大華橋水電站庫區岸坡類型分析及塌岸預測

孫凱輝, 張永輝, 楊須寧

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

大華橋水電站庫區岸坡類型分析及塌岸預測

孫凱輝, 張永輝, 楊須寧

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

介紹大華橋水電站庫岸岸坡結構類型,分析岸坡變形破壞特征。根據地質特征及所屬岸坡結構類型將庫區分為四段,并評價其穩定性;根據工程特點,選擇合適的塌岸預測方法,預測塌岸范圍,為水庫影響區范圍的界定提供地質依據。

庫岸岸坡;結構類型;變形破壞;塌岸預測

1 工程概況

大華橋水電站壩址位于云南省怒江州蘭坪縣境內的瀾滄江干流上,系瀾滄江上游河段規劃推薦開發方案7個梯級電站的第6級,上接黃登水電站,下鄰苗尾水電站。壩型為混凝土重力壩,最大壩高106 m,電站裝機容量920 MW。水庫正常蓄水位1 477 m,干流回水至黃登水電站下游,回水河道長約38.5 km,水庫庫容2.93億m3[1]。

2 庫區工程地質條件

水庫區內瀾滄江河道總體呈近SN向延伸,兩岸山頂高程多在2 700～3 600 m左右,相對高差1 300～2 500 m。庫區段河谷多遭受深切而呈“V”型谷,為高中山峽谷型地貌,河道蜿蜒曲折,兩岸坡度一般為25°～50°。營盤鎮上游河谷狹窄,兩岸地形陡峻,河床寬一般為40～75 m;營盤鎮—壩址河段較為開闊,左岸以營盤鎮所在地面積最大,右岸以金滿村、拉古村所在地面積最大,僅在較大沖溝溝口或崩塌錯落堆積地段存在小型的平緩臺地,河床寬一般為60～100 m。庫區兩岸山體雄厚,無低洼的地形分水嶺,屬狹長型河道水庫。

水庫區出露巖性主要為二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系等,其中侏羅系紫紅色板巖最為發育,僅在庫尾及庫首段分別出露三疊系火山碎屑巖和白堊系板巖、砂巖。

水庫區位于瀾滄江斷裂帶以東,庫區兩岸除大華橋上游1 km河段范圍內巖層揉皺劇烈以外,其他河段多以單斜層產出,產狀走向近南北向,多傾向右岸,庫區周邊巖體內褶皺發育程度不均一,主要有大華村以南偏左岸和大華村以北偏右岸的復式背斜。庫區巖層內斷裂構造分布較少,規模較大者有兩條F26、F27,其中F26斷層展布于庫區中下游地段,總體走向近SN向,斷裂帶由多條斷裂組成,沿走向一波三折,并多次被近東西向斷裂切錯,連續性不強。F27斷裂展布于庫區中部青吾甸—營盤一帶,走向近南北,庫內長度約14 km。走向線呈舒緩波狀,由2～3條斷層組成,發育于中、上侏羅統地層內。其它斷裂多順巖層發育,貫通性較差。庫區巖體裂隙基本可以分為四組:①NE10°NW∠75°～80°;②NW280°～290°NE∠80°;③NE5°～20°NW∠5°～25°;④NW275°～300°SW∠5°～25°。裂隙一般延伸短小,以第①組層面裂隙、②組垂直層面裂隙組最為發育,③、④組緩傾角裂隙組發育較少。庫區物理地質現象較發育,主要表現為滑坡、泥石流及巖體的風化、傾倒、卸荷、崩塌等,尤以崩塌堆積體最為發育。規模較大的滑坡主要發育有三個,均為古滑坡堆積體,滑面位于基巖與覆蓋層交界處,基本以土質滑坡為主,現狀下滑坡基本處于蠕滑狀態。

水庫區內有大小沖溝25條,支流多以大角度交匯于瀾滄江,構成“豐”字狀水系,河口均可見沖洪積物堆積。水庫區內階地分布不多,可見Ⅰ-Ⅵ級,其中Ⅰ-Ⅲ級臺面保持相對完整,Ⅳ級以上階地以殘留體形態分布在高處,并可見到岸坡崩塌、錯落掩埋的砂卵礫石層。

3 庫岸結構類型及變形破壞特征

根據 《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》(DL/T 5337—2006),結合岸坡巖(土)性質、變形特征分為層狀結構邊坡、傾倒變形結構邊坡、土質邊坡和滑坡堆積物邊坡四大類型。

3.1 層狀結構巖體邊坡

主要分布于斜向谷與橫向谷的兩岸。依據巖層與岸坡的關系又分為以下四類:橫向岸坡、順向岸坡、逆向岸坡、斜向岸坡。其中橫向及逆向岸坡出露巖體以弱風化為主,呈陡立層狀結構,巖體完整性差—較完整,傾倒變形不發育或不強烈,自然邊坡整體穩定。邊坡主要結構面為層面及層內錯動帶,緩傾角結構面多短小,無傾向坡外連通性較好的結構面分布,蓄水后邊坡整體穩定性較好。陡立岸坡中,局部有破碎巖體分布,蓄水后破碎巖體可能產生崩塌,但影響范圍較小。順向庫岸岸坡一般巖層傾角大于自然坡腳,其穩定條件較好,但傾角陡時,易產生傾倒變形破壞;斜向庫岸岸坡穩定性一般較好。該類型岸坡約占庫岸總長的43.5%。

3.2 傾倒變形結構巖體邊坡

主要分布于縱向谷的一岸或兩岸,由巖體傾倒變形而形成,邊坡穩定性差,穩定坡角取決于層狀碎裂巖塊間的鑲嵌情況及其咬合力,表層巖體的穩定性較差,水庫蓄水后,在庫水的作用下傾倒變形加劇,從而導致邊坡表層產生崩塌。該類型岸坡約占庫岸總長的36.5%。

3.3 土質邊坡

主要有沖積、洪積、崩坡積堆積物形成的岸坡,水庫蓄水后受地表水的沖刷及庫水波浪的淘刷作用,庫岸再造比較強烈、速度快,是主要的塌岸地段。該類型岸坡約占庫岸總長的13.5%。

3.4 滑坡堆積物邊坡

庫區滑坡主要為土質滑坡,組成物為含碎石粘土、碎塊石。滑坡穩定性受土體結構、滑面特征及地下水位的控制。水庫蓄水后,邊坡水文地質條件的變化及前緣局部塌岸,均可能改變滑坡體的穩定狀態而導致滑坡復活或變形加劇,產生牽引式淺表層滑移失穩。該類型岸坡約占庫岸總長的6.5%。

4 庫段劃分及穩定性評價

根據河谷地貌形態、巖土體性質和結構類型、地質構造特征、河谷和岸坡結構類型、水文地質條件、庫岸穩定性現狀及對樞紐建筑物的影響程度等因素,將大華橋庫區分為四段,主要包括下壩址—黃龍場河段、黃龍場河—玉龍河段、猴子巖河—玉龍河段、猴子巖河—庫尾段。綜合分析,穩定及基本穩定的庫段占總庫長的一半,其中庫尾—玉龍河段(營盤鎮)除甸尾橋、甸尾堆積體外均屬此類岸坡;穩定性較差、穩定性差的占總庫長的一半,玉龍河—壩址段均以此類岸坡為主,期間發育大華滑坡、拉古滑坡、滄江橋滑坡等規模較大的滑坡體,迤場、拉巴鐵、扎局、拉古河、松柏礦場、風塔等規模較大的堆積體,部分穩定條件較差。水庫庫岸分段特征及穩定性評價見表1。

5 水庫塌岸預測

5.1 水庫塌岸預測方法

根據有關文獻資料,水庫塌岸預測方法概括起來有二大類:一類為工程地質類比法,另一類為極限平衡搜索法。工程地質類比法是建立在水庫塌岸調查基礎上的分析方法,其中有代表的預測方法有佐洛塔寥夫預測法、手冊法、二段法等。

(1) 佐洛塔寥夫預測法:該方法認為水庫岸坡再造,波浪的作用是主要的,庫岸再造后的岸坡形態由以下五個特征邊坡組成,分別為淺外緣陡坡、堆積淺堆坡、沖蝕淺灘坡、爬升帶斜坡以及水上坡等。塌岸預測時,通過調查選取各特征坡段的坡度和水下堆積淺灘的堆積系數,采用平衡剖面法確定塌岸線。此方法較好地考慮了水下堆積淺灘和浪蝕的作用,理論上符合水庫最終塌岸邊坡的坡形特征,但在實際使用時由于待定參數多,加之堆積系數的確定較為困難,應用不方便。

(2) 手冊法:該方法是指《水利水電工程地質手冊》提出的短期和長期預測法。短期預測法認為水庫蓄水初期的岸坡再造,主要表現為庫岸巖土受庫水作用下,因強度降低產生坍滑,而波浪沖蝕與堆積淺灘的作用可相互抵消,塌岸邊坡可近似地認為由水上、水下穩定邊坡組成。塌岸預測時,通過調查選取河道最高洪水位和正常蓄水位之間的水下穩定坡角、正常蓄水位以上的各土層的水上穩定坡角,利用圖解法確定水庫蓄水庫蓄水初期塌岸寬度。此方法對塌岸邊坡的坡形進行了概化處理,預測結果與實際塌岸寬度基本吻合。

(3) 二段法:預測塌岸線由水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線的連線組成時,水上穩定岸坡線的起點,所對應的同高度的原始岸坡點與該線終點之間的水平距離,即為預測的塌岸寬度Sk。水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位h及傾角α確定,水上穩定岸坡線由設計洪水位和毛細水上升高度H′及傾角β確定。此方法與手冊的短期預測法相似,作為水庫影響區預測結果偏于不安全。

表1 庫岸分段特征及穩定性評價表

5.2 本工程預測方法的確定

本工程可能產生塌岸的邊坡巖土主要有崩積層、沖積層、洪積層和傾倒變形巖體邊坡。土質岸坡的物質組成、密實程度和穩定坡角決定其塌岸程度。

土質岸坡庫岸再造比較強烈,短期塌岸和長期塌岸相差較大,蓄水后邊坡破壞形式以崩坍和波浪沖蝕為主,塌滑面為近直線型,手冊法的短期預測法符合本工程塌岸破壞特征,塌岸邊坡概化處理易于操作,可作為本工程土質邊坡的短期預測方法。從塌岸的形成過程來看,長期塌岸是在短期塌岸基礎上的岸坡變形和破壞,以短期預測為基礎進行長期預測是可行的。手冊法中的長期預測方法采用通過坡形修正可以消除存在的問題,但由于短期塌岸后的坡形難以預計,實際操作不現實,因此,采用《水利水電工程地質手冊》提出的圖解法作為本工程的短期預測方法;長期預測方法中考慮了水下堆積淺灘的作用、浪蝕的作用,增加了淺灘坡角。實際計算過程中,需要對短期預測與長期預測法進行對比。

5.2.1 短期預測

土質邊坡和傾倒變形邊坡塌岸高程和塌岸寬度根據計算圖解法求得。計算圖解法如圖1所示。

其計算公式如下:

圖1 非均質岸坡塌岸短期預測示意圖Fig.1 Schematic diagram of short-term prediction of heterogeneous bank collapse

式中:S0為水庫蓄水庫蓄水初期塌岸寬度(m);Hi為正常蓄水位以上第i層土的厚度(m);hi為第i層土的厚度(m);αi為第i層土的水下穩定坡角,為靜水作用下的巖土穩定坡度;βi為第i層土的水上穩定坡度;γ為原始岸坡坡度。

5.2.2 長期預測

土質岸坡塌岸高程和塌岸寬度根據計算圖解法求得。計算圖解法如圖2所示。

兩種方法預測時,如果岸前有梯級階地或河漫灘,且階地或河漫灘高于原河道最高洪水位時,則以階地或河漫灘的后緣高程代替原河道最高洪水位值,作為塌岸起算點;當邊坡下部有基巖出露且基巖面高于原河道最高洪水位值時,以基巖面作為塌岸起算點。

圖2 非均質岸坡塌岸長期預測示意圖Fig.2 Schematic diagram of long-term prediction of heterogeneous bank collapse

其計算公式如下:

式中:St為塌岸帶最終寬度(m);Hi為正常蓄水位浪爬高以上第i層土的厚度(m);hb為浪爬高度,大體為0.1～0.8倍波高,hb取1 m;hp為波浪沖刷深度,大體為1～2倍波高,hp取1.5 m;hi為第i層土的厚度(m);αi為第i層土的水下穩定坡角,為靜水作用下的巖土穩定坡角(°);θi為水位變動帶第i層土的沖磨蝕坡角,為動水作用下的巖土穩定坡度;βi為第i層土的水上穩定坡度;γ為原始岸坡坡度。

5.3 預測成果

為了獲取大華橋庫區比較真實、客觀的塌岸預測參數,對庫區內庫岸的天然岸坡進行調查,并結合上、下游梯級電站的調查成果,最終確定庫區塌岸預測邊坡特征參數建議值如表2。在各庫段塌岸預測中,結合邊坡巖土性質選擇預測參數,其中水下穩定坡腳一般取22°,浪擊帶取12°～14°。

由于本工程天然岸坡較陡,死水位較高,淺灘堆積上升速度較慢,且水庫中前段水深較大,土質岸坡塌岸起算點采用河道最高洪水位,傾倒變形邊坡塌岸起算點采用傾倒邊坡變形發育下限高程。各水位的選取標準如下:

(1) 根據庫區調查,河水位最大變幅為4～5 m。河道最高洪水位以現在河水位增加5 m計。

(2) 水庫正常蓄水位1 477 m,死水位1 472 m。對于有居民點分布地段,塌岸預測水位按水庫正常蓄水位并考慮20年一遇(P=5%)洪水回水位計算成果選取;對于有耕地、林地分布的庫段,塌岸預測水位按水庫正常蓄水位并考慮5年一遇(P=20%)洪水回水位計算成果選取;對于一般庫岸,塌岸預測水位按照水庫正常蓄水位選取。

表2 庫區主要巖(土)層建議坡角

表3 庫區塌岸范圍一覽表(部分)

根據以上原則,對庫區塌岸進行了預測,部分地段的預測成果見表3。

6 結語

通過對大華橋水電站水庫庫岸穩定性分析研究,初步掌握了各庫段岸坡變形破壞特征,并合理選用適合本工程的水庫塌岸預測方法、巖土體物理力學參數,提出了庫區塌岸的位置及范圍,為最終水庫影響區范圍的界定提供了地質依據。

[1] 張永輝,王永彬,郭松.大華橋水電站庫岸穩定性及水庫影響區范圍界定專題報告[R].北京:北京勘測設計研究院有限公司,2010.

(責任編輯：于繼紅)

Type Analysis of Bank Slope and Prediction of Bank Collapse for Reservoir Areaof Dahuaqiao Hydropower Station

SUN Kaihui, ZHANG Yonghui, YANG Xuning

(PowerChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

This paper describes the slope structure type of reservoir bank for Dahuaqiao hydropower station,and analyzes the deformation failure characteristics of bank slope. The reservoir area is divided into four sections based on the geological characteristics and structure type of bank slope,and then to evaluate the stability. According to the project characteristic,the suitable predication method of bank slump which may predict the scope of bank collapse is selected to provide the geological basis for defining the reservoir-affected area.

bank slope; structure type; deformation failure; prediction of bank collapse

2016-04-22;改回日期:2016-05-15

孫凱輝(1984-),男,工程師,水文與水資源工程專業,從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:sunkh@bhidi.com

TV697.3+3

A

1671-1211(2016)03-0369-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.029

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.022.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31