長(zhǎng)河壩水電站湯壩土料場(chǎng)邊坡變形機(jī)制研究

曹建平，劉永波，凡 亞

(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)

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長(zhǎng)河壩水電站湯壩土料場(chǎng)邊坡變形機(jī)制研究

曹建平，劉永波，凡 亞

(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)

長(zhǎng)河壩水電站湯壩土料場(chǎng)開(kāi)采邊坡為土質(zhì)邊坡，在料場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生了大規(guī)模變形。為確保邊坡綜合治理及施工期安全防護(hù)工作的順利進(jìn)行，在綜合分析邊坡土體物理力學(xué)特征及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡變形過(guò)程及變形機(jī)制進(jìn)行了研究。

邊坡；變形機(jī)制；牽引式變形；推移式變形；長(zhǎng)河壩水電站

1 工程概況

湯壩土料場(chǎng)是長(zhǎng)河壩水電站礫石土心墻防滲料的主料場(chǎng)，需開(kāi)采430萬(wàn)m3(壓實(shí)方)的防滲土料，開(kāi)采面積約72萬(wàn)m2，開(kāi)采范圍內(nèi)高差大于400 m，設(shè)計(jì)開(kāi)采坡比1∶1，10 m坡高留1級(jí)馬道。實(shí)際開(kāi)采臨時(shí)坡比1∶0.5～1∶1，坡高15～30 m留有馬道。完工后，形成高度大于400 m、綜合坡比陡于1∶1的土質(zhì)邊坡。 因開(kāi)挖邊坡高度較大，坡度較陡，且未及時(shí)采取有效的支護(hù)措施，加之受下部持續(xù)切腳開(kāi)挖的影響，邊坡形成約半年后，發(fā)生了大規(guī)模的蠕滑變形破壞，危及其下方施工人員、設(shè)備甚至對(duì)岸居民和小電站廠房的安全。為對(duì)其采取適宜的處理方案，有必要對(duì)湯壩土料場(chǎng)邊坡變形過(guò)程和變形機(jī)制進(jìn)行分析和研究。

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

湯壩土料場(chǎng)范圍內(nèi)天然地形坡度一般20°～30°，局部10°～15°及35°～40°，坡面植被發(fā)育。料場(chǎng)后邊坡總體為一斗狀地形，前緣2 200～2 450 m高程地形坡度為27°～35°，2 450 m高程以上坡度較陡，為40°～55°，局部形成平臺(tái)地形。開(kāi)采過(guò)程中，臨時(shí)邊坡坡度達(dá)45°～65°。料場(chǎng)地形地貌見(jiàn)圖1。

圖1 料場(chǎng)地形地貌

2.2 地層巖性

圖2 淺表部全強(qiáng)風(fēng)化基巖

2.3 水文地質(zhì)條件

料場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)穩(wěn)定的地下水位，地下水主要以第四系覆蓋層孔隙潛水及局部上層滯水[2]、下部基巖裂隙水的形式存在，主要受降雨及冰雪融化補(bǔ)給。因上層滯水及滑帶阻水，坡面局部有滲水點(diǎn)。

表1 覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值

土層天然密度ρ/g·cm-3飽和密度ρsat/g·cm-3干密度ρd/g·cm-3允許承載力[R]/MPa變形模量E0/MPa天然抗剪強(qiáng)度飽和抗剪強(qiáng)度?/(°)c/kPa?/(°)c/kPa冰水堆積碎礫石土200～210214～226180～192025～03020～2526～2835～4525～2730～40冰磧堆積碎礫石土208～212225～235192～200030～03525～3029～3140～5028～3035～45

2.4 土體物理力學(xué)特佂

冰水堆積土土體結(jié)構(gòu)松散～稍密，厚20～40 m，顆粒相對(duì)較細(xì)，后緣土體略粗。天然干密度為1.88～1.98 g/cm3，平均1.93 g/cm3；天然含水率為3.2%～9.4%，平均6.4%。天然固結(jié)狀態(tài)：凝聚力c為35～50 kPa，平均43 kPa；內(nèi)摩擦角φ為25.6°～28.4°，平均26.9°。飽和固結(jié)狀態(tài)：凝聚力c為10～60 kPa，平均38 kPa；內(nèi)摩擦角φ為24.2°～27.5°，平均25.5°。與天然固結(jié)狀態(tài)相比，飽和固結(jié)狀態(tài)內(nèi)摩擦角φ降低約0.9°～1.9°。

后緣冰磧堆積土土體厚度一般10～15 m，顆粒偏粗，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，力學(xué)性能較好。天然干密度為1.88～2.03 g/cm3，平均1.99 g/cm3；天然含水率為1.7%～9.6%，平均3.3%。天然固結(jié)狀態(tài)：凝聚力c為62 kPa，內(nèi)摩擦角φ為26.1°。飽和固結(jié)狀態(tài)：凝聚力c為35 kPa，內(nèi)摩擦角φ為24.6°。與天然固結(jié)狀態(tài)相比，飽和固結(jié)狀態(tài)內(nèi)摩擦角φ降低約1.5°。

根據(jù)開(kāi)挖揭示、專家咨詢意見(jiàn)、參數(shù)反演、工程地質(zhì)類比以及室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)成果等綜合分析，提出了坡體覆蓋層力學(xué)參數(shù)建議值(見(jiàn)表1)。

3 變形發(fā)展過(guò)程及特征

3.1 變形發(fā)展過(guò)程

湯壩土料場(chǎng)后緣開(kāi)口邊坡形成于2013年9月前后，開(kāi)挖坡比1∶0.5，無(wú)支護(hù)措施。 2014年2月24日，邊坡后緣及側(cè)向均出現(xiàn)裂縫(見(jiàn)圖3)。坡腳截水溝拉裂且向臨空面偏移(見(jiàn)圖4)。變形區(qū)域前緣分布高程約2 235 m，后緣分布最大高程為2 267 m。

圖3 開(kāi)口線附近開(kāi)裂

圖4 截水溝底部拉裂及偏移

2014年3月上旬，后緣裂縫變形加大，前緣2 210 m高程出現(xiàn)裂縫并逐漸形成剪出口；2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出現(xiàn)新的剪出口；2014年3月中旬，裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展，寬度一般10～40 cm(見(jiàn)圖4)；深度一般80～150 cm，最深可達(dá)290 cm(見(jiàn)圖5)。兩側(cè)出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，錯(cuò)臺(tái)高度一般10～40 cm，分布最大高程達(dá)2 381 m。裂縫基本連通，形成一弧形裂縫，滑坡周界基本形成。

圖5 最寬裂縫

圖6 最深裂縫

2014年3月下旬，2 118～2 120 m高程出現(xiàn)新的剪出口，擦痕清晰可見(jiàn)，局部可見(jiàn)階步，延伸長(zhǎng)約25 m，至此已形成多級(jí)剪出口。前緣2 210 m高程剪出口向臨空方向最大位移達(dá)20 cm，擦痕明顯。剪出口見(jiàn)圖6。至4月，變形體周界裂縫及內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展、增多，前期形成的羽狀裂縫已錯(cuò)斷，前緣伴隨有土體鼓脹、隆起、裂縫貫通、剪出口及變形體外移、縱向縫迅速增多等變形現(xiàn)象，邊坡處于蠕滑變形階段，發(fā)展為蠕滑變形體。 蠕滑變形體典型縱斷面見(jiàn)圖7。

圖7 剪出口

圖8 蠕滑變形體典型縱斷面

3.2 變形特征

(1)自低高程向高高程發(fā)展。裂縫開(kāi)始出現(xiàn)在邊坡開(kāi)口線附近2 235～2 267 m高程，坡腳2 235 m高程處截水溝底板出現(xiàn)塌陷、外移。隨著變形的不斷發(fā)展，在開(kāi)口線上部2 381 m高程出現(xiàn)裂縫，且展布范圍擴(kuò)大，裂縫呈圓弧狀。

(2)先出現(xiàn)拉張裂縫，后出現(xiàn)剪出口。伴隨后緣裂縫寬度及深度的不斷加大，變形體臨空面位移顯著增大，邊坡坡面出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，在開(kāi)挖形成的多級(jí)馬道外緣出現(xiàn)裂縫和塌陷現(xiàn)象，馬道內(nèi)側(cè)坡腳出現(xiàn)多級(jí)剪出口，剪出口剪出距離最大大于20 cm。

(3)變形速率與降雨、下部切腳施工密切關(guān)聯(lián)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，汛期觀測(cè)點(diǎn)的變形速率一般50～80 mm/d，最大達(dá)120 mm/d；汛后為10.5 ～14.9 mm/d，變形速率明顯放緩。下方持續(xù)切腳開(kāi)挖后，變形量也會(huì)陡增。

(4)變形量與邊坡坡高、坡比有關(guān)。雨季地表水沿裂縫滲入土體，降低了土體的力學(xué)性能，增大了土體自重，并有潤(rùn)滑作用，從而加劇了土體的變形。綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖坡比越陡，開(kāi)挖邊坡高度越高，變形量及變形規(guī)模就越大。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡高大于15 m、坡比陡于1∶0.75的邊坡，往往在坡頂外側(cè)出現(xiàn)平行于坡面的裂縫，局部有坍塌。

4 變形機(jī)制

邊坡開(kāi)挖后，坡體內(nèi)土體原受力平衡被打破，土體在重力作用下向臨空方向蠕動(dòng)，隨著邊坡土體強(qiáng)度的降低，最終因抗壓強(qiáng)度小于剪切應(yīng)力而發(fā)生變形[3]，其后緣處于拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)后緣坡體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生裂縫。裂縫多為平行于坡面的橫向縫，表現(xiàn)為拉張裂縫。湯壩土料場(chǎng)開(kāi)挖邊坡變形始于開(kāi)口線附近，在邊坡形成近半年后才發(fā)生，即該邊坡土體在自重作用下，蠕變不斷增加，最終打破了土體受力平衡，頂部產(chǎn)生了拉張裂縫，屬于典型的牽引式變形[4]。

隨著上部土體蠕變不斷加大，后緣張拉裂縫向坡面深部持續(xù)發(fā)展，變形體兩側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫，分布有羽狀、雁式排列裂縫。坡面土體向臨空方向發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)剪出口。從湯壩土料場(chǎng)邊坡變形過(guò)程和特征分析，出現(xiàn)剪出口的部位屬于典型的推動(dòng)式變形[5]。

綜上所述，湯壩土料場(chǎng)開(kāi)口線附近及開(kāi)口線上部出現(xiàn)的拉張裂縫屬牽引式變形，即變形初期以牽引式變形為主。下部出現(xiàn)剪出口即為推動(dòng)式變形。與此同時(shí)，后緣裂縫仍在不斷發(fā)展，即變形體同時(shí)存在牽引式和推動(dòng)式變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)長(zhǎng)河壩水電站湯壩土料場(chǎng)邊坡變形過(guò)程及機(jī)制進(jìn)行了分析和探討，得出以下結(jié)論：

(1)開(kāi)挖邊坡變形區(qū)域自低高程向高高程延展，先出現(xiàn)拉張裂縫，后出現(xiàn)剪出口，裂縫先期以平行坡面的橫向縫為主，后期逐步產(chǎn)生羽狀、雁式排列的縱向縫，且前緣出現(xiàn)剪出口，坡面有鼓脹。該邊坡初期變形以牽引式變形為主，后期發(fā)展為前緣推動(dòng)式變形，并伴后緣牽引式變形。

(2)后緣出現(xiàn)的張拉裂縫為地表水入滲提供了通道[6]。地表水滲入土體，降低了土體力學(xué)性能，增大了土體自重，并起到了潤(rùn)滑作用，勢(shì)必加劇了邊坡的變形速度。應(yīng)對(duì)后緣裂縫采取適宜的封閉措施。

[1]彭土標(biāo)， 袁建新， 王惠明， 等. 水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2011．

[2]常士驃， 張?zhí)K民. 工程地質(zhì)手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2007．

[3]黃潤(rùn)秋. 20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2007， 26(3)： 433- 454．

[4]吳瑋江， 王念秦. 黃土滑坡的基本類型與活動(dòng)特征[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2002， 13(2)： 36- 40．

[5]徐邦棟， 王恭先. 幾類滑坡的發(fā)生機(jī)理[M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社， 1986．

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Study on Slope Deformation Mechanism of Tangba Soil Yard in Changheba Hydropower Station

CAO Jianping, LIU Yongbo, FANG Ya

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The excavation slope of Tangba soil yard in Changheba Hydropower Station is a soil type, which appears serious deformation during excavation period. In order to ensure the smooth progress of slope comprehensive treatment and construction security, the deformation process and mechanism of slope are studied based on the comprehensive analyses on soil physical and mechanical characteristics and on-site monitoring data．

slope; deformation mechanism; retrogressive deformation; slumping deformation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

曹建平(1977—)，男，云南曲靖人，高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)工作．

TU413.62(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0042- 04