瑪爾水電站右岸傾倒體結構特征與穩定分析

趙之舉, 何燕云, 趙一桐

(1.上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200434; 2.三峽大學,湖北 宜昌 443002)

瑪爾水電站位于巴基斯坦東北部印度河支流吉拉姆河上,電站水庫總庫容約1.2億m3,最大壩高約90 m,擬建建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩后式廠房及溢流、泄洪等建筑物組成。壩址地形條件適宜修建混凝土重力壩,但壩址右壩肩為一傾倒變形體岸坡,傾倒體的發育規模、空間分布、結構特征及穩定性對樞紐建筑物布置意義重大,為此開展了右岸傾倒變形體的勘察研究工作。本文針對傾倒體的穩定分析,不僅考慮了水庫蓄水前后的各種自然工況,更為關注的是水庫蓄水初期、中期邊坡的穩定狀況。

1 邊坡地質條件

工程區處于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶之西構造附近,地震活動活躍,50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.30g,區域構造穩定性較差[1-2]。

壩段河谷為一縱向谷,沿河谷發育一背斜構造。兩岸山體雄厚,為中陡傾角反向坡,岸坡巖性由上第三系穆里組(N1m)的砂巖及泥質巖相間組成,巖層傾角40°～70°,巖體差異風化嚴重、強卸荷水平深度約50 m,層間擠壓破碎帶及軟弱夾層較為發育。壩址左岸自然邊坡坡度25°～35°,右岸為傾倒變形體邊坡。

壩址右岸邊坡上緩下陡,高程610.0 m以上邊坡較緩,地形坡度15°～25°;高程590～610.0 m段地形坡度約30°～40°,590 m高程以下40°～55°。傾倒體邊坡覆蓋層以殘坡積砂質粘土為主,殘坡積厚度一般1～4 m,邊坡前緣坡腳附近基巖露頭良好。根據邊坡巖體組合特征,邊坡巖體可劃分為7個巖性組,分別是:?層粉砂質泥巖,塊狀;①層砂巖夾粉砂質泥巖,次塊狀—碎裂狀;②層粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖、砂巖,碎裂—片狀;③層砂巖,次塊—碎裂狀;④層粉砂質泥巖、砂巖互層,碎裂夾碎塊狀;⑤層砂巖,次塊—碎裂狀;⑥層砂巖、泥質粉砂巖互層,層狀—塊狀。其中①～⑤層巖組位于傾倒變形體范圍。

邊坡處于壩址河床背斜的西翼。正常巖層產狀走向NW330°～340°/傾向SW,傾角50°～70°,現狀坡面巖層傾角一般15°～40°,坡面巖層傾角較天然產狀傾角偏緩,巖層均有不同程度的傾倒現象。

邊坡體內未見明顯的斷層通過,主要的地質構造為層間剪切帶和裂隙構造。剪切帶發育寬度一般1～30 cm,剪切面光滑、多有擦痕,剪切帶物質多為碎屑夾泥型,結構面傾角一般接近巖層傾角,為25°～55°。構造裂隙主要為走向NW、NWW和NEE三組,由于傾倒體處于強風化、強卸荷帶內,裂隙面多鐵錳質氧化物浸染,卸荷張開或充填碎屑及次生夾泥。平硐揭示的傾倒體潮濕,但無滴水、滲水現象,處于地下水位以上。傾倒體邊坡縱向剖面見圖1。

2 傾倒體結構特征

根據平硐揭示傾倒體水平深度20.0～48.0 m,鉆孔揭示傾倒體垂直深度約30.0 m,估算傾倒變形體方量35.0萬～40.0萬m3。

根據平硐揭示,傾倒體由強風化、強卸荷的砂巖、泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖組成,巖體結構呈次塊狀—碎裂狀和薄層狀。不同深度、不同巖性傾倒體邊坡變形程度和破壞形式存在差異。邊坡淺部巖體一般變形程度強,深部巖體變形程度變弱[3],邊坡體內硬質巖砂巖一般表現為傾倒松弛破壞,泥質粉砂巖及粉砂質泥巖巖性較軟,多表現為彎曲破碎變形。

圖1 傾倒體邊坡縱向剖面圖Fig.1 Longitudinal section map of dump slope1.粉砂質泥巖;2.泥質粉砂巖;3.砂巖;4.平硐;5.巖組編號;6.傾倒體界線;7.強風化下限;8.強卸荷帶下限;9.地下水位線。

3 成因機制

壩址右岸邊坡為軟巖與硬巖相間分布的中陡傾角反向坡,受河流侵蝕作用影響前緣邊坡較陡,局部軟巖被水流掏蝕形成空洞。在重力、地應力、地震等內外營力共同作用下,邊坡巖體一方面向臨空方向卸荷變形,產生拉張裂縫;同時邊坡巖體中的泥質巖及軟弱夾層等軟弱巖體在重力作用下也發生壓縮蠕變,產生不均勻的塑性變形;由于臨空方向軟巖擠出的影響,靠近坡外的巖體縱向壓縮變形量大于坡內的巖體,受坡體下部軟巖不均勻變形的影響,邊坡巖體逐漸出現了“點頭哈腰”,以致產生傾倒變形。在巖體傾倒變形的形成過程中,由于軟質巖適應變形能力較強,變形后多呈彎曲的緩坡狀,硬質巖多呈折斷、傾倒、塊體間張開、不連續排列及架空現象。

4 穩定性分析

4.1 定性分析

根據勘探揭示及地表測繪,目前變形體地表未見拉裂變形跡象,傾倒變形體下部也未見貫通性結構面,初步分析傾倒變形體在天然狀態下整體處于穩定狀態。但在水庫蓄水期及暴雨、地震工況下,庫水對巖體的飽和、軟化作用以及地震作用會降低傾倒巖體的強度和穩定性,傾倒變形體可能存在局部失穩和整體穩定的潛在風險,威脅大壩及其他泄洪建筑的安全。

4.2 極限平衡法計算分析

根據邊坡巖性、巖體結構特征進行的巖體質量分級,該傾倒體邊坡巖體級別屬Ⅳ級差的—Ⅴ級巖體,參考平硐原位巖體抗剪斷試驗成果,傾倒變形體下界面附近各巖組層巖體物理力學參數如表1所示。

表1 各巖組層的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

采用極限平衡法進行邊坡穩定性分析,計算軟件為加拿大RocScience公司的Slide軟件,分別對不同運行期、不同工況下,傾倒體沿其下界面整體滑動和沿傾倒體內最危險滑弧局部失穩的安全性進行了計算,計算結果如表2所示。邊坡二維計算模型如圖2、圖3所示。其中,水庫蓄水后分別計算蓄水初期(L=20 m)、中期(L=40 m)和正常蓄水運行期(L=65 m)不同庫水位工況的穩定性。水位驟降為從正常蓄水位585 m降至正常運行排沙水位572 m。

根據水電工程相關規范及標準[4]確定的該邊坡為A類Ⅱ級邊坡,相應的安全系數取值[1]:正常運行期1.2;正常運行+暴雨期(含水位驟降)1.1;正常運行+地震工況1.05。

表2 各工況穩定性計算安全系數Table 2 Safety coefficient of stability calculation in various working conditions

圖2 蓄水后正常運行與正常運行+地震工況計算圖Fig.2 Calculation chart of normal operation and normal operation + earthquake condition after water storage

圖3 蓄水后正常運行(水位585)與(水位540)暴雨工況計算圖Fig.3 Calculation diagram of normal operation after storage (water level 585) and (water level 540) of heavy rain condition

(1) 傾倒體岸坡在蓄水前和蓄水后除地震工況外,其余工況沿潛在底滑面整體失穩的可能性不大;邊坡除蓄水前的天然狀態和蓄水后的正常+暴雨短暫工況外,其余各工況下均存在局部失穩的風險。

(2) 邊坡的主要失穩形式為短暫及偶然工況下的局部破壞,高烈度地震工況破壞性最大。水庫蓄水初期(L=540 m)和中期(L=560 m)邊坡失穩的風險較正常蓄水位(L=585 m)運行期大,因此庫水對邊坡的穩定影響主要表現在蓄水初期—中期。

5 結論

(1) 傾倒變形邊坡巖體呈次塊狀—碎裂狀和薄層狀構造,邊坡巖體質量級別屬Ⅳ級差的—Ⅴ級巖體,不同深度、不同巖性傾倒體邊坡變形程度和破壞形式存在差異。硬質巖砂巖一般表現為傾倒松弛破壞,泥質巖多表現為彎曲破碎變形。

(2) 本工程的傾倒變形體形成機制是軟巖壓縮—擠出—傾倒—折斷、彎曲變形的結果;折斷面的進一步發展連通最終形成潛在的底滑面。

(3) 傾倒體在不同工況下穩定性差異較大,最危險的工況是長時間暴雨期、地震工況,主要的失穩破壞形式為局部邊坡失穩,除地震工況外發生整體滑動破壞的可能性不大,最危險時段發生在水庫蓄水初期—中期,相對于蓄水前,正常蓄水后的邊坡穩定性則變化不大。

(4) 該傾倒變形體邊坡存在較大的失穩風險,邊坡失穩破壞對大壩及其他建筑物威脅重大,需采取必要的措施進行處理。

[1] 吳彩虹,劉益鋒,王瑞,等.巴基斯坦瑪爾水電站防震抗震專題研究報告[R].上海:上?？睖y設計研究院有限公司,2016.

[2] 電力行業水電規劃設計標準化技術委員會.水電水利工程區域構造穩定性勘察技術規程:DL/ T 5335—2006[S].北京:中國電力出版社,2006.

[3] 馬德林,楊紹平,許榮剛.某水電站庫區傾倒變形體穩定性研究[J].四川地質學報,2014,34(4):599-602.

[4] 電力行業水電規劃設計標準化技術委員會.水電水利工程邊坡設計規范:DL/ T 5353—2006[S].北京:中國電力出版社,2007.