某水利樞紐近壩庫岸滑坡體穩定分析及評價

徐廣勇

(費縣許家崖水庫管理中心,山東 臨沂 273400)

某水利樞紐工程的主要建筑等級為二級,大壩以上控制水面357.0km2,防洪標準為100 年一遇,校核標準為2 000 年一遇,水庫容量1.257×108m3,電站容量23MW。 樞紐工程主要建筑包括堤壩、溢流壩、引水渠、隧洞及電站等,是一座以灌溉發電為主、兼顧防洪等綜合開發的大型水庫。

通過地質勘察、室內試驗、現場檢測、校核等方法,對鄰近堤壩周邊滑坡體進行較為全面、系統的穩定性評估,分析該滑坡體的安全狀態。

1 樞紐工程地質概況

研究區地形整體表現為“北西高、南北低”的特征,其分布與主構型基本一致。 區域谷底溝壑縱橫,山巒起伏,海撥高度一般為3 500～5 500m,相對高差2 000～2 500 m,屬于山地地形。 壩址區的谷地基本上是平直的,具有典型的V 形剖面形狀。 河漫灘多,通常高出河面1～2 m,河底在兩者之間穿行,近代河道在峽谷右側。 壩軸線處,其寬度10～35m,深度40m 左右,河底不平坦,且左側有一條深溝[1]。 大壩的左岸以巖體為主,其壩軸下游和右側的邊坡以第四系疏松堆積體為主,厚35～85m。

壩區基巖以左右岸為多,全為二疊紀上世大石包組(P2d)呈暗灰色、致密的大玄武巖,整體穩定性好,出露高度3 030～3 050m。 在河谷右側,廣泛分布著崩積、坡積和泥石流的混合堆積,其分布范圍3 020～3 350m,長度680m,寬度160～310m,厚度17～53m,容積535.3×104m3,其面積為裙狀,坡度為10°～30°,以玄武巖、碎石和泥沙為主,碎石局部直徑為20～150cm。 山坡上植物密集,部分地區有塌方[2]。 水庫蓄水后,其前緣斜坡面受淹,根據斜坡的斜度,有發生塌方的危險。 河道沉積物成分比較復雜,厚度35～85 m。

2 近壩右岸滑坡體穩定分析

2.1 滑體特征

滑坡體位于大壩上游和下游的左岸,距離大壩基礎0.3km,兩側邊界高度差異接近100m,滑坡總體長度400m×260m,總體積260×104m3。 組成材料的上部為料石和碎渣石混合±塊,厚度15～22m 左右;下部為滾石,主要為前寒武紀的質變板、千枚巖、多為強烈的風化巖,厚度20～30m左右。 由于泥石流涌入河床,改變了河水的流向,導致對河水的沖刷加劇。

該滑坡有3 個層次的滑動面：①滑坡平面沿東北方向平行延伸,厚度5～10m,為沙±,局部有礫±,±壤具有塑性;②滑動表面為黃、黑、帶沙的砂粒,地表無顯著的反射;③為半圓型,沿F12剖面控制,厚度2～3m,底部黏泥經剪切后呈光滑的鏡面,有明顯的刮擦痕跡。 整體上,滑床由上而下、外側倒斜,呈現一種變型形態;在掘進中發現許多的張開裂縫,與滑動方向大致垂直。

2.2 滑坡成因機制

滑坡的成因與周圍的地質條件密切相關,主要是由前寒武紀的片狀板巖和千枚巖組成,容易淤積,層理發育;巖體中節理斷裂發育程度高,特別是走向N30-50°、趨向北東、傾斜角度60°～70°節理及方向構成,對坡體穩定性不利。 其走向趨向與斜坡的方向接近,并趨向斜坡外側,因此構成剪力失效;在F12 橫向剖面和邊坡的控制下、在F15 的上游和上游的切割面控制下、在降水和重力的綜合作用下,使邊坡發生翻轉[3]。

2.3 滑坡體穩定分析

可研階段對該滑坡進行勘探,其成果見表1、表2。

表2 滑坡體穩定分析物理力學指標采用值表

在此基礎上,分為3 種工作條件。 工作條件1：為自然狀態,地下水位根據鉆孔的狀態而暴露;工作條件2：水庫水位為148.00m,根據鉆孔暴露情況計算出地下水位為宜;工作條件3：水庫水位由148.00m 突然降低至137.00m,假設地下水沒有及時排水,但仍維持在148.00m[4]。 在核實和估算中,假設兩側的滑移摩擦沒有被考慮在內,滑坡自身的擠壓應力剪斷與斷裂表面均按照平行直線進行,整體的曲線滑動。 滑坡體穩定分析計算成果見表3。

表3 滑坡體穩定分析計算成果表

水庫水位驟降時,滑坡排水管的質量較高,因此所造成的滲流壓力極有可能較小,為安全問題,仍以最差情況為考量;在高水位條件下,露出海面面積約為600 000m2,所占斜面面積相對較少。

結果顯示,剖面1-1 在設定工況2、工況3 條件下,穩定安全率低于1.0,只有3 個滑面,一級和二級滑面的安全因子均大于1.0;剖面2-2 的3 個滑面在3 個工況下,安全度均在1.0 以上[5]。

第三滑面高度185.0m,滑帶厚度2～3m,位于水庫的標準蓄水位148.0m 以上。 實際上,第三滑面的具體工況應該僅有工況1 能夠滿足即純天然情況,原先地質勘查鉆井地下水位因為水庫水位的上升,也會帶來抬高;但其高度始終停留在148.0m 左右。 在工況2 和工況3 條件下,第一、第二級滑面的剖面1-1 和剖面2-2 的平滑、安全性指標均高于1.0。

在未采取任何工程措施的情況下,滑坡總體處于穩定的位置。 但蓄水后,隨著庫容的迅速降低,滑坡處于不均衡的位置。

3 近壩右岸滑坡體治理

3.1 近壩右岸滑坡體治理措施

由于滑坡體體積龐大,且與堤壩相鄰,蓄水量過高,一旦出現破壞,將會對壩體的安全造成較大影響,因此,治理工程方案是削坡減荷。 采用分層的方式進行挖掘,每級高度不超過15m,服務平臺寬度5～8m,坡度1：1。

在工程建設中,對滑坡體進行切坡卸荷處理。 在120.0～170.0m 的基坑中,以二次粗糙面段為主,采取分層方法,開挖±石量40 000m3左右。 該滑坡的卸荷能力約840×104t(在巖石和±壤方面,約為2. 1 kg/cm3),采用反鏟和挖機施工。

3.2 削坡減載后滑坡體穩定分析

3.2.1 摩根斯頓-普賴斯方法穩定分析

對于具有破碎構造和散體構造的巖質邊坡,在滑動面為非弧形時,應選用摩根斯頓-普賴斯方法和不均衡推力轉移方法,進行抗滑穩定分析。

利用Geo-Studio 的Slope 控制器,可實現斜坡穩定性驗證和分析。 該方法可以自行確定滑動表面,求出最小安全系數和相應的滑動電弧位置。 該剖面取基坑開挖后的實際剖面,其物性、機械性能和剖面體系劃分都是前期的。

1)計算成果。 根據假定準則,對所需加載及3 種工況進行分析,滑動體分析結果見表4。 每個工況狀態下的滑裂弧值見圖1-圖4。

圖1 剖面1-1 各滑動面天然工況下最小安全系數計算成果圖

圖2 剖面1-1 正常蓄水位148m 工況下最小安全系數

圖3 剖面1-1 水位驟降至137m 工況下最小安全系數

圖4 剖面2-2 三級滑動面各工況下最小安全系數

表4 滑坡體穩定分析計算成果表(削坡減載后)

2)滑坡體穩定分析。 根據《水利水電邊坡設計標準》(SL 386-2007),三峽水利樞紐工程屬于II 類,主要永久性房屋為2 類。 這種邊坡對房屋結構造成的損害較為嚴重,屬于2 類,采用臨界均衡方法計算,最小安全值1. 25～1. 20,異常值1.20～1.15。 計算結果表明,剖面1-1 一級滑面和剖面2-2 三級滑面的安全系數均滿足設計要求,而剖面1-1 三級滑面的安全系數均大于1.0,但低于標準規定值。 表明整個邊坡總體上是比較穩定的,但其安全程度并不高。

在該滑坡的開挖過程中,因其在開挖過程中的卸荷方、卸荷類型較少,而且主要分布在滑坡中部,將對壩頂高程150.00～180.00m 滑坡造成不利的影響,運行中滑體一旦下降,嚴重危害大壩安全。 建議按照規范標準增設監控裝置,密切注意其變化情況,及時處置,確保工程項目的正常運行。

3.2.2 有限元法邊坡穩定性分析

根據所給出的主參數E、μ、c、φ、r,在此基礎上,用自然狀態下的c數值計算;密度按自然重度r計算;在水庫蓄水之前,在自然條件下,內部摩擦力角度φ=30°,可以得出n=1.30。

某水利樞紐近壩庫岸工程附近斜坡斷面,蓄水工程前期的穩定分析結果顯示,由于水位上升,邊坡穩定降低至臨界阻尼的平衡狀態,表明水庫在蓄水之前必須進行結構處理。 在由常規的3 090.0m 的水庫水位下降至靜止的3 037.0m過程中,不同時刻斜面上的水位在變化過程中,在發生53 天的洪水退潮后,由滑坡體的穩定情況可知,隨著時間的推移,水庫水位高度一直在下降,斜坡的穩定性也是如此。 這是由于水庫水位在降落前期,±層有向外的滲透力,而±層含水量則從飽和到非飽和,這些都會導致±層的穩定性下降;在水庫水位降落的中后期,±層的水位會逐漸下降,±層的滲透性會逐漸減弱,而一些疏松的±質則會從飽和變成干實密度,此時邊坡的穩定性和安全度出現逐漸升高的趨勢。 另外,當處于極度不穩定狀態的邊坡,其穩定性最大的安全因子為0.924。 在波浪作用下(波浪高度15m)時,斜面的穩定性和安全系數比一般的水位值有顯著下降。 見圖5。

圖5 蓄水前邊坡穩定性計算結果

剖面1 對應的部位斜坡的可靠度安全系數在自然條件下大于115,但當蓄水后發生洪水或發生地震災害時,庫水從標準水位3 090m 下降至3 037m。 在工程期間,從堤防(壩基)攔洪高度3 033m 降至河流水位3 012m 等情況下的滑坡體可靠性安全系數超過105,表明該滑坡體總體處于平衡狀態;只匹配剖面1 是水庫蓄水后發生地震災害,匹配剖面2 是蓄水后遭遇強降雨或地震災害,庫水位線由3 090m 下降至3 037m,在一定程度上甚至小于1,表明水庫蓄水后存在著一定的穩定性。

4 結 論

水利樞紐滑坡體在施工過程中,由于滑坡和中下游堤岸的穩定性較低,對施工的安全性造成了極大影響。 雖然通過削坡減荷可解決該問題,