東莊水庫壩前堆積體成因機制分析及穩定性評價

□劉建磊□王泉偉□周益民（黃河勘測規劃設計有限公司）

東莊水庫壩前堆積體成因機制分析及穩定性評價

□劉建磊□王泉偉□周益民（黃河勘測規劃設計有限公司）

文章在分析堆積體物質組成及結構特征等地質環境的基礎上，對壩前堆積體的成因機制、潛在變形破壞模式進行了進一步深入研究。結果表明，該堆積體主要在地形、構造、風化卸荷等因素作用下，巖體碎裂沿坡堆積，受河水及雨水等沖刷，進一步溶蝕膠結，逐步演化成如今的結構及外部特征。采用極限平衡法進行了計算，堆積體整體較穩定，在暴雨和水位降落工況下，穩定性欠佳，對頂部進行削坡處理后，穩定性滿足要求。

東莊水庫；堆積體；成因機制；穩定性評價

1 引言

東莊水庫位于陜西境內涇河下游峽谷段，混凝土雙曲拱壩，最大壩高230m，正常蓄水位789m，總庫容30.60億m3，工程等別為I等，工程規模為大（1）型。左岸近壩庫段分布有一崩塌堆積體，距壩軸線較近，對大壩及附屬建筑物布置有一定影響，一旦失穩將產生嚴重后果，因此開展穩定性分析評價工作十分必要。

2 堆積體工程地質條件

2.1 空間分布特征

堆積體位于大壩上游左岸,緊臨圍堰和導流洞進口，下游端距壩軸線約120m。坡面近直立，坡腳臨水，出露高程592～709m，順河長160m，分布寬一般10～30m，初估方量約9.60×104m3。

2.2 物質組成特征

地質調查和勘探平洞揭露，地表堆積體邊界灌木植被叢生，界線清晰。堆積體物質主要由塊徑大小不一的灰巖巖塊組成，塊徑一般0.20～0.40m，最大可達數米，探洞內可見原巖節理裂隙等結構面，偶見連續延伸。巖塊嵌合較緊密，巖塊間多充填淡黃色鈣質和次生紫紅色粘土，泥鈣質膠結為主，具有松動后臨坡堆積特征。表層物質受大氣降雨、河水強烈沖刷，面蝕風化作用顯著，巖塊接觸處泥鈣質膠結較好，形成了獨特的表層“硬殼”狀結構。

2.3 結構特征

地表調查和探洞揭露，堆積體表層數米主要為散體狀、碎裂狀塊石，以鈣質膠結為主，多充填淡黃色鈣質和次生紫紅色粘土，溶蝕化后呈“硬殼”狀。以里為碎裂狀灰巖巖塊，嵌合較緊密，原巖結構基本已破壞，局部原巖節理裂隙等結構面尚清晰可見，但延伸性很差。

3 形成機制分析

堆積體形成并保持現今的地貌及結構特征，是受地形、構造、風化卸荷、河水及降水等內外因素綜合作用并逐步演化的結果內在因素：在涇河演變史上，河流快速下切，兩岸多形成高陡的峭壁，為卸荷松弛變形破壞提供了有利的地形條件。f55斷裂從堆積體后緣通過，成組陡傾大裂隙及節理發育，原巖遭受破壞，巖體較為破碎，為松弛堆積提供了物源基礎。

外部因素：在風化卸荷外部營力作用下，節理裂隙等結構面的弱化進程進一步加劇，并隨著時間的推移不斷向深處發展，碎裂巖體不斷松弛變形，最先在淺表部位發生規模不等的崩塌掉塊，崩塌物質沿坡面堆積，內部巖體持續松動變形，但未發生大的錯動塌落，呈嵌合狀結構特征。在雨水河水沖刷、河水漲落等作用下，表層松散物質不斷被沖刷帶走，同時也不斷加劇堆積體表層巖塊的溶蝕化進程，局部崩塌堆積體架空，充填淋濾的粘土、巖屑等，淺表塊體接觸部位被鈣質膠結，形成表層“硬殼”狀結構，使堆積物保持著如今近直立的外部特征。

4 穩定性計算分析

堆積體以碎裂結構為主，坡面為碎塊石與泥鈣質膠結而成的近直立陡峻峭壁，現狀條件下保持穩定，經受汛期洪水也未發生大規模的塌滑破壞，僅見局部零星的崩塌掉塊現象，整體穩定性較好。

考慮到堆積體內部結構及岸坡特征，潛在破壞模式可能為卸荷碎裂狀巖體內部圓弧型滑動和沿卸荷碎裂巖體邊界的復合型滑動。經改進的Morgenstern-Price嚴格條分法，適用于圓弧形和非圓弧形，不僅考慮了條塊底面的粘聚力和摩擦力，更考慮了條塊間的法向力、切向力、豎向和水平地震慣性力，尤其是對較陡的滑面更具適用性。因此本次計算采用經改進的Morgenstern-Price嚴格條分法，選取代表性的主滑剖面1-1′（圖1），對內部圓弧型和沿相對卸荷碎裂巖體邊界進行滑面搜索，找出最危險滑動面，進行計算分析。

圖1 1-1'計算剖面模型圖

4.1 計算模型

從地質模型分析，堆積體物質主要塊徑大小不一的碎裂、塊裂狀碎塊石組成，膠結程度較好，沒有連續的控制性軟弱結構面，經整體和局部圓弧型滑移搜索，其穩定系數較高，基本不存在內部局部圓弧型滑移的可能，其潛在滑移模式為沿卸荷碎裂巖體界面的滑移。

4.2 計算參數

堆積體物質組成制樣和試驗難度大，很難通過試驗得到可靠的物理力學參數。因此在選擇計算參數時，根據堆積體物質的相對破碎結構特征，采用基于GSI的Hoek-Brown經驗方法確定巖體的抗剪強度指標。

Hoek-Brown準則是建立在巖體非線性破壞經驗的基礎上,用拋物線來擬合巖體破壞時的數據,適用于法向拉應力和法向壓應力下的破壞條件，其準則計算表達式如下：

式中：σ1、σ3為破壞時的有效最大、最小應力，σc為完整巖石單軸飽和抗壓強度；

mb、s、a為巖體的Hoek-Brown常量，它們均可表示為地質強度指標GSI的函數，其中mb為巖體的Hoek-Brown常數，s、a為表征節理巖體材料特征的常數：

式中：D為巖體擾動參數，取值介于0～1之間，0代表未擾動。

根據針對堆積體巖性及結構特征，參考壩址區灰巖室內物理力學試驗成果，灰巖巖塊取mi=10，GSI=40。利用公式(1)-(4)計算出堆積體天然狀態下力學參數為：

綜合規范提供的經驗參數和采用基于GSI的Hoek-Brown準則計算的力學參數，最后選用天然狀態下力學參數：

飽和參數進行一定的折減（c折減0.60～0.70，φ值降低5°），飽和內聚力c取185kPa，飽和內摩擦角φ取35°。

4.3 計算工況及荷載組合

計算工況主要考慮天然狀態，暴雨，河水位漲落等因素，其計算工況組合方式見表1。

表1 計算工況組合方式表

4.4 計算方法

根據水工建筑物級別、崩塌堆積體邊坡與水工建筑物的相互關系及邊坡失穩后對建筑物的影響程度，劃定為4級邊坡，計算方法采用Morgenstern-Price嚴格條分法。

4.5 穩定性計算成果

采用上述方法進行計算，穩定性計算成果見表2。

表2 穩定性計算成果表

4.6 穩定性分析

4.6.1 極限平衡法計算結果分析

工況一至工況三，穩定性系數＞1.15（安全系數），堆積體處于穩定狀態，并具有一定的安全裕度。

工況四，穩定性系數略大于安全系數1.10，堆積體處于穩定狀態，但安全儲備較小。

4.6.2 經歷歷史洪水穩定特征分析

據已有歷史洪水資料，堆積體經歷規模較大的洪水主要有五次，堆積體河段相應水位分別為635.40m（1841年）、630.30m（1911年）、622.30m（1933年）、619.50m（1966年）和617.10m（1973年）。經歷歷史最大洪水635m（1841a）時，堆積體仍處于穩定狀態，未發生大規模的失穩破壞，與上述計算工況二（水位抬升至638.80m）堆積體仍處于穩定狀態的結果基本相一致。

5 工程處理措施建議

堆積體距離壩線和上游圍堰距離很近，失穩破壞對右岸導流洞進口等工程產生不利影響，因此需采取一定的工程措施。經對比分析，建議采取削坡處理方案，在堆積體650m高程設置寬2.00m的馬道，向高處進行1：0.50削坡進行放坡清除。

進行放坡處理后，采用前述分析方法對最不利工況四進行計算，削坡處理后，1-1′剖面穩定系數在1.23～1.43，處于穩定狀態。說明采取削坡減載方案是可行的。

6 結論與建議

堆積體表層主要為松散狀、碎裂狀塊石，鈣質膠結為主，充填淡黃色鈣質和次生紫紅色粘土，溶蝕化后呈“硬殼”狀。形成并保持現今的地貌及結構特征，是受地形、構造、風化卸荷、河水及降水等內外因素綜合作用并逐步演化的結果。經過穩定性計算分析，堆積體在天然和水位降落工況下處于穩定狀態，但經受暴雨疊加工將處于失穩的邊緣。因此建議采用削坡減載處理方案，對堆積體650m以上進行1：0.50削坡處理，處理后進行計算，堆積體處于穩定狀態，削坡減載方案可行。

[1]工程地質手冊編委會.工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]周念清,楊楠,湯亞琦,秦敏.基于Hoek-Brown準則確定核電工程場地巖體力學參數[J].吉林大學學報(地球科學版), 2013,43(5)P：1517-1522.

[3]閆長斌、李國權、陳東亮等.基于巖體爆破累積損傷效應的Hoek-Brown準則修正公式[J].巖土力學,2011,32(10)P：2951-2956

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2016-06-13

（責任編輯：韋詩佳）

劉建磊(1984-)，工程師，主要從事水利水電工程勘測設計工作。