磽磧水庫永壽寺邊坡坍岸機理及防治措施

劉 晗， 胡 卸 文

(西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引 言

水庫坍岸是指庫岸邊坡在庫水浸泡、風浪沖蝕等其他外營力作用下，岸坡巖土體的物理力學性質和水理性質發生改變，破壞了岸坡原有的穩定平衡條件，岸坡發生逐漸坍滑，庫岸線不斷后移進行庫岸再造的地質現象[1]。水庫坍岸是水庫運行期間一種常見的地質災害，具有發生頻次高，反復性強，持續時間長的特點，并且會對人類的生命財產安全和工程設施產生極大的危害[2-3]。

磽磧水庫由東河主庫及螞蝗溝、咔日溝、泥巴溝、柳洛溝支庫組成。永壽寺位于磽磧水電站庫區右岸泥巴溝和咔日溝之間的條形山脊上，下游距磽磧大壩約1.5 km，距寶興縣城約58 km。由主寺廟、僧房和回廊等組成，占地面積約4 000 m2，建筑物基礎高程2 158～2 167 m。從2006年底磽磧水庫蓄水至今，在水庫蓄水至正常蓄水位(2 140 m)及其后續降水過程中，靠泥巴溝和咔日溝側正常蓄水位線附近淺表層局部出現明顯變形并坍岸，嚴重影響場地安全。寺廟所在巖質邊坡為何會發生坍岸？揭示其坍岸機理對類似邊坡具有指導示范意義。

1 邊坡工程地質條件

永壽寺所處條形山脊較單薄，山脊走向近東西向，長約700 m，脊頂高程2 155～2 163 m不等，脊頂寬約1 035 m，山脊與兩側溝床相對高差約80～120 m。條形山脊兩側邊坡地形陡峻，地表多覆蓋0.5～1 m厚的坡殘積礫石土，局部厚達1～3 m，植被覆蓋率高，局部陡坎部位基巖裸露。

其中，山脊北面(咔日溝)側坡上陡下緩，地形自然坡度一般25°～45°；南面(泥巴溝)側坡地形相對較陡，自然坡度一般37°～53°。

條形山脊由志留系(S)粉砂質千枚巖偶夾粉砂巖組成，薄層狀結構，巖性軟弱，受構造作用影響，巖層揉皺強烈，巖層產狀N30°～70°E/NW∠50°～80°，與山脊大角度相交且傾向山內。根據勘探資料，條形山脊不但強風化深度較大，局部尚殘留有厚約0.5～1m的全風化層，強風化水平深度約20～50 m，弱風化水平深度約50～70 m；強卸荷水平深度約10～16 m；弱卸荷水平深度一般20～50 m，與強風化深度基本一致。受構造作用及風化卸荷強烈影響，淺部巖層松弛破碎，局部巖層傾倒變形顯著[4]。

2 坍岸變形體基本特征及坍岸機理分析

2.1 坍岸體變形破壞特征

永壽寺坍岸變形體分別位于咔日溝側和泥巴溝側，如圖1和圖2所示。咔日溝側坍岸變形體地貌上為陡坡，呈EW向展布，平面上呈長條狀，前緣分布高程2 066 m，后緣分布高程2 162 m。水庫蓄水后，局部已經發生坍滑。坍滑體主要發生在坡表的坡殘積碎石土層和部分強風化基巖中，滑體順坡長約53 m，寬約42 m，相對高差約27 m，平均厚度9 m，主滑方向6°，坍滑規模約1萬m3，滑體后緣發育37 m長弧形拉裂縫，滑體邊緣兩側剪切裂縫發育。

圖1 咔日溝側坍岸變形體全景圖

泥巴溝側坍岸體主要發育在2 140 m正常蓄水位附近的坡表坡殘積碎石土和部分強風化基巖中，坍滑體順坡長約23 m，寬約15 m，平均厚度6 m，主滑方向175°。岸坡后緣拉裂縫明顯可見，預測潛在坍滑體前緣分布高程2 122 m，后緣分布高程2 155 m，相對高差約33 m，最終坍岸規模3萬m3(見圖3，4)。

圖2 泥巴溝側坍岸變形體全景圖

圖3 永壽寺部位工程地質平面圖

2.2 坍岸影響因素分析

影響坍岸的因素可分為岸坡地質因素和外界誘發因素。岸坡地質因素包括地形地貌、地層巖性、地質構造、巖體風化程度等；外界誘發因素包括庫水位的升降、降水、地震、人類工程活動等。

圖4 永壽寺坍岸邊坡1-1′剖面圖

2.2.1 岸坡地質因素

(1)地形地貌

條形山脊兩側邊坡地形陡峻，山脊與兩側溝床相對高差約80120m。高陡的岸坡其穩定性相對較差，易發生坍岸。

(2)地層巖性

邊坡局部尚殘留0.5～1 m厚的含礫石粉質黏土，部分顆粒較細，下伏千枚巖表部風化強烈，部分全風化巖體除了保持原巖結構外，但鉆孔采取率極低、類似于坡殘積碎石土，且滲透性較差，就是下伏的強風化基巖其完整性也差。庫水位升降時，內外易形成較大的水頭差產生動水壓力，容易形成淺表層坍岸。這也是為何永壽寺巖質邊坡也會發生較大規模坍岸的主要原因。

(3)風化程度

巖體強風化深度較大，淺部巖層松弛破碎，強度低。在庫水浸泡下，巖體不斷軟化，強度降低，易導致庫岸邊坡失穩破壞。

2.2.2 外界誘發因素

(1)庫水位升降

①庫水位上升

當庫水位上升和保持正常2 140 m蓄水位時，庫水入滲，使坍岸變形體內的浸潤線上升和保持高位。入滲的庫水會降低巖體的強度，同時庫水位的上升會對坍岸體前緣產生一定的浮托力，使抗滑力降低，形成坍岸。

②庫水位下降

庫水位下降過程中，在岸坡內外形成水頭差，形成向外的滲透力，同時巖土體空隙中流動的水會沖刷、軟化巖土體，不利于岸坡的穩定性。

(2)降雨

永壽寺坍岸變形體在雨季受持續降雨影響，不斷下滲補給進入坍岸變形體，同時夏季的庫水位保持在2 140 m，坡體內較高的地下水浸潤線導致永壽寺坍岸體長時間受到水的浸泡，加速岸坡巖土體的軟化，造成岸坡失穩。

2.3 坍岸機理

結合影響因素及坍岸體變形破壞特征分析認為，庫水位在上升至2 140 m過程中，岸坡的浸潤線的升高，使坡體的飽水面積增大，隨著庫水的浸泡，巖土體發生軟化，物理力學性質降低，使坡腳處巖土體最先發生剪切破壞，同時庫水位的上升對前緣巖土體產生了一定的浮托作用，致使前緣抗滑力降低，中后部坡體也產生了輕微的變形，此時岸坡處于緩慢蠕滑狀態；當庫水位下降時，岸坡內外因水頭差形成的動水壓力推動表層蠕滑，使岸坡后緣拉裂，同時由于水流的沖刷，裹挾部分坡腳巖土體，加劇了坡腳的破壞。坡腳的蠕滑變形為后部巖土體的變形提供了空間，后部巖土體由于失去了支撐，也開始產生滑動變形。總體表現為由下至上逐級破壞，失穩模式為典型的牽引式坍滑。

根據現場勘查及鉆孔資料表明，滑體為強風化千枚巖，滑床為弱風化千枚巖，滑帶和滑床分界線明顯。從底層滑面形態判定潛在滑動面基本受強、弱風化帶界限的控制。

3 邊坡穩定性分析

采用極限平衡法進行穩定性計算分析，計算剖面選取具有代表性的1-1′剖面，通過對正常蓄水位逐漸降至不同水位條件下的坍岸滑坡穩定性計算結果顯示，穩定性最差的是正常蓄水位2 140 m降至2 135 m，因此以最不利蓄水2 140 m降至2 135 m及2 140 m正常蓄水為基本控制條件，再考慮天然、暴雨、地震三種況，坍岸底滑面如前所述，即沿著千枚巖巖體內的強、弱風化界面坍滑。據室內試驗結果，并結合反演分析結果及類似工程經驗，確定滑體的物理力學參數天然狀態下為γ=22.4 kN/m3，C=34 kPa，φ=33°；飽和狀態下γ=22.9 kN/m3，C=27 kPa，φ=28°。穩定性計算結果見表1和表2。以最不利蓄水作為治理工程設計，典型剖面的設計推力見表3。

表1 2 140 m降至2 135 m蓄水位穩定性計算結果表

表2 2 140 m蓄水位穩定性計算結果表

表3 永壽寺兩側坍岸變形體擬設抗滑工程處剩余推力計算表

由計算結果可知，在最不利蓄水條件下，邊坡在三種下的穩定性系數均小于1.05，處于欠穩定不穩定狀態；在2140m正常蓄水位條件下，不同下的穩定性系數均有所提高，邊坡處于基本穩定不穩定狀態，表明永壽寺兩側坍岸變形體在水庫現階段運行狀態下處于欠穩定不穩定狀態，在庫水作用下存在較大范圍滑動的可能性。

4 坍岸防治措施建議

結合永壽寺邊坡及其寺廟建筑物的布置、重要性，對于岸坡的治理主要達到以下三個目的：(1)減小巖土體的滲透性；(2)改善巖土體應對變形的能力；(3)提高巖土體的強度以及穩定性。

永壽寺坍岸體表現為典型的牽引式坍滑，因此在治理時主要考慮提高中后部巖土體的強度及穩定性。針對其坍岸形成特點，提出了以下三種治理方案：

(1)方案一

咔日溝側邊坡：坍岸變形體部位“錨索抗滑樁”、已坍滑部位“抗滑樁板墻+路面硬化處理”；泥巴溝側邊坡：格構錨索；并對寺廟院壩地面進行平整恢復。

(2)方案二

咔日溝側邊坡：坍岸變形體部位“格構錨索”、已坍滑部位“階梯式錨桿擋土墻+格構錨索”；泥巴溝側邊坡：格構錨索；并對寺廟院壩地面進行平整恢復。

(3)方案三

咔日溝側邊坡：坍岸變形體部位“格構錨索”、已坍滑部位“抗滑樁板墻+路面硬化處理”；泥巴溝側邊坡：格構錨索；并對寺廟院壩地面進行平整恢復。

通過考慮技術可靠性、經濟合理性進行綜合比選，推薦方案二。

方案二具體治理措施為：

(1)永壽寺咔日溝和泥巴溝側潛在坍滑區均分別布置格構錨索框架，格構框架梁間距為3 m×3 m，橫梁和豎肋的截面尺寸為0.5 m×0.6 m，每34個孔預留一伸縮縫(2 cm)，伸縮縫用浸瀝青木板充填。框架采用C30混凝土澆注，以4根肋柱為一片。咔日溝側錨索采用7根φ15鋼絞線，泥巴溝側錨索采用5根φ15鋼絞線，每根錨索長度為20 m，錨固段長度為8 m，共386束，錨索設計荷載500 kN。

(2)咔日溝側已坍滑區上部布置階梯式抗滑擋土墻，擋墻總長43 m，墻總高9.5 m，基礎埋深2.0 m，墻頂寬5.0 m，墻底設置0.1∶1的反傾，墻體采用C20片石混凝土澆筑；設置三排φ100 mmPVC管泄水孔，孔距2 m，坡度為外斜5%；并布置151根φ22錨桿(錨桿長9 m，間距2 m，梅花形排布)；已坍滑區下部布置格構錨索框架，每根錨索長度為20 m，錨固段長度為8 m，共42束。框架采用C30混凝土澆注，以2根肋柱為一片。

在寺廟已損毀院壩澆筑10 cm、C30混凝土對其進行平整恢復，方便行人通行。

5 結 語

受磽磧水庫長期蓄放水影響，位于庫區的永壽寺巖質邊坡淺表層局部出現了明顯的坍岸變形。通過現場勘察，對此類以全、強風化千枚巖為特點的巖質邊坡分析其坍岸影響因素及坍岸機理，發現永壽寺巖質邊坡坍岸主要是由地形地貌、地層巖性、風化程度、庫水位變化、降雨等因素造成的，并得出以下結論：

(1)永壽寺兩側岸坡陡峻，巖體卸荷作用強烈，下伏志留系粉砂質千枚巖，巖性軟弱，風化作用強烈，受構造作用及風化卸荷的強烈影響，淺部巖層松弛破碎，這是永壽寺坍岸失穩的主要內在因素。而庫水位升降對巖體力學性能的降低及其所產生的力學效應是坍岸變形體失穩的主要外在因素。

(2)永壽寺所在條形山脊兩側邊坡坍岸表現為典型的牽引式，即岸坡前緣處先發生破壞，然后逐級牽引，向上擴展，潛在滑動面基本受強、弱風化帶界限的控制。

(3)結合永壽寺岸坡結構及坍岸機理，提出了三種具有針對性的坍岸防治措施方案，通過方案比選，推薦“潛在坍滑部位格構錨索、已坍滑部位階梯式錨桿擋土墻+格構錨索”的綜合治理方案。