第2章　水庫塌岸實例調查

2.1　雅礱江二灘電站水庫塌岸

2.1.1　工程概況

二灘水電站位于雅礱江下游,是一座以發電為主的綜合利用水利樞紐工程,主體工程由攔河大壩(混凝土拋物線形雙曲薄拱壩)、左岸地下廠房、右岸泄洪隧洞組成。壩高240.00m,正常蓄水位1200.00m,死水位1155.00m,庫容58億m3,總裝機容量3300MW,年發電量17.035億kW·h,保證出力1000MW。

水庫于1998年5月1日下閘蓄水,同年7月初水位超過死水位1155.00m,隨后在死水位至1180.00m之間漲落,到1999年10月中旬水庫首次蓄水至正常高水位(1200.00m),歷時590多天,水位升幅約為170.00m。

2.1.2　庫岸巖體變形破壞的基本特征

2.1.2.1　岸坡變形破壞的分布特征

1.發育分布的區域特征

水庫壩址至上游水庫前段澉魚河口為基巖峽谷型庫段,地層走向與岸坡走向成大角度斜交,岸坡地質結構屬較典型的斜向結構。岸坡巖體主要由會理群砂板巖、蝕變玄武巖、板狀硅質巖,震旦系白云巖及二疊系玄武巖等巖層構成,第四系相對不發育。除壩前金龍山古滑坡體發生蠕滑變形外,岸坡變形現象不甚發育。

澉魚河口至大坪子水庫中段,是塌岸現象相對較為集中的地段。該庫段地層走向與岸坡走向近于平行,岸坡地質結構屬較典型的順向及逆向結構,岸坡巖體主要由會理群砂板巖、蝕變玄武巖、板狀硅質巖、花崗巖,白果灣群粉砂巖夾黏土巖、炭質頁巖,益門組砂巖、鈣質粉砂巖、泥巖、砂質頁巖夾泥灰巖等巖層構成,第四系堆積體極為發育。

2.第四系岸坡變形破壞的分布特征

二灘水庫的塌岸事件除灣子河滑坡發生在順層基巖岸坡外,其余均發育于第四系堆積體分布區,而且不同類型的第四系岸坡,變形概率差別較大。

表2.1表明,在調查范圍內的各類第四系岸坡中,古滑坡及殘坡積岸坡變形概率最高,分別達37.5%及18.0%;崩坡積岸坡的變形概率較低,僅為4.6%;沖積層岸坡無塌岸現象。

從另一方面分析(表2.2),各種塌岸及變形現象的53.85%發生在殘坡積岸坡,23.08%發生在古滑坡堆積體岸坡,15.38%發生在崩坡積岸坡。

2.1.2.2　岸坡變形破壞的基本形式

1.順層滑移-彎曲滑塌

這類塌岸變形僅發育于走向與坡面近于一致、傾向坡外、傾角大于坡角的柔性片巖岸坡。在這種特定的地質結構條件下片理面傾角明顯大于該面的殘余摩擦角。在重力作用下沿片理面滑移的薄層狀柔性巖體因下部滑移面未臨空而受阻,在順滑移方向的壓應力作用下發生彎曲變形。

變形演變過程包括3個發展階段:①初期輕微彎曲階段,通常發生在順層壓應力與層面法向應力差較大的坡體下部。②強烈彎曲—隆起階段,巖體強烈松動擴容,地面隆起,出現剖面X形剪切錯動,其中一組逐漸發展為潛在滑移切出面。③滑移切出面貫通并發展為滑坡,表現為崩滑或滑塌式破壞。

2.牽引式滑移-拉裂

這類塌岸變形主要發育在坡形相對較陡的古滑坡堆積體、殘坡積松軟岸坡。岸坡多為局部地下水相對富集區,坡體為黏性土與塊石混合堆積,結構松軟。在庫水的浸潤和水位急劇消落作用下,坡體受最大剪應力作用面或某種軟弱結構面(基覆界面)控制,向臨空方向發生剪切蠕變,變形體后緣發育自地表向深部發展的拉裂變形。發展趨勢是沿坡體潛在剪切面從前緣開始逐級向后緣滑移解體。較典型的事例有老鷹巖滑坡。

3.表層侵蝕-剝蝕

這類塌岸變形在各類整體穩定性較好的第四系堆積體岸坡均可發生。水庫波浪對岸坡的沖擊磨蝕作用,不僅直接沖擊破壞岸坡,并且在較大的壓力將水和空氣壓入巖土體的裂隙及空隙中,迫使巖土體破裂松動,以至淘蝕塌落。這種邊岸再造作用,在水庫各地段的水動力條件有所不同。水庫下游段水面寬闊,水體處于似靜水狀態,波浪是邊岸再造的主要營力:水庫上游段水體處于準流動狀態,水流的侵蝕作用和波浪的磨蝕、淘蝕作用共同控制岸坡再造;庫尾段邊岸再造的主要營力以流水的侵蝕作用為主,波浪的磨蝕、淘蝕作用次之。

2.1.3　典型塌岸事件分析

2.1.3.1　基巖順層滑移-彎曲

1.灣子河滑坡(滑移-彎曲型滑塌變形)

(1)岸坡地形地質環境。灣子河屬雅礱江支流澉魚河水系,位于澉魚河口上游20km左岸。在灣子河與澉魚河交匯處,岸坡地形三面臨空。

岸坡巖體由震旦系上統列六古組暗紫色巖屑砂巖、含礫粗砂巖、長石石英砂巖、紫紅及灰綠色條帶細砂巖、頁巖及透鏡狀白云巖構成,薄層狀結構,具柔性特征。層間結構強度較弱,尤其是頁巖夾層更顯突出。層面產狀NE23°/SE53°～57°,走向及傾向與該處坡面近于一致、傾角大于坡角,是較典型的順向層狀結構岸坡。

(2)變形特征及形成機制。圖2.1現場實測資料顯示,水庫1998年5月1日下閘蓄水,2002年初正常高水位1200.0m以下表層坡體順層滑移20.0m,解體為塊石堆積于岸坡的前緣上部;2003年初旱季,庫水位大幅下降至1160.00m時(接近死水位1155.00m),岸坡三面臨空巖體沿頁巖夾層向下整體滑移8.0m,坡頂形成數條強烈拉張變形帶,變形帶最大寬度4.0m,帶內最大沉陷量0.8m?；灰企w總體積約150萬m3。據現場實測,其前緣塊石堆積坡體的水下穩定坡角為37°。

(3)岸坡穩定性現狀的計算分析。

1)計算模型與計算參數。根據實測剖面建立計算模型,采用不平衡推力傳遞系數法與畢肖普法進行穩定性計算。

滑帶土抗剪指標采用反算與經驗類比方法綜合確定。由于反算模型是現場實測確定的坡體地質結構和坡體初動變形時的水動力學條件,依據較為可靠,故反算結果能夠較客觀地反映該類坡體滑帶土參數的總體特征。

計算時考慮庫水位消落對坡體的穩定性的影響作用,水位降幅從汛期正常蓄水位(1200.00m)到水庫死水位1155.00m。

2)計算結果分析。按上述計算方案,滑坡體穩定性系數(K)計算結果見表2.3。計算結果顯示,滑體穩定性狀況與庫水位運行狀態密切相關。在正常蓄水位1200.00m條件下,滑體穩定性系數K=1.06,雖能保持整體穩定性,但其穩定性狀況已接近極限平衡狀態,安全儲備相對較低。進一步的計算顯示,水位驟降對滑體穩定性的影響較為明顯。當水位從1200.00m正常蓄水位降低至死水位1155.00m附近時,前緣上部塊石堆積滑體(滑面一)穩定性系數降低至K=0.971,下部滑移控制面(滑面二)的穩定性系數降低至K=1.017。顯然,當水位急劇消落的情況下,滑體總體上處于極限平衡狀態,或慢速滑移變形。

2.霸王山滑坡(滑移-彎曲型崩滑破壞)

霸王山古滑坡體位于二灘水電站大壩上游約6km處雅礱江左岸,雅礱江河谷在此由近SN向轉為近EW向,形成向SW凸出的三面臨空地形。堆積體后緣高程1350.00m、前緣剪出口高程1030.00m。其平均厚度50～60m,最大厚度約120m,總體積約0.35億m3。

由于該滑坡距大壩較近,其穩定性問題關系到電站安全運營。從勘測設計、施工到水庫運營期間一直處于重點監測。在施工圍堰建成擋水后,堆積體前緣高30～50m半膠結塊石陡壁淹沒于水中,盡管坡體水文地質條件改變較大,但其穩定性仍無異常。雖然滑體主要由硬質巖塊組成,透水性較好,穩定性系數較高。經蓄水后多年現場巡視觀測未發現宏觀變形跡象。

(1)地形地貌與氣象水文環境?；碌孛残螒B清晰,后緣圈椅狀地形明顯,基巖滑壁裸露?；露逊e體地面坡度26°～40°,一般30°左右。除前緣有高30～50m的半膠結(鈣華)塊石陡壁外,無地形陡坎,起伏較小。

水庫1998年5月1日(水位1030.80m)下閘蓄水至今,經歷了歷史上罕見的降雨強度,最大年降雨量1395mm,主要集中在6—8月,最大日降雨量209mm發生在1998年6月30日。

(2)古滑坡的形成機制及控制因素。該滑坡發育于震旦系上統燈影組上部白云巖地層中。該套地層受相對軟弱夾層和輝綠巖脈順層侵入的影響,層間抗剪強度較低,層面產狀N40°W/SW39°?；滦纬蓹C制為典型的順層滑移-彎曲潰屈崩滑型滑坡。

(3)古滑坡體結構特征。鉆探、平洞揭露情況及現場調研實測資料(圖2.2)表明,主滑面產狀N50°～55°W/SW40°,平均埋深60～65m。滑體強烈破碎,主要由白云巖塊石組成,鑲嵌架空現象普遍,部分保持原始地層層序。堆積體地質結構上、下兩段差異較大。

上段滑面產狀N50°～55°W/SW40°,堆積體基本按地層層序堆積,多為巨塊石,架空現象普遍,部分保持原始地層結構及層序,但傾角已變緩。

下段滑面產狀N20°～40°W/SW15°～30°,堆積體巖塊仍大致按原始地層層序呈鑲嵌狀堆積,巖層已破壞解體,直立倒轉及架空現象普遍。前緣剪出口附近,滑面以下基巖強烈變形陡傾直立—倒轉反傾,產狀由原始的N30°～50°W/SW40°～50°變形為N20°～40°W/NE60°～90°。

(4)古滑坡體變形特征。設置于1202.00m高程的位移監測孔的觀測結果表明,該古滑坡體的總體變形特征表現為以下幾點。

1)水庫蓄水以來,累計位移值孔口附近最大,隨孔深的增加而逐漸減小,位移絕對值在-20～25mm范圍內波動;

2)位移隨時間在零點上下波動變化,既沒有隨時間波動增加趨勢,也沒有隨水位動態變化,且各測點的波動過程近似、量值0～10mm?？紤]到傾斜儀的觀測誤差一般在5～6mm/20m左右,可以判斷蓄水以來,在多年的水位消漲作用下,坡體的穩定狀態并未發生明顯的異常變化;

3)潛在滑移控制面上下的相對位移隨時間仍呈波動變化,未出現隨時間而增加的趨勢。顯然,沿潛在滑移面未發生明顯的剪切位移變形。

上述變形監測結果表明,累計位移觀測值隨時間的波動變化,基本上在監測系統的誤差范圍內?？傮w上看,水庫蓄水及水位的急劇消漲作用,沒有對古滑坡體的穩定性產生明顯影響。據現場實測,在正常蓄水位以下至死水位558.00m之間的水位消漲帶內,經多年水浪及水位急劇漲落的頻繁作用,水下穩定坡角為37°,水上穩定坡角大于40°。

(5)古滑體穩定性現狀的計算分析。

1)計算模型與計算參數。根據實測剖面建立計算模型(表2.4),采用不平衡推力傳遞系數法與畢肖普法進行穩定性計算。

滑帶土抗剪指標采用按實測模型反算與按最危險狀態經驗類比兩種方法確定(表2.4)。

計算庫水位消落對坡體的穩定性的影響作用,水位降幅從汛期正常蓄水位1200.00m到水庫死水位1155.00m。

2)計算結果分析。滑坡體穩定性系數(K)計算結果(表2.5)表明:無論是按實測反算參數或最危險狀況經驗參數考慮,在正常蓄水位1200.00m條件下,滑體穩定性系數K=1.31～1.94,滿足整體穩定性的安全標準,并具有較高的安全儲備;進一步的計算顯示,水位驟降對該滑體穩定性的影響不甚明顯,當水位從1200.00m正常蓄水位大幅下降至死水位1155.00m時,穩定性系數雖減小為K=1.19～1.92,但仍能保持整體穩定性,每年旱季庫水位大幅下降時坡體未發現明顯的宏觀變形跡象。

2.1.3.2　老鷹巖滑坡(古滑坡堆積體的牽引式滑移-錯落)

1.岸坡地形地質環境

老鷹巖滑坡位于水庫中段金臺子西側雅礱江左岸,距大壩58km,該部位地處雅礱江河谷轉彎向西凸出的前部,坡體三面臨空,岸坡原始地形坡角44°,1300.00m以上地形平緩。

岸坡為古滑坡體,堆積體物質以結構疏松的砂巖、片巖塊石及角礫為主。上部塊石含量80%,角礫及粉土占20%;下部塊石含量90%,角礫及巖屑占10%。

2.變形特征及形成機制

現場實測研究與調查資料顯示,水庫1998年5月1日下閘蓄水,同年8月坡體頂部相繼開始發生張裂變形;1999年年初庫水位快速回落至1155.00m死水位期間,裂縫加速發展并有明顯的震動感覺,單條裂縫的最大長度約20m、拉張變形0.2m,裂縫外側臨空坡體頂部變形隆起0.6m;1999—2002年長達3年的時間內,在多次較大幅度的水位漲落作用下,除發生局部崩塌外,坡體變形無明顯的宏觀異常變化;2003年1—3月,庫水位大幅下降至1160.00m(接近死水位1155.00m)過程中,岸坡由前部向后部逐塊滑移錯落8m、43m、40m及25m(圖2.3),滑塌位移體總體積約170萬m3。據現場實測,其前緣塊石堆積坡體的水下穩定坡角為34°,水上穩定坡角為56°。

塌岸變形發育坡形相對較陡的古滑坡堆積體內。坡體為黏性土與塊石混合堆積,結構松軟。在庫水的浸潤和水位急劇消落作用下,坡體受最大剪應力作用面控制,向臨空方向發生剪切蠕變-松動擴容,變形體后緣發育自地表向深部發展的拉裂變形,當其達到潛在剪切面,必將造成剪切面上剪應力集中,促使剪切變形進一步加劇發展,坡體沿潛在剪切面從前緣開始逐級向后緣滑移解體。變形發展機制屬典型的牽引式“滑移-拉裂”模式。

3.滑體穩定性現狀的計算分析

(1)計算模型與計算參數。根據實測剖面建立計算模型(表2.6),采用不平衡推力傳遞系數法與畢肖普法進行穩定性計算。滑帶土抗剪指標采用按實測模型反算法確定(表2.6)。

計算庫水位消落對坡體的穩定性的影響作用,水位降從汛期正常最高水位1200.00m到水庫死水位1155.00m。

(2)計算結果分析。滑坡體穩定性系數(K)計算結果(表2.6)表明:無論是前緣上部滑面一或底部滑面二,在正常高水位1200.00m條件下,滑體穩定性系數K=1.27～1.65,滿足整體穩定性的安全標準,并具有較高的安全儲備;進一步的計算顯示,水位驟降對該滑體穩定性的影響不甚明顯,當水位從1200.00m正常蓄水位大幅下降至死水位1155.00m時,穩定性系數雖減小為1.13,但仍能保持整體穩定性。其原因在于,坡體重心在下滑位移后已大幅度降低,滑移控制面上的抗滑力與下滑力的比例必然發生較大的改變,抗滑體明顯增加、下滑體明顯減小,則穩定性與原始坡體相比有較大的改善。

2.1.3.3　岸坡侵蝕-剝蝕再造

“侵蝕-剝蝕”是各類整體穩定性較好的第四系堆積體岸坡廣泛發生的邊岸再造作用。作用的結果雖不會導致坡體失穩破壞,但水庫波浪的沖擊磨蝕作用,直接改變了水位波動范圍附近岸坡的坡形及坡角,而且這種改造作用在殘坡積塊石角礫、沖積卵礫石和表層黏性土夾角礫等3種不同結構類型岸坡中,有著明顯的差異。

1.殘坡積塊石、角礫堆積岸坡

殘坡積塊碎石堆積體工程地質特性的基本特征在于摩擦角較高。庫水的浸潤軟化及空隙水壓力效應對這類岸坡的穩定性影響不大。由于岸坡物質組構、固結-膠結強度及天然坡角的較大差異,在水浪的沖擊磨蝕作用下,不同組構類型及膠結強度的邊岸,侵蝕-剝蝕再造效應略有不同。

(1)馬頭田右岸殘坡積塊石堆積岸坡剝蝕坍塌。圖2.4是馬頭田西岸閃長巖塊石堆積岸坡現場調查的實測剖面,堆積體由閃長巖塊石構成,其礫組成分結構為:直徑?=0.3～0.4m的塊石含量占60%、?=0.4～0.8m的占15%、?≤0.3m的占25%,處于鈣質微膠結松散狀態。正常蓄水位1200.00m以上的穩定坡角達到34°(水上穩定坡角);在正常蓄水位以下至死水位1155.00m之間的水位消漲帶內,經多年的水浪沖擊磨蝕及水位急劇漲落的頻繁作用,目前水下穩定坡角保持在30°～32°左右。

(2)大牛灣殘坡積碎塊石、角礫堆積岸坡滑塌。圖2.5為大牛灣碎塊石、角礫堆積岸坡的實測地質剖面。研究結果表明,大牛灣岸坡由片巖及砂板巖塊石、角礫構成,其礫組結構為:?=5～7cm的塊石含量占55%,?=3～5cm的塊石占20%,巖屑及角礫占25%,偶夾?=3～5m的巨塊石。岸坡天然坡角35°,堆積體呈稍密、鈣泥質微膠結狀態。

2001年汛期,庫水位上升至1200.50m。此期間該處岸坡約5.88萬m3的坡體,整體滑移坍塌。目前,經多年的水浪沖擊磨蝕及水位急劇漲落的頻繁作用,正常蓄水位與死水位之間的水位急劇消漲帶穩定坡角保持在31°左右,水上穩定坡角35°。

2.坡面表層剝蝕

廣泛分布的各類坡面表層堆積,大多數由黏性土夾少量角礫構成,天然狀況下的穩定性取決于基覆界面的結構強度。在1200.00m(正常蓄水位)至1155.00m(死水位)水位急劇消漲波動的長期侵蝕—剝蝕作用下,正常蓄水位線以下的表層堆積雖均被剝蝕,但水位線以上的表層堆積仍然保持其原有的穩定狀態,即水上穩定坡角保持原有狀態不變。在這種情況下,庫水的浸潤軟化和水浪的沖擊磨蝕作用是邊岸侵蝕—剝蝕再造的主導因素。

圖2.6和圖2.7是霸王山東側庫岸侵蝕-剝蝕作用的實測剖面。坡體由棕紅色殘坡積粉質黏土夾塊石及角礫構成,下伏厚層白云巖呈順向結構,傾角39°。黏土含量占90%,硬可塑;塊石占10%,礫徑?=2～3cm?，F場調查結果表明這類塊石含量較少、相對松軟的殘坡積岸坡水下穩定坡角僅有16°～22°。

3.沖積卵礫石層岸坡

河床相沖積卵礫石層具有內摩擦角較高(天然狀況下的殘余摩擦角φr≥35°)、滲透性較好(滲透系數k≥10-3cm/s),有一定的固結度及較弱的鈣質膠結,多數呈中密—密實狀態。庫水的浸潤軟化及空隙水壓力效應對其穩定性的影響不大,水浪的沖擊磨蝕作用是邊岸侵蝕—剝蝕再造的主導因素。

圖2.8為庫區中段中更新世(Q2)階地卵礫石層侵蝕剖面實測成果。研究結果表明,在1200.00m(正常蓄水位)至1155.00m(死水位)水位急劇消漲波動帶范圍內,岸坡土石結構自上而下為:

(1)超固結粉質黏土與角礫帶互層,厚度大于13.0m(未見頂)。

(2)超固結粉質黏土夾角礫及粗砂,厚12.0m,其中角礫及粗砂含量約25%。

(3)密實巨礫卵石層,厚7.4m,卵石成分以花崗巖為主,?≥0.8m的巨礫含量占40%。

(4)密實卵石、角礫及粗砂混合沉積層厚2.2m。

(5)超固結含礫黃色黏土,厚度大于7.0m,卵石含量約占15%,礫徑?=3～5cm(未見底)。

在水浪長期的沖蝕—磨蝕作用下,岸坡各土石層的水下穩定坡角有所不同,總體上表現出坡角隨著礫徑的增大而增加的趨勢。各土石層的水下穩定坡角實測值為:

超固結含礫黃色黏土層:32°;密實卵石、角礫及粗砂混合沉積:38°;密實巨礫卵石層:46°。