坡形是岸坡受河水沖刷作用的結(jié)果（圖4）。

選取以上典型地質(zhì)剖面進行邊坡穩(wěn)定性反演分析。對上部已出現(xiàn)變形跡象的邊坡，根據(jù)變形裂縫的分布確定潛在滑移面位置，此時滑移體的穩(wěn)定性系數(shù)為0.98。經(jīng)反演分析，天然條件下卵漂石黏聚力為40～50 kPa。對于最高洪水位以下的邊坡，受河流洪水長期作用，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)可取1.20，經(jīng)反演分析，飽水條件下卵漂石黏聚力為10～20 kPa。

3.4? 抗剪強度參數(shù)取值

庫壩區(qū)廣泛分布卵漂石，確定其抗剪強度是相當困難的。首先，卵漂石中含較多超大粒徑的大漂石，受限于現(xiàn)有試驗設(shè)備及方法，無法進行現(xiàn)場原位剪切試驗，也無法采取原狀樣進行室內(nèi)試驗。其次，即使采取擾動樣重塑后進行試驗，重塑后樣品的顆粒組成已不能反映卵漂石的原始級配，更不具有卵漂石天然的弱膠結(jié)特性，試驗結(jié)果不準確。另外，對這種弱膠結(jié)寬級配粗粒土，國內(nèi)外尚未開展系統(tǒng)且深入的研究，也缺少相關(guān)工程經(jīng)驗。

根據(jù)該工程卵漂石擾動樣處理后的直剪試驗，黏聚力C=0、摩擦系數(shù)f=0.45（對應(yīng)內(nèi)摩擦角24.5°），此值僅相當于一般沉積形成的砂的抗剪強度。很明顯，按現(xiàn)行試驗標準進行的擾動樣重塑后的試驗，其結(jié)果不能作為弱膠結(jié)寬級配卵漂石的抗剪強度。

基于邊坡不同部位的穩(wěn)定坡角調(diào)查，結(jié)合穩(wěn)定性反演計算，為準確獲取弱膠結(jié)寬級配卵漂石的抗剪強度提出了新思路。經(jīng)綜合分析，提出扎拉水電

站工程區(qū)卵漂石抗剪強度：天然條件下黏聚力C為40～50 kPa，內(nèi)摩擦角Φ為36°～38°；飽水條件下黏聚力C為10～20 kPa，內(nèi)摩擦角Φ為34°～36°。相對于天然條件下，飽水后的卵漂石內(nèi)摩擦角略有降低，但差別較小，主要原因是卵漂石中粒徑較大的卵石、漂石含量較多。飽水后的卵漂石黏聚力則大為降低，僅為天然條件黏聚力的25%～40%，這是經(jīng)飽水后卵漂石的弱膠結(jié)性逐漸減弱甚至喪失造成的。

4? 邊坡穩(wěn)定性計算及防護措施

穩(wěn)定性計算采用SLOPE/W軟件中的剛體極限平衡Morgenstern-Price法，計算工況分別考慮了天然工況（河水位2 770 m）、持久工況（正常蓄水位2 815 m）、短暫工況（水位從正常蓄水位2 815 m消落至死水位2 811.5 m過程）、偶然工況（正常蓄水位2 815 m+地震，地震水平向加速度為1.53 g）。

根據(jù)DL/T 5353《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，考慮卵漂石邊坡規(guī)模大，且分布在右壩肩及近壩，邊坡屬A類Ⅱ級邊坡，設(shè)計安全系數(shù)取值：持久工況1.10、短暫工況1.05、偶然工況1.05。穩(wěn)定性

計算結(jié)果（表4）表明，天然工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)0.963，不穩(wěn)定，滑動范圍為高程2 834～2 870 m的

邊坡上部；其余工況邊坡穩(wěn)定性系數(shù)0.860～1.048，特別是庫水位消落時穩(wěn)定性系數(shù)最小，且均小于設(shè)計安全系數(shù)，失穩(wěn)范圍擴大到邊坡高程2 780～2 890 m整體，應(yīng)進行邊坡防護。

對卵漂石邊坡，鑒于水庫蓄水對卵漂石的軟化特別是使其膠結(jié)性降低，庫水以下的邊坡穩(wěn)定容易惡化，因此相對于正常蓄水位以上的邊坡，以下邊坡支護將加強（圖5）。卵漂石邊坡正常蓄水位以下，開挖坡比為1∶1，每隔10 m布置一級2 m寬馬道，同時采用“系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土+混凝土板+錨索+排水孔”的綜合支護措施，預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格1 000 kN，長度35～40 m，間排距4.5 m×4.5 m。正常蓄水位以上邊坡，開挖坡比1∶0.9，每隔15 m布置一級3 m寬馬道，同時采用“鋼筋混凝土板+系統(tǒng)錨桿+排水孔”的綜合支護方式。

5? 結(jié)? 論

中國西南地區(qū)和青藏高原河流眾多，河谷廣泛分布弱膠結(jié)寬級配的卵漂石。在這些河流上建設(shè)水利水電工程，一般會涉及到卵漂石的利用與改造，應(yīng)充分認識其工程地質(zhì)特性。在扎拉水電站勘察過程中，通過創(chuàng)新試驗及分析方法，初步解決了如何確定弱膠結(jié)寬級配卵漂石顆粒級配、抗剪強度等難題，為庫壩區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算評價及處理方案設(shè)計提供了地質(zhì)依據(jù)。

（1） 采用近景測量攝影、圖像處理技術(shù)與常規(guī)顆粒分析試驗相結(jié)合的方法來確定卵漂石的顆粒級配，近景測量攝影、圖像處理技術(shù)用于難以稱（測）量的（超）大顆粒，常規(guī)顆粒分析試驗用于細小顆粒。該方法成果準確、可靠，提高工效，節(jié)省工時與費用，值得在類似工程領(lǐng)域中推廣。

（2） 基于實測卵漂石邊坡地形和調(diào)查河流洪水位變動帶、最高洪水位以上坡段的穩(wěn)定坡角，并結(jié)合穩(wěn)定性反演計算，獲得了弱膠結(jié)卵漂石的抗剪強度參數(shù)。該方法克服了現(xiàn)有試驗的局限性，為確定弱膠結(jié)寬級配超大粒徑粗粒土的抗剪強度提供了新思路。

（3） 根據(jù)卵漂石邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，對庫壩區(qū)正常蓄水位以上的天然邊坡和以下的變飽和條件邊坡分別采取強弱不同的防護措施，保證了弱膠結(jié)卵漂石邊坡處理的安全性和經(jīng)濟性。目前，部分壩肩和近壩岸坡的開挖及支護工作已實施完畢，根據(jù)施工期監(jiān)測資料分析，坡表變形及錨索、錨桿應(yīng)力值均在設(shè)計允許范圍之內(nèi)，邊坡運行正常。

（4） 有關(guān)卵漂石包括超大粒徑粗粒土的膠結(jié)程度如何量化、膠結(jié)性對其力學特性的影響機理，以及膠結(jié)的超大粒徑粗粒土在庫水、降雨作用下的滲透特性等，在今后的工作中還需進一步深化研究。

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（編輯：李? 慧）

Study on engineering geological characteristics and slope stability of weakly cemented widely graded pebble and boulders

LEI Shibing1，2，HUANG Zhenwei1，2，PU Jin3，ZHANG Tao1，2，SUN Tao1，2，XIONG Yukang1，2

（1.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

3. Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China）

Abstract：

Rivers and terraces are developed in the Qinghai-Xizang Plateau areas. The boulders in this area have the characteristics of weak cementation，wide gradation，and high content of super-large particles，so it is difficult to study their engineering geological characteristics and slope stability. By field test，indoor test and geological investigation，the grain composition and shear strength of boulder and cobble in Xizang Zhala Hydropower Station were investigated，and the grain composition of boulder and cobble can be accurately determined by combining close-range measurement photography，image processing technology with conventional grain analysis test. The shear strength parameters of boulders can be accurately obtained based on the measured slope topography and the investigated stable slope angle combined with the stability inversion calculation. The results showed that under natural and saturated conditions，the internal friction angle of boulder pebble had little difference，but the cohesion of boulder pebble under saturated condition was only 25%～40% of that under natural condition. Therefore，different supporting measures were taken for the slopes below and above the normal water level to ensure the safety and economy of the treatment scheme. The research results can provide a geological basis for the calculation and evaluation of the weakly-cemented wide-graded boulder slope stability in the reservoir and dam area and the design of the treatment scheme.

Key words：

weak cementation； wide gradation； boulder； geological characteristics； slope stability； Zhala Hydropower Station