德澤水庫發(fā)電放空隧洞閘門井后緣邊坡穩(wěn)定性分析

張雄云, 米 健

(云南省水利水電勘測設計研究院,云南 昆明 650051)

1 工程概況

德澤水庫正常蓄水位1 790.0 m,死水位高程1 747.00 m,校核洪水位高程1 793.23 m,最大壩高142.0 m,壩頂高程為1 796.30 m,相應總庫容4.48×108m3。發(fā)電放空隧洞閘門井后緣邊坡位于趾板線上游60 m,分布高程1 750.0～1 850.0 m,蠕動變形體前緣位于水庫死水位高程以下,其后緣高于水庫校核洪水位高程。邊坡及蠕動變形體的穩(wěn)定性受水庫水位變化影響較大。閘門井后緣邊坡地形地貌特征見照片1。

照片1 閘門井后緣邊坡地形地貌特征Photo 1 Topographical characteristics of the back edge slope of the gate shaft

2 閘門井后緣邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

邊坡發(fā)育高程1 750.0～1 850.0 m,地形坡度25°～30°,天然坡面較平順,地表大部為第四系松散土層覆蓋,邊坡上部1 850.0 m高程以上為基巖陡壁。

2.2 地層巖性

Qcol+dl碎塊石夾塊石、孤石,厚度5～10.0 m,分布高程1 800.0 m以上。Qs+dl含孤塊石碎石土,厚度為4～8 m,分布于1 750.0～1 800.0 m高程。

D3zg白云巖夾灰質(zhì)白云巖,厚度為120～150 m,出露高程1 820.0 m以上。D2h石英砂巖夾粉砂巖、泥巖,厚度一般為10～50 m,出露高程1 770.0 m以上。

∈1c5頁巖夾粉砂巖及長石石英砂巖互層,厚度35～85 m,分布于蠕動變形體中段;∈1c4紫紅色泥巖夾砂巖;∈1c3頁巖、粉砂巖及長石石英砂巖互層,厚度26～32 m,分布于蠕動變形體前緣地層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,巖層總體傾向下游偏山外,邊坡巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)與層狀結(jié)構(gòu)。節(jié)理裂隙主要有:①層面裂隙,5°～20°∠5°～15°,總體緩傾向下游偏山外,其中∈1c4與∈1c3接觸面以及D3zg與D2h接觸面總體較平直,∈1c5與∈1c4接觸面以及D2h與∈1c5接觸面波狀起伏;②裂隙產(chǎn)狀,115°～120°∠60°～80,裂隙面多平直,寬度一般3～5 cm,灰黃色粘土夾巖屑充填;③315°～320°∠75°～80°,裂隙面多平直,寬度一般1～3 cm,局部閉合,灰黃色粘土夾巖屑充填。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological profile

2.4 蠕動變形體

蠕動變形體上、下游邊界為垂直河床走向的兩條淺切割沖溝所夾持,分布高程1 750.0～1 800.0 m,后緣寬度160 m,前緣寬度110 m,長90 m,平均厚度5.0 m,變形體方量約6萬～8萬m3,屬中層土質(zhì)小型蠕動變形體。土體結(jié)構(gòu)上部區(qū)塊分布于高程1 800.0 m施工道路上方,位于蠕動變形體后緣上方,高于水庫正常蓄水位高程(1 790.0 m)。為崩坡積層(Qcol+dl)碎塊石夾塊石、孤石,堆積松散—稍密實,局部具架空現(xiàn)象。下伏基巖以泥盆系的白云巖及砂巖為主,總體傾向下游偏山外。下部區(qū)塊分布于高程1 750.0～1 800.0 m之間,為人工堆積及坡積層松散體(Qs+dl)含孤塊石碎石土,碎塊石含量10%～30%,粒徑以3～10 cm為主,該層平均厚度約5 m,已發(fā)生蠕動變形。下伏基巖為泥盆系及寒武系的砂巖、頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,為強—弱風化狀。

蠕動變形體中后部發(fā)育兩條拉張裂隙(縫),第一條拉張裂隙(縫)分布于1 761.0 m高程,呈線狀發(fā)育,走向與河流基本一致,發(fā)育長度約26.0 m,地表觀測張開寬約2～5 cm,可見深度>1 m;第二條拉張裂隙(縫)分布于1 798.0 m高程,呈弧形發(fā)育,弧頂向山內(nèi)突出,兩側(cè)向上、下游邊坡延伸,發(fā)育長度約80.0 m,地表觀測張開寬約2～5 cm,最大張開寬度10 cm,可見深度>1 m。第四系松散層與下伏基巖滑動帶主要由灰色粘土夾巖屑組成,滑動面為松散體與基巖接觸面。2010年4月對該蠕動變形體進行了專項工程地質(zhì)勘察[1],查明了滑坡的性質(zhì)、深度、范圍。

2.5 水文地質(zhì)

蓄水前地下水位埋深一般13～27 m,蓄水后大部分邊坡位于正常蓄水位以下(1 790.0 m)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析及評價

3.1 變形破壞機制分析

(1) 邊坡上段白云巖透水性強,砂巖透水性中等;下伏的寒武系泥巖、頁巖、砂巖透水性弱,雨季時地表水易在巖、土體接觸面上形成飽水帶,使接觸帶抗剪強度降低,在外部因素影響下易形成滑動面,對上部土體穩(wěn)定不利。

(2) 由于在開挖過程中形成的臨空面未及時支護,致使上部土體失穩(wěn),沿巖、土體接觸面產(chǎn)生向下蠕動變形,在陡坡下部土體滑動的牽引作用下,中后部形成兩條不連續(xù)的拉張裂縫。

(3) 閘門井后緣邊坡在進行施工道路開挖時,棄碴沒有全部清運,部分堆積在坡體上部,造成邊坡上部加載,增加松散體的滑動力。

3.2 邊坡穩(wěn)定計算模型確定

根據(jù)發(fā)電放空洞閘門井后緣邊坡的變形情況,初期主要為沿Q層與基巖接觸面產(chǎn)生滑動蠕變變形,因此,在考慮邊坡進行錨筋樁加固處理前后的實際工況后,將第四系土體與基巖接觸面作為滑動底界面進行表層土體的穩(wěn)定分析。同時根據(jù)發(fā)電放空隧洞閘門井邊坡出露地層的實際情況,邊坡∈1c4以紫紅色泥巖為主,巖質(zhì)軟弱,巖體抗風化能力差,遇水易軟化,一般厚度達20～30 m,巖層總體緩傾向下游偏山外,且∈1c4與∈1c3接觸面總體較平直,不利于邊坡穩(wěn)定,因此,分析認為,∈1c4與∈1c3接觸面為閘門井上側(cè)整個邊坡最危險面。第②組裂隙傾向山外,與巖層面形成不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合。在邊坡穩(wěn)定計算建模過程中,選取第②組裂隙以及∈1c4與∈1c3接觸面進行組合,并以第②組裂隙作為邊坡的條塊界面,以∈1c4地層底界面作為整個邊坡潛在滑動底界面,選取典型工程地質(zhì)剖面對閘門井后緣邊坡整體穩(wěn)定性進行計算。地質(zhì)剖面圖見圖1,計算邊界示意圖見圖2、圖3。

3.3 邊坡巖土體物理力學參數(shù)選取

在邊坡穩(wěn)定性計算中,各種巖土材料的物理力學參數(shù)按表1-表3選取[2]。

圖2 典型剖面表土層穩(wěn)定計算邊界示意圖Fig.2 Boundary diagram of surface soil layer stability calculation in typical profile

圖3 典型剖面整體穩(wěn)定計算邊界示意圖Fig.3 Boundary diagram of the overall stability calculation of typical profile

表1 邊坡第四系巖組建議物理力學參數(shù)表Table 1 The proposed physical and mechanical parameter table of the Quaternary rock group of the slope

巖層巖性天然容重/(kN·m-3)飽和容重/(kN·m-3)抗剪強度c/MPafQs+dl孤塊石、碎石砂土、粘土及碎石土16．0～17．017．0～18．00．008～0．010．21～0．25Qcol+dl孤塊石、粘土及碎石土17．0～18．518．5～19．50．01～0．0150．27～0．35

表2 邊坡巖體建議物理力學參數(shù)表Table 2 The physical and mechanical parameters table of slope rock mass

表3 邊坡巖土體接觸面建議物理力學參數(shù)表Table 3 The proposed physical and mechanical parameter table of the contact surface of rock and soil of slope

據(jù)1∶400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)[3],地震動峰值加速度為0.2g,相應地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)地震安全評價報告,邊坡地表松散土體設計地震動峰值參數(shù)采用50年超越概率10%取值為0.219,相應的地震烈度按Ⅷ度考慮;邊坡下伏基巖巖層接觸面設計地震動峰值參數(shù)采用50年超越概率10%取值為0.168,在進行邊坡穩(wěn)定計算時不考慮豎向地震力作用。

3.4 滑坡穩(wěn)定性計算及計算成果分析

(1) 發(fā)電放空隧洞閘門井后緣邊坡表層土體穩(wěn)定分析采用STAB計算軟件,計算結(jié)果見表4。

表4 表層土體穩(wěn)定性分析(STAB法)計算結(jié)果Table 4 The calculation results of the stability analysis of the surface soil mass (STAB method)

從表4中可知,該邊坡第四系表土層在水庫蓄水前的地震工況及暴雨或久雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài),在蓄水后的地震工況及快速放空工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 發(fā)電放空隧洞閘門井巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析采用EMU軟件,計算結(jié)果見表5。

表5 ∈1c4/∈1c3接觸面穩(wěn)定性分析(EMU法)計算結(jié)果Table 5 Calculation results of ∈1c4/∈1c3contact surface stability analysis (EMU method)

從表5中可知,該巖質(zhì)邊坡在水庫蓄水前處于穩(wěn)定狀態(tài),蓄水后在快速放空的工況下,邊坡的安全系數(shù)為1.01,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),安全儲備小,不能滿足規(guī)范要求。

綜上所述,表層松散土層在蓄水前的地震工況、暴雨工況,蓄水后的地震工況、快速放空工況下不穩(wěn)定。下部基巖僅在快速放空的工況下安全系數(shù)偏低,可能存在滑移面為∈1c4/∈1c3接觸面,其他剖面均處于穩(wěn)定狀態(tài),因此,基巖邊坡在各種工況條件下基本穩(wěn)定。

4 工程處理措施及處理效果

對蠕動變形體前緣用鋼筋樁進行抗滑加固處理,鋼筋樁底界應深入∈1c4與∈1c3接觸面以下5.0 m,一般深度為12～15.0 m,處理范圍為閘門井后緣邊坡3#沖溝與4#沖溝之間蠕動變形體。對邊坡進行削坡并噴混凝土支護。在邊坡周邊設置截水溝加強地表排水。

按照上述處理措施對邊坡進行抗滑加固處理后,邊坡經(jīng)過多年的蓄水運行均處于穩(wěn)定狀態(tài),保障了閘門井的運行安全。

[1] 電力行業(yè)水電規(guī)劃標準化技術(shù)委員會.水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程:DL/T 5337—2006[S].北京:中國電力出版社,2006.

[2] 米健.牛欄江—滇池補水工程德澤水庫發(fā)電放空隧洞閘門井后緣邊坡穩(wěn)定分析研究專題報告[R].昆明:云南省水利水電勘測設計研究院,2011.

[3] 中國國家標準化管理委員會.中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖:GB 18306—2015[S].北京:中國標準出版社,2015.