藏東南某水電站樞紐區危巖體運動特征分析★

劉 波，楊成龍，鄧 輝，吳述彧，李鵬飛

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081; 2.成都理工大學,四川 成都 616059)

1 概述

當前為實現“碳達峰、碳中和”目標,我國水電開發又進入一個新階段,水電開發逐漸向各流域上游邁進,但面臨區域地質地貌變得更為復雜的問題,尤其是“三高”的西藏地區。該地區由于水電資源豐富,當前正在加快對其開發。而由于特殊地質環境條件兩岸所孕育的高陡邊坡上危巖體對沿線水電開發存在一定制約。因此弄清危巖體分布、確定其運動特征對于了解西藏特殊地質環境條件下危巖體發育特征以及水電工程的安全建設和運營具有重要意義。當前常用分析高陡危巖體的手段主要是野外通過測繪、物探和攝影測量等方法確定危巖體發育現狀;通過工程地質類比法等定性方法或者二維模擬軟件分析危巖體運動特征,但是,野外地質調繪對于平原地區是適用的,對于高原地區存在不少制約因素,同時,落石二維運動分析過程中未考慮實際三維地形對落石運動特征的影響,這和現實存在差異。由于地形對落石運動軌跡影響較大,因此考慮實際的三維地形分析落石運動軌跡對于樞紐區危巖體防治設計具有重要作用[1-3]。本文采用大型無人機通過正射和傾斜攝影獲取樞紐區高精度點云數據,結合野外地質調繪確定樞紐區兩岸危巖體發育現狀,考慮兩岸實際地形通過數值軟件計算潛在危巖體運動軌跡。研究結果可直接為樞紐區兩岸危巖體治理設計提供依據,同時研究思路可供具有類似地質背景的工程參考。

2 研究區地質環境背景

2.1 氣象水文

研究區地處藏東南,屬高原溫帶半干旱季風型氣候區,主要有以下特點:氣溫低、熱量條件差、降水集中、雨熱同季、陽光充足、太陽輻射強、蒸發量大、氣候干燥。區內多年平均氣溫7.5 ℃,最熱月(7月)平均氣溫16.1 ℃;區內平均降雨量476.6 mm,降雨主要集中在6月—9月;研究區年日照時數可達2 283 h,光伏資源豐富。地下水以大氣降水和高山冰雪融水補給為主,徑流以降雨補給為主,汛期枯期分明,河水位在段內枯期為2 895 m,河面寬40 m～60 m,水深一般為5 m～12 m,水庫正常蓄水位為3 054 m時,溝谷寬為310 m～400 m。

2.2 工程地質條件

1)地形地貌。該研究區兩岸地勢陡峭,臨河坡相對高差可達2 000 m以上,左岸自然坡度一般在50°～65°之間,右岸一般在42°～48°之間,兩岸近河床部位多形成陡壁,谷底大體呈“V”字形(見圖1)。兩岸沖溝較發育,山脊處巖體裸露較破碎見圖2。其中,左岸發育9條沖溝,最大溝長約3.71 km,最高點海拔達4 777 m,切割深度約10 m～80 m;其余沖溝溝長均較短,長度為0.2 km～0.9 km,切割深度約10 m～38 m,溝內堆積碎石土厚度為3 m～10 m。右岸發育4條沖溝,溝長0.4 km～1 km,切割深度一般10 m～25 m。沖溝僅在雨季有局部的地表徑流。

2)地層巖性。研究區基巖為三疊系中統竹卡組(T2z)灰色、深灰色英安巖和印支期(δ)侵入閃長巖,侵入巖僅局部分布于壩軸線下游。河床覆蓋層深6 m～10 m。壩軸線上游低高程緩坡一帶分布有坡積、崩塌堆積塊碎石夾砂土,一般厚2 m～10 m。兩岸沖溝溝底分布有塊碎石夾砂,部分沖溝溝底堆積物厚度較大,約8 m～15 m。

3)地質構造。區域性斷裂竹卡斷裂呈NW向分布于左岸,距左壩肩直線距離約3.8 km。壩址區無區域斷裂通過,未見明顯褶皺發育。區域內小斷層和節理裂隙發育。

4)水文地質條件。研究區地下水類型主要為賦存于英安巖內的基巖裂隙水和第四系內的孔隙水。地下水補給來源有大氣降水和冰雪融水,向就近溝谷或河床排泄,最終進入江中。

5)物理地質現象。研究區主要有風化、卸荷、碎屑流、泥石流、巖體蝕變等不良物理地質現象。弱風化上帶水平平均深度為80 m,弱風化下帶水平平均深度一般110 m。樞紐區左右岸共分布13條沖溝,部分沖溝溝內及兩側松散堆積物較多,主要為碎塊石夾土,在誘發條件下沖溝易發生碎屑流。樞紐區地處高山峽谷地區,兩岸地形陡峻,巖體風化卸荷強烈,山梁部位多發育危石、危石群及危巖體。樞紐區兩岸巖體局部見蝕變現象,蝕變主要表現為巖石礦物的絹云母化、高嶺土化。

3 樞紐區危巖體發育現狀分析

3.1 危巖體發育分布現狀

通過三維數碼照相技術、無人機航拍等現代勘察手段對樞紐區兩岸自然邊坡進行攝影測量,由帶坐標的圖片生成的三維數字化傾斜攝像模型,利用模型對自然邊坡上分布的危巖體進行精細識別,本次研究所采用的無人機型號為縱橫大鵬CW-15,拍攝參數見表1。本次研究根據危巖體發育特征差異性將危巖體細分為:危石、危石群、危巖體、孤石、孤石群。根據調查分析,樞紐區危巖體總體分布如圖3所示,典型危巖體見圖4,各類危巖體數量統計見表2。

表1 縱橫大鵬CW-15無人機參數

表2 兩岸危巖體統計表 個

對于危石,兩岸共發育211處,其中,左岸120處,右岸91處,方量0.2 m3～44.0 m3,分布高程2 938 m～3 565 m。兩岸共發育危石群255處,其中,左岸153處,右岸102處,方量1.6 m3～4 213.2 m3,分布高程2 962 m～3 564 m。兩岸共發育危巖體37處,其中,左岸27處,右岸10處,方量50.9 m3～47 741.4 m3,分布高程2 930 m～3 585 m。兩岸共發育孤石27處,其中,左岸24處,右岸3處,方量0.1 m3～396.4 m3,分布高程2 995 m～3 477 m。共發育孤石群3處,均位于左岸,方量5.0 m3～15.0 m3,分布高程3 030 m～3 195 m。

由圖3可知,危巖體除孤石和孤石群大多均發育于山脊部位,孤石和孤石群均發育于兩岸沖溝內,同時,危巖體在中高程最為發育,高高程次之,低高程發育最少,由此可知危巖體發育受控于微地貌和高程。

3.2 危巖體成因

樞紐區自然邊坡危巖體形成是在其特殊的地質環境條件下形成,主要是在地形地貌、地層巖性、地質構造等基礎條件下,疊加風化、卸荷等外因作用形成。

1)地形地貌。研究區屬高原山區侵蝕剝蝕峽谷地貌類型,原始河谷呈“V”型,兩岸河谷深切,邊坡高陡,左岸自然坡度為50°～65°,右岸自然坡度稍緩,為42°～48°,兩岸近河床部位多形成陡壁,臨空條件較好。

2)地層巖性。研究區英安巖為硬質巖,巖石強度較高,在河谷地區易形成高陡邊坡,在外因風化和裂隙作用下對高位巖體切割易形成危巖體。

3)地質構造條件。據調查,研究區地表出露小斷層共24條,傾角多大于70°,延伸長度50 m～360 m,小斷裂破碎帶寬一般為2 cm～60 cm。地表發現8條裂隙,傾角以60°以上為主,延伸長多在60 m～200 m左右,張開寬度一般為0.5 cm～10 cm,結構面多平直稍粗糙。節理裂隙發育,左岸主要發育四組優勢節理裂隙,多為陡傾角,平直稍粗糙,多充填石英,其中第Ⅰ組(N40°～70°W/SW(NE)∠60°～∠85°)最為發育;右岸發育五組優勢節理裂隙,多為中等傾角及陡傾角,主要充填石英,其中第Ⅰ組(N35°～70°W/SW(NE)∠65°～∠85°)、第Ⅱ組(N0°～27°W/SW∠65°～∠80°)和第Ⅲ組(N65°～90°E/SE∠65°～∠85°)最為發育。

4)巖體風化卸荷條件。由于基巖強度高,據調查研究區可達高程范圍內幾乎未見強風化,平洞揭露其弱風化上帶和下帶其平均厚度為80 m和110 m。強卸荷帶水平深度普遍小于65 m,其中右岸中低高程深度大于90 m,裂隙張開,寬度一般3 cm～20 cm,可見明顯充填,以巖塊、巖屑及次生泥為主,各個裂隙水平距離約1 m;弱卸荷帶其水平深度平均為70 m,且深度與高程呈正相關,最厚處可達180 m,裂隙張開3 cm～5 cm,且分布混亂。

5)水文地質條件。研究區地處青藏高原東南部,晝夜溫差大,凍融作用發育,凍融循環會促進碎裂巖體的裂隙擴展。

4 危巖體運動特征分析

目前危巖的運動特征分析主要采用數值計算方法,國內外當前均主要采用二維分析,根據現場地形人工選取斷面進行計算分析,該方法可以簡單直接的分析危巖在任意位置的運動速度、沖擊動能和沖擊力等,為危巖體危險性評價及防治提供一定的設計依據,但由于人為規定了斷面,具有一定的局限性。而三維仿真分析在考慮實際地形的基礎上能更真實的分析危巖失穩后的運動特征[5-7]。因此,針對研究區工程邊坡,采用三維落石模擬軟件RocPro3D分析確定的危巖體的運動特征,計算成果既能為選取合理的典型斷面提供計算支撐使其與傳統方法結合,又能根據三維運動特征分析結果為后續防治設計提供優化依據。

以RocPro3D建模過程為例,首先根據現場無人機航測所獲取照片,然后采用Pix-4D軟件和Polyworks等軟件處理得到邊坡三維數據(點云數據和三角化模型數據),提取模型等高線輸入RocPRO3D,生成三維模型,導入之后需建立網格化模型、遙感影像模型、等高線模型、高程模型分布和傾角模型等,最后對潛在崩塌體賦值進行計算,具體建模流程如圖5所示。

4.1 基本參數選擇

落石能量損耗采用速度衰減法,其主控參數Rn(法向彈性系數)和Rt(切面摩擦系數)參數參照TB 10035—2002 J158—2002W鐵路特殊路基設計規范選取(見表3)。

表3 不同巖性的巖體碰撞系數取值

模擬計算方式選取RocPro3D經典計算模型,設定其耗能模型為Rn(Vn)=Rn/[1+(|Vn|/K)×2]。由于危巖體失穩前其初始速度一般很小,故考慮危巖體初始速度為零,同時不考慮隨機因素的影響,取參數的均值進行計算。

4.2 計算結果分析

根據研究區危巖體威脅對象不同,將研究區分為8個次級區域建模分析(見圖6)。

根據計算結果(如圖7所示)可知,危巖體運動路徑均受控于微地貌,開始從山脊運動至相鄰的沖溝內,然后沿著沖溝向下滾動或滑動,最終皆落入沖溝內或者入江。計算表明各區域平均彈跳高度為20 m～40 m,最大彈跳高度為25 m～85 m,各區域沖積能量為1 242 kJ～119 000 kJ,運動速度為41 m～77 m,其中,區域一平均彈跳高度、最大沖積能量和運動最大速度均比其他區域大,這是由于該區域危巖體高程相較于其他分析區域更高,因此危巖體本身的重力勢能更大;同時區域發育的危石群、危巖體也較多;區域一同時坡度也相對更大,因此計算結果的沖積能量最大。對于區域四,與之剛好相反,其地形坡度相較于其他區域稍緩,同時發育高程更低,因此最大彈跳高度、沖積能量、運動最大速度均最小。由此分析結果可知,具有更大的重力、分布高程和坡度的危巖體破壞能量更大。由于各區域發育的危巖體所以影響水工建筑物重要性存在差異,對于后續防治設計,在考慮各區域危巖體運動特征的基礎上可綜合考慮威脅對象重要性提出各自的防治措施。

5 結論與建議

5.1 結論

本文針對藏東南地區某水電站建設面臨高陡邊坡危巖體制約問題,通過野外地質調繪、現場調查和無人機測量共識別危巖體533個,其方量為0.1 m3～47 741.4 m3;根據危巖體成因差異將危巖體分為:危石、危石群、危巖體、孤石、孤石群,其中危石共211個,危石群255個,危巖體37個,孤石27個,孤石群3個。根據危巖體發育分布現狀得到危巖體發育分布與微地貌、海拔高程相關。分析危巖體主要是在研究區特殊的地形地貌、地層巖性、地質構造等地質基礎條件下,疊加風化、卸荷等外因作用形成。同時為分析危巖體失穩后運動特征,且為危巖體后期防治設計提供依據,本文通過三維模擬對確定的潛在崩塌體進行計算,計算表明,危巖體運動路徑主要受控于微地貌,危巖體破壞后會沿著坡體向沖溝內運動,最終停留于沖溝或沿著沖溝向下運動墜入江里;且危巖體運動能量、彈跳高度與危巖體發育高程和地形坡度存在正相關。

5.2 建議

1)對于工程建設處于高山峽谷地區且存在高陡邊坡危巖體問題,由于地貌地質環境因素限制,人為調查存在一定困難,可以采用無人機高清測繪精細調查,通過室內影像識別,室外復核的原則進行潛在危巖體識別;尤其是針對青藏高原地區,建議著重對兩岸中高程山脊部位進行危巖體調查。

2)對于識別確定的潛在危巖體,可以依據危巖體成因和規模等進行分類;分析各類危巖體發育分布與高程、水文和微地貌的關系,可加深對藏東南高寒、高原地區高陡危巖體的了解,對于其中各個因子在其危巖體形成中所扮演的主次作用還需進一步研究確定。

3)本文對藏東南某水電站樞紐兩岸危巖體運動特征(彈跳高度、沖擊能量和運動速度)進行分析表明,危巖體路徑主要沿山脊兩側的溝道運動,坡度和高程是影響落石能量因素,建議下一步針對樞紐區危巖體防治設計時考慮運動路徑特點,為設計優化提供依據。