大雅河抽水蓄能電站上水庫崩塌發(fā)育規(guī)律研究

周海峰，謝福志，劉慧明

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130021)

0 引言

大雅河抽水蓄能電站位于遼寧省桓仁縣境內(nèi)，站址距桓仁縣城40 km，樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等組成，下水庫為大雅河中上游呂家堡附近在建的夾道子水庫，上水庫位于大雅河左岸的一撮毛山頂上。

結(jié)合上、下水庫的地形地質(zhì)條件，擬定了兩個上水庫庫址比選方案及相應(yīng)的輸水發(fā)電系統(tǒng)布置，其中一撮毛北側(cè)鞍部方案是通過開挖兩個山峰之間的鞍部，并且在鞍部兩側(cè)低洼處利用開挖料筑壩形成上水庫;一撮毛山頂方案是通過開挖最高峰(一撮毛)山體和構(gòu)筑混凝土重力壩形成上水庫。

由于在庫盆開挖過程中庫內(nèi)外邊坡較單薄，且工程區(qū)分布多處巖體崩塌堆積物，表明工程區(qū)歷史上存在巖體崩塌現(xiàn)象，若上水庫蓄水后發(fā)生崩塌，將對庫岸防滲及邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，進而影響到整個抽水蓄能電站的正常運行，因此對工程區(qū)內(nèi)已發(fā)生崩塌的機理進行分析研究，為下一步工作提供參考。

1 崩塌影響因素分析

大雅河抽水蓄能電站工程區(qū)域內(nèi)山體主要由青白口系永寧組石英砂巖和含礫石英砂巖等組成，在重力、冰劈等外力地質(zhì)作用下，巖體卸荷較為強烈，并逐漸形成崩塌。其形成受以下幾個方面影響:

1.1 氣象水文

氣象水文條件對崩塌影響最大的是大氣降水和氣溫兩個方面，桓仁地區(qū)年降水量為900 mm，冬季寒冷而漫長，最低氣溫可至－30 ℃。巖體裂隙中的水在冬季凍結(jié)結(jié)冰后體積膨脹，而產(chǎn)生凍脹力，巖體中裂隙受凍脹力影響開裂，使巖體穩(wěn)定性降低。同時區(qū)內(nèi)春、冬兩季最大風(fēng)速可達30 m/s 以上，凍漲產(chǎn)生的碎石因大風(fēng)作用而具有較大動能，撞擊著斜坡上處于極限平衡狀態(tài)的巖塊形成崩落。

1.2 地形地貌

工程區(qū)內(nèi)山體坡度多＞45°，高差在800 m 以上，整體地形有利于落石崩落運動。區(qū)內(nèi)雅河流域河谷垂直切割嚴重，河谷多呈不對稱的U 型展布，切割深度最深可達500 m，凹岸岸坡陡峭，為崩塌的形成提供了有利條件。

1.3 地層巖性

工程區(qū)內(nèi)陡坡多數(shù)由抗彎著能力較差、巖質(zhì)較脆的石英砂巖及含礫石英砂巖組成，其主要特點是:各向異性明顯，飽水系數(shù)大，易受凍害和其他物理風(fēng)化。

1.4 巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

工程區(qū)內(nèi)巖體一部分被近直立節(jié)理切割形成板、柱狀巖體。在重力作用下，極易產(chǎn)生彎曲，彎曲至一定程度后折斷，從而形成崩落;另一部分順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體，在重力、地下水及溫度的作用下，逐漸裂開，在雨水沖刷或風(fēng)的作用下脫離母巖，散落于坡下。因此，板柱狀巖體及層狀巖體也是崩塌易發(fā)的原因之一。

1.5 水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)邊坡表面的巖體裂隙發(fā)育，為地表水入滲提供了較好條件，大氣降水通過巖體裂隙成為地下水，地下水的浸泡作用使得巖體中軟弱夾層強度降低，地下水的靜水壓力或動水壓力使巖體指向坡外的壓力增大，坡體的穩(wěn)定性降低。同時，靜水壓力還減小了結(jié)構(gòu)面之間有效壓力，降低了摩擦力，使邊坡穩(wěn)定性降低。因而，地下水促進了崩塌的發(fā)生發(fā)展。

2 崩塌類型

結(jié)合野外調(diào)查及對崩塌影響因素的分析，工程區(qū)內(nèi)的崩塌可分為失穩(wěn)墜落式、構(gòu)造墜落式、錯落式和剝落式四類，其中構(gòu)造墜落式崩塌為本區(qū)主要崩塌類型。

2.1 失穩(wěn)墜落式崩塌

部分巖體被解構(gòu)面從整體中分離出來，即由于重力、地下水、冰脹的作用，陡傾結(jié)構(gòu)面的張開程度增大，巖體穩(wěn)定性下降，雨季則由于地下水壓力的作用失穩(wěn)墜落。

2.2 構(gòu)造墜落式崩塌

位于斜坡前緣的板狀、柱狀巖體被近直立結(jié)構(gòu)面切割，在重力作用下向坡外彎曲，結(jié)構(gòu)面形狀發(fā)生變化，形成上寬下窄型，使大氣降水等風(fēng)化營力因素更容易進入巖體，由于重力、水壓力及冰脹力作用，已形成的彎曲變形加劇。研究區(qū)內(nèi)主要為石英砂巖，巖質(zhì)較脆，抗折能力較差，板、柱狀巖體更容易被折斷，而墜落于坡下。若巖體中結(jié)構(gòu)面存在一定緩傾角時，巖體抗折能力更差，近乎為零，更容易發(fā)生崩塌。

2.3 錯落式崩塌

在巖體自重等壓力作用下，具有垂直板狀、柱狀結(jié)構(gòu)的斜坡前緣巖體，坡腳部位巖體被壓裂，而發(fā)生崩塌。石英砂巖抗壓強度較高，然而巖體中裂隙發(fā)育，故巖體被壓裂時，多數(shù)情況是沿原有的一些微裂隙裂開。

2.4 剝落式崩塌

在重力或地下水作用下，斜坡表面片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體，有向坡下散落的現(xiàn)象。在溫度、地下水等作用下，片狀或薄層狀巖體逐漸裂開，由于其質(zhì)量小，產(chǎn)生摩擦力小，穩(wěn)定性差，在雨水沖刷或風(fēng)的作用下脫離母巖，散落于坡下。這種崩塌一般規(guī)模較小。

3 崩塌發(fā)育規(guī)律研究［1］

巖體作為一種不連續(xù)的地質(zhì)體，內(nèi)部存在著成因、類型、特性等各不相同的結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面將巖體切割成各種類型的結(jié)構(gòu)體，從而形成了復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)。而所有巖體的結(jié)構(gòu)都是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個基本要素組成的［2］。巖體結(jié)構(gòu)即結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系，結(jié)構(gòu)體的規(guī)模和排列情況。

工程區(qū)內(nèi)崩塌與巖體結(jié)構(gòu)特征有著密切聯(lián)系。因此，為了分析崩塌機理，必須分析巖體與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系，找出其變形破壞的發(fā)展規(guī)律。

圖1 工程區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體關(guān)系圖Fig.1 Diagram showing the relationship between structural surface and structural body

根據(jù)野外調(diào)查，工程區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)面可分為原生、次生和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面［3］，結(jié)構(gòu)面使邊坡穩(wěn)定性降低，不同結(jié)構(gòu)面的組合決定了邊坡變形破壞的類型及規(guī)模，為崩塌發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)工程區(qū)巖性特征、結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的特性及其在巖體中排列組合的關(guān)系，工程區(qū)內(nèi)易發(fā)生崩塌的邊坡巖體可分為中厚層狀結(jié)構(gòu)和薄層—互層狀結(jié)構(gòu)兩大類，具體工程地質(zhì)特性見表1。

表1 崩塌易發(fā)巖體結(jié)構(gòu)類型工程地質(zhì)特性表Table 1 The structural types of rock masses which is prone to collapse and their engineering geological characteristics

4 小結(jié)

大雅河抽水蓄能電站工程區(qū)內(nèi)存在大量崩塌堆積物，證明歷史上發(fā)生過崩塌，為避免后續(xù)工程施工過程中誘發(fā)崩塌，故對上水庫庫區(qū)內(nèi)崩塌進行分類，并對其崩塌發(fā)育規(guī)律進行研究，得出如下結(jié)論:

(1)由于工程區(qū)域內(nèi)年降水量較大，兩季溫差低，覆蓋層較薄，故應(yīng)于雨季及冬季對施工區(qū)域內(nèi)的危巖體進行重點監(jiān)測，以預(yù)防由崩塌引起的損失。

(2)工程區(qū)內(nèi)的主要崩塌類型為由順層巖體引發(fā)的構(gòu)造墜落式崩塌，崩塌易發(fā)巖體結(jié)構(gòu)為中厚層狀結(jié)構(gòu)和薄層—互層狀結(jié)構(gòu)，在后續(xù)施工過程中應(yīng)對此種類型巖體進行重點監(jiān)測。

［1］胡厚田.崩塌與落石［M］.北京:中國鐵道出版社，1989.

［2］亞南，王蘭生，趙其華.崩塌落石運動學(xué)的模擬研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，1996，7(2):25－32.

［3］黃潤秋，劉衛(wèi)華，周江平.滾石運動特征試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007，29(9):1 296－1 302.