竹子壩場地變形成因分析及處理

馬行東,彭仕雄,稽洪剛,肖 強,李 楊

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 工程地形地貌

擬建竹子壩施工區場地位于大壩右岸和竹子壩料場之間,引水洞進水口附近。場地靠近雅礱江側,地勢開闊,其他三面環山,地貌上類似為圍椅狀地形,場地后緣為竹子壩料場。施工區場地坡度約10°～25°,地勢寬闊 ;竹子壩溝常年流水,受降水的影響雨季和旱季水量變化很大。

2 地層巖性

施工區場地出露的地層主要為第四系崩坡積堆積(pl+dlQ4)塊碎石土、沖洪積堆積(pl+alQ3)含碎石粉質黏土和湖積堆積的(PL+alQ3)的含碎卵石土、粉質黏土(lQ3)及孤塊石夾少量砂卵礫石層(col+plQ3)等,下伏基巖為二疊系上統上段和中段的玄武巖。地層從上到下分別描述如下:

(1)塊碎石土①(p l+dlQ4)。土黃～黃褐色,松散～稍密,以碎石為主,含量約為 40%～50%,粒徑以 6～15cm為主;含塊石 20%～30%,粒徑 20～30cm;其余為壤土,局部夾有孤石。原巖成份多為玄武巖,強～全風化,棱角狀。主要分布在場地表層。

(2)含碎石粉質黏土②(pl+alQ4)。灰黃～灰綠色。稍濕,稍密～中密,可塑～硬塑,以粉質黏土為主,含量約為 60%。夾有碎石,含量約 30%,塊徑3～10cm為主,局部夾有粒徑 20～50cm的塊石。原巖成份多為玄武巖,強風化,棱角狀。

(3)粉質黏土③(lQ3)?；疑揖G色,飽和,稍密～中密,可塑～硬塑狀態,受地下水影響力學性狀較差。場地均有分布,其中中后緣厚度較深。

(4)含砂卵礫石塊碎石土④(pl+alQ3)。灰色～灰綠色,松散～稍密,以碎礫石為主,含量約為40%～50%,粒徑以 6～15cm為主;含少量卵石和塊石 20%～30%;其余為粉質黏土,局部夾有孤石。原巖成分多為玄武巖,強～全風化,棱角狀。主要分布場地的下部。

(5)孤塊石夾少量砂卵礫石層⑤(col+plQ3)。該層主要為崩積堆積形成的粒徑較大、含量較多的孤塊石,孤塊石含量約 85%～90%,夾雜少量的砂、卵石、礫石以及黏土。根據勘探情況看,該層主要發育在竹子壩場地中前緣,于高程 1340～1360m平臺范圍。

(6)致密狀玄武巖。致密狀(P2β3)、杏仁狀玄武巖、菊花斑狀玄武巖⑦(P2β23)、杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖夾少量紫紅色凝灰巖⑧(P2β22)。

3 水文地質條件

地下水按貯存介質的不同可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水,受降雨補給,向河谷排泄。場地地下水與水文、氣象因素密切相關,并嚴格受地形、巖性、構造、植被等條件制約,主要由大氣降水供給。根據官地水電站壩址區環境水的水質分析資料:地下水為 HCO3--Ca++-Na+·K+型或 Cl--HCO3--Na+·K+型水。竹子壩溝內常年流水,其化學類型與溝水、河水相近,地下水對混凝土無腐蝕性。根據有關資料,洪水季節流量為 20m3/s,而旱季僅為 0.5m3/s,雨季的變化對竹子壩溝水影響關系密切。地下水埋藏較淺,直接受地表水影響。

另外,在初勘階段 ZBZK 03號鉆孔在孔深 49.4～50.0m(含碎卵石土)發現有涌水現象,水量 44 L/min,壓力 0.25MPa。拌和系統基礎的勘察在竹子壩 1340、1360、1380m三個平臺進行鉆探,共完成鉆孔 21個。其中 ZKGB3在 20.5m深度附近(高程1323.5m)的第③層青灰色粉質黏土內有涌水現象,流量為 0.05～0.1L/s;ZKGC4號鉆孔在 31m深度(高程 1312.3m)附近有涌水,出水層為第③層青灰色粉質黏土,流量 0.05～0.1L/s左右;ZKGC1號鉆孔在 29m深度附近(高程 1314.6m)的第③層青灰色粉質黏土內有涌水現象,流量為0.05L/s。竹子壩場地詳勘階段在 ZK 09號鉆孔34m(1308.5m)發現承壓水;ZK 10號鉆孔在21.4m處(高程 1322.6m)也發現承壓水,涌水量較大,曾發生數次塌孔現象;ZK 16鉆孔在 68.05m(高程 1327.24m)處發現承壓水。ZK 18鉆孔在28m(高程 1319.73m)處發現承壓水,造成塌孔現象。分析原因是地表水滲入到粉質黏土③層以下,而竹子壩場地的粉質黏土③層相對隔水在基巖面沒有滲流通道所形成的。另外,底部發育的F1斷層結構松散也可能對承壓水的形成有一定的關系。

4 邊坡變形機制初步分析

4.1 邊坡地層性狀分析

場地粉質黏土③層為第三系湖積沉積,層理清晰,大多近水平狀分布,后緣受地形因素影響層理局部呈傾斜,干燥狀態下呈半膠結半成巖狀,組成物質主要為灰綠色、灰黑色、灰黃色純的黏土、粉質黏土,成分單一,富含黏土顆粒及黏土礦物,具有干時堅硬,壓縮性較高,遇水軟化,脫水崩解的特性;對水的靈敏度較高,在含水較多情況下,承載力低,壓縮模量小,為易滑地層。

4.2 邊坡滑坡類型

由于該層有遇水軟化的特性,因此滑面大多位于潛水影響面、承壓水影響面。加上潛水和承壓水可能影響深度不厚,使粉質黏土具有隔水功能,這在鉆孔施工中發現的承壓水可以佐證,因此根據現場情況分析,由于粉質黏土③層的存在,場地邊坡很容易形成兩種類型的滑坡:

(1)粉質黏土③頂面覆蓋層滑坡,受潛水影響,粉質黏土表層遇水軟化,易形成滑面。覆蓋層主要為第四系殘積層、坡積層、洪積層、沖積層,甚至滑坡堆積層,沿下伏粉質黏土③頂面發生的滑坡。

(2)粉質黏土③基底滑坡,受承壓水影響,底部遇水軟化,易形成滑面,因此可以產生沿粉質黏土③層與下伏頂面發生的滑坡。

4.3 邊坡變形成因初步分析

任何邊坡變形的形成都有其內在因素和外在因素,二者缺一不可。粉質黏土③變形產生的內在因素可歸結為:粉質黏土③層具有的特殊性質。由于該層還有較多的黏土顆粒,該層存在隔水性質,因此造成該層存在潛水,底部可能存在承壓水等現象,加上該層具有強烈的親水性、吸水膨脹、脫水干裂和易于泥化的特征,使邊坡容易在該層的頂部或底部發生變形,進而造成邊坡的破壞。粉質黏土③變形產生的外在因素可歸結為:

(1)水的作用。水下滲至易滑地質結構面,一方面可軟化粉質黏土③,增加巖土體容重;另一方面沿滑面的滲流可產生上浮力。

(2)切坡開挖作用。一方面切坡開挖切穿了易滑地質結構面,為滑坡的產生提供了滑移臨空面。

4.4 邊坡變形推測初步分析

根據詳勘階段鉆孔巖芯揭示現象、竹子壩拌合系統勘察揭示現象、開挖邊坡實際揭示現象、監測資料初步分析以及成因機制初步分析,竹子壩 B-B剖面可能存在 3個潛在滑動面,C-C剖面可能存在 2個潛在滑動面。

4.4.1 B-B剖面

(1)滑動面 1:根據鉆孔及監測孔出現異常的深度進行分析,可以發現 IN05、IN04、ZK 11及 1345～1347m高程之間靠竹子壩溝左側有明顯擦痕,可以形成潛在滑動面,推測為潛在滑動面 1(見圖 1),并且該潛在滑動面與場地穩定復核分析中的大滑弧基本類似。

(2)滑動面 2:根據鉆孔 ZK 10擦痕及鉆孔ZK 09、ZK10的粉質黏土夾層、開挖邊坡揭示現象,推測潛在滑動面 2。由于土滑體中的 CY 07號鉆孔在深部也發現厚約 10cm的粉質黏土軟弱夾層,推測滑動面 2很有可能與土滑體存在一定的聯系,可以形成一滑動面,同時也存在土滑體的變形牽引上部的變形。另外,根據地勘資料分析,推測的潛在變形為粉質黏土的基底變形。

(3)滑動面 3:根據測斜孔 IN02變形部位以及前期竹子壩土滑體的勘探研究分析,可能形成潛在滑動面 3。分析原因為后緣堆渣形成的外荷載作用力,以及黑水溝隧洞進口施工中造成的土滑體的變形破壞(前期施工中變形滑動明顯,后緣出現明顯的開裂縫,再加上人為擾動、施工影響等,可能引起土滑體的變形滑動,進而牽引后緣的棄渣變形,引起IN02監測點的異常)。

圖1 竹子壩 B-B剖面潛在滑動面

圖2 竹子壩 C-C剖面潛在滑動面

4.4.2 C-C剖面

(1)滑動面 1:根據鉆孔出現異常的深度進行分析,可以發現 ZK 12、ZK 14及 ZK 15中的擦痕、光面等,推測為潛在滑動面 1(見圖 2)。

(2)滑動面 2:根據鉆孔 17底部發育 2.05m的粉質黏土,鉆孔 18發育 0.1m的粉質黏土,再根據土滑體可能為上部滑動下來等原因的綜合分析,推測沿粉質黏土夾層可能發育一滑動面。

5 場地穩定性初步評價

擬建場地內無斷層通過,無發生強震的地質條件,地震危險性主要受外圍波及影響,地殼穩定性較好,在沒有外界干擾(破壞)的情況下場地穩定性較好。影響竹子壩施工場地整體穩定性的主要因素為第③層的粉質黏土層。該粉質黏土③(lQ3)層呈灰色～灰綠色,在自然狀態下,稍密～中密,可塑～硬塑;在飽水和擾動的情況下,呈可塑～軟塑,性狀差。該粉質黏土層在竹子壩施工場地內均有分布,其中最主要分布在 ZK10鉆孔至纜機平臺公路高程段(1340～1440m),厚度2.9～53.4m,厚度不均一,局部含有碎石,呈尖滅狀。另外,ZK 10至土滑體在底部發現10～30cm的粉質黏土夾層,分析可能為潛在滑動面。在空間上后緣(竹子壩料場側)較厚逐漸向前緣(雅礱江側)變薄,橫向上向黑水溝側逐漸變厚。根據 1340m鉆孔發現地層有重復現象,分析可能是歷史上粉質黏土③的前緣多次發生溜滑、變形積壓所產生的上述現象。

該粉質黏土層承載力低,力學指標差,竹子壩施工場地在新的荷載加載的情況下,如若失穩,將會沿此層的頂面或底面產生滑動。如相鄰竹子壩施工場地的黑水河3號堆渣場就是在堆放公路開挖棄渣時,因加載沿該粉質黏土層產生失穩而滑動,由于該粉質黏土呈為相對隔水層,因此場地中厚緣產生較大的承壓水,場地承壓水產生較大的揚壓力,進而可能對邊坡的穩定存在一定的不利影響。因此,應注意承壓水對場地穩定性的影響,并提出處理措施。

根據1344m平臺鉆孔以及土滑體鉆孔揭示的粉質黏土的發育特征分析,土滑體可能為上部滑下的。根據詳勘階段鉆孔巖芯揭示現象、竹子壩拌合系統勘察揭示現象、開挖邊坡實際揭示現象、監測資料初步分析以及成因機制初步分析,竹子壩場地歷史上可能存在場地的蠕動變形、局部溜滑等現象。竹子壩 B-B剖面可能存在3條潛在滑動面,C-C剖面可能存在 2條潛在滑動面。

6 竹子壩施工區場地邊坡穩定復核分析

邊坡穩定計算采用水科院陳祖煜編寫的“邊坡穩定計算程序 STAB2008”。邊坡穩定安全系數采用計條塊間作用力的簡化畢肖普法計算。根據DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》規定,確定邊坡等級為Ⅲ級,施工期安全系數控制標準采用Ⅲ級邊坡要求的中值。但是開關站為永久性建筑物,故開關站邊坡等級提高 1級,為Ⅱ級邊坡。竹子壩場地位于進水口側邊坡,在電站運行期作為工程樞紐區邊坡,按Ⅱ級邊坡考慮,運行期安全系數控制標準采用Ⅱ級邊坡要求的低值,但不低于施工期的控制標準。竹子壩施工區場地施工期邊坡沿滑帶滑動的安全系數見表1。

7 處理措施及建議

通過對影響竹子壩邊坡穩定變形機制的因素進行的定性分析以及根據推測的潛在滑動面、自動搜索的定量計算分析結果,對竹子壩場地可能存在的問題進行了支護處理。

表1 竹子壩施工區場地施工期邊坡沿滑帶滑動安全系數

(1)目前竹子壩施工區場地后緣地表沒有發現整體開裂和變形滑動跡象,但前緣 1345～1347m高程發現擦痕現象,在 1380m高程平臺進行的鉆孔取芯揭示,粉質黏土③(lQ3)可能存在變形的跡象,詳勘階段較多鉆孔巖芯發現擦痕或變形擾動的跡象,監測資料局部也反映了場地的變形異常現象,同時受開挖、降雨、地下水等不良因素影響,竹子壩溝前緣側邊坡及平臺邊坡相繼出現溜滑和變形,砂石系統的局部擋墻出現變形。隨著前緣邊坡進一步的牽引破壞、運行期的用水、地表水、地下水、承壓水產生的揚壓力和后期場地建筑物的加載等因素影響,很有可能引起運行期場地的滑移,應引起高度重視。

(2)水是影響邊坡穩定的重要因素。由于粉質黏土為相對隔水層,因此場地中后緣產生較大的承壓水,場地承壓水產生較大的揚壓力,進而可能對邊坡的穩定具有一定的不利影響。場地為圍椅狀地形,為地表水的匯集區,需做好地表排水工作。因此,應加強地下水、地表水排水,并同時防止生產、生活用水滲入。地下水采用排水平洞和排水孔方式,地表水采用地表排水溝、地表封閉等措施。

(3)在竹子壩場地前緣 1344～1360m高程附近進行了支護處理,其中在 1344m坡腳采用了抗滑樁、1344m～1360m坡面采用錨索框格梁支護處理。

(4)建議應重視邊坡的穩定狀況,加強監測(包括地下水)預報工作,監測設備應盡快投入運行,并應及時給相關單位反饋監測資料,以便及時地掌握邊坡的穩定性,隨時作好處理,保證施工期邊坡的穩定。