2.5　雜谷腦河獅子坪水庫塌岸

2.5.1　工程概況及庫岸塌岸情況

獅子坪水電站是雜谷腦河流域開發的龍頭水庫電站,壩址位于理縣古爾溝鎮小丘地,與理縣相距41km,距成都244km,廠址位于下游理縣樸頭鄉新店子村,其間有317國道通過工程區,交通較方便。

電站采用高土石壩長隧洞引水發電,正常蓄水位2540.00m,最大壩高136.00m,總庫容1.327億m3,引水隧洞長約18712m,設計水頭390m,引用流量61.4m3/s,裝機容量195MW,尾水與下游梯級紅葉二級水電站首部樞紐相銜接。

獅子坪水電站于2003年11月正式開工建設;2004年4月完成大壩招標設計;2004年12月完成大河截流;至2008年10月,大壩壩基、壩肩邊坡、導流洞(放空洞)、泄洪洞以及廠址區各建筑物的施工開挖工作全部完成;2009年3月引水隧洞開挖完成;2009年9月底第一臺機組并網發電。

已有地質成果表明,庫區內松散地層成因類型多樣,可見有崩坡堆積碎石土()、滑坡堆積塊碎石土()、冰磧堆積()、坡殘積堆積碎石土()以及坡洪積堆積碎石土(),上述堆積體盡管成因不同,但從粒度成分上確有相近之處,且均表現為無膠結的松散結構。

從所發生的塌岸變形特征上看,除具有一定膠結的冰水堆積以“崩塌式”塌岸、塌岸范圍較小外,其余均以“塌滑式”的蠕滑變形為特點,其塌岸范圍較大。

獅子坪水電站庫區出現各種規模的塌岸達到10余處,直接導致改線后的317國道局部中斷,其中又以小丘地松散堆積體部位最為突出,主變形路段位于317國道樁號K851+440～K851+720,沉陷范圍沿公路長190m,最大沉陷量達3m,路面裂縫張開可達50cm左右,可見深度1m;路肩擋墻變形嚴重,長約190m的擋墻呈整體下沉外錯,最大下沉量可達3m,外錯距離可達1m,局部高陡路肩擋墻整體滑塌破壞,直接導致道路臨空失穩。同時公路上方坡體也出現多條順公路走向裂縫,最長一條長度約150m,縫寬約20cm,可見深度50cm,并與公路兩側裂縫貫通。在高程2560.00m左右,出現多段下錯陡坎,坎高1～2m,走向基本與公路走向平齊,總長度約35m。上述現象表明,公路上方部分坡體不穩定,出現了明顯的滑動變形。除了小丘地松散堆積體塌岸嚴重外,其余地段也發生了不同程度的塌岸,直接影響317國道的正常運行。

2.5.2　典型塌岸事件分析

以近壩庫區右岸小丘地堆積體為代表進行分析研究。

2.5.2.1　基本地質條件

小丘地堆積體位于壩前右岸小丘地溝—大巴溝之間,距壩址約500m,從地貌上看,該堆積體呈一“圈椅”狀,且內部有多級大小不等的“臺階”,其順河長度1050m,前緣高程2420.00m,后緣高程2720.00m,高差300.00m(圖2.46)。

地表地質調查顯示,小丘地堆積體所在構造部位處于加拉溝倒轉向斜之SW冀,其左岸出露地層有侏倭組(T3zh)及新都橋組(T3x)變質細砂巖及千枚狀板巖,巖層產狀為N5°～20°W/NE75°～84°,表淺部局部板巖傾倒變形,傾角變緩,但深度有限;而堆積體所在的右岸出露地層為侏倭組(T3zh)中厚—厚層狀變質細砂巖與千枚狀板巖互層,巖層產狀N15°E～N15°W/NW(SW)50°～75°,表淺部仍明顯可見板巖傾倒現象,傾角變緩直至近水平。小丘地堆積體所在左、右岸傾向相背,形成在加拉溝倒轉向斜南西冀的次一級背斜,小丘地地段位于該次級背斜的SW冀。根據其巖性不同,該庫岸段自下游向上游可分為3段:下段,千枚狀板巖夾少量薄層狀變質細砂巖;中段,中厚—厚層狀變質細砂巖夾少量千枚狀板巖;上段,千枚狀板巖夾薄層狀變質細砂巖。

2.5.2.2　小丘地堆積體變形破壞分析及邊界條件確定

1.變形特征及邊界確定

如上所述,小丘地堆積體所在邊坡總體上表現出卸荷深度較大,在地表表現為淺表部巖體松弛破碎,同時淺表部巖體整體表現出傾倒變形特點,而前緣局部則因坡腳開挖發生小型表層滑坡。

根據地表測繪及平洞揭露的一系列地質現象表明,小丘地堆積體具有淺表部整體傾倒變形特點,變形體主要以淺部巖體的傾倒變形和彎曲、折斷為特征,結合平洞揭露及地表地形特點,變形巖體與完整巖體之間已經形成較明顯的界限,尤其是如上所述的平洞60.7m附近發育的“正斷層f2”以及114m處發育斷層f3,這兩條所謂的“斷層”從產狀上不僅與坡面傾向一致,而且從揭示特征上看,均具備滑坡潛在滑動面的典型特征,尤其是60.7m附近發育的“正斷層f2”,從2486.00m高程部位上看,據分析可能已經形成了傾向坡外且較連續的潛在滑移面。

“5·12”汶川地震后,因無監測資料,因此無法估計該堆積體是否存在整體變形。但從改線317國道內側路塹邊坡已有的一些變形跡象,可以初步判斷,堆積體有可能沿60.7m附近發育的“正斷層f2”發生小的錯動位移。

根據上述分析,推測小丘地堆積體屬于一個因地形陡峭、巖體卸荷等多因素形成的傾倒坐落變形體,潛在滑面可能基本形成,從現有勘探資料分析,大至可能存在3個潛在滑面:①原表層崩坡積塊碎石土層與下伏“基巖”接觸界面;②在BPD1所在部位距坡面60.7m部位的所謂“正斷層f2”;③在BPD1所在部位距坡面114m部位的斷層f3。因此以上述3個潛在滑面為底滑邊界,可推測相對應的小丘地變形體規模分別為:表層崩坡積約28萬m3,淺層變形體(潛在滑面深60.7m)約450萬m3,深層變形體(潛在滑面深110m)約980萬m3。

2.變形機制分析

小丘地變形體由三疊系上統侏倭組(T3zh)的薄—極薄層板巖夾薄層狀砂巖組成,巖層走向與谷坡近于垂直,產狀N15°E～N15°W/NW(SW)50°～75°,近與橫向結構岸坡。由于板巖巖質較軟,在重力作用下容易產生彎曲變形,加之雜谷腦河快速下切,形成高陡谷坡。因此,在卸荷作用及重力作用下,巖體向臨空面方向逐漸變形、傾倒,隨著變形的加劇和擴大,在傾倒強烈的部位產生拉裂縫,發生彎曲、折斷并逐漸形成貫通面。

從地質調查和勘探成果可知,變形體地表因植被覆蓋未發現明顯的拉裂或破壞現象,但在變形體上游側、改線317國道內側路塹邊坡附近可見剪切裂縫,同時結合BPD1平洞揭露,淺部(60.7m)和深部(114m)均有可能成為潛在滑動面。因此小丘地堆積體并不只是表現為表層崩坡積堆積,而是曾經發生過淺層傾倒、拉裂變形的坐落變形體。變形體目前整體是穩定的,但局部已經因公路修建等擾動而變形、個別部位甚至失穩下滑。隨著時間的推移,表淺部巖體傾倒坐落乃至滑移變形的可能性仍然存在,而一旦水庫蓄水,水位變動勢必會對該變形體的穩定性產生影響,并形成庫岸再造,對坡體上317國道安全構成嚴重威脅。

2.5.2.3　邊坡穩定計算工況及參數取值

針對獅子坪水電站水庫運行方式,即初期蓄水2460.00m并逐漸抬升至2490.00m,而水庫正常蓄水位為2540.00m。因此在考慮邊坡穩定性計算工況時,將重點圍繞2490.00m(初期蓄水)和2540.00m(長期蓄水)兩種蓄水條件,適當考慮初次蓄水2460.00m,然后對每種蓄水條件分別再考慮以下工況:①天然狀態;②持續降雨狀態;③天然+地震狀態;④持續降雨+地震狀態;⑤2540.00m(2490.00m)驟降5m。考慮整個變形體分布范圍,共選用6條縱剖面進行分析計算,計算公式采用傳遞系數法。

根據小丘地變形體成因及表層崩坡積顆粒成分,參照壩址區附近相似材料試驗參數和野外調查、工程類比,同時主要根據變形體(含前緣局部滑坡)現有變形現狀所進行的邊坡穩定性參數反演后,可確定出針對該變形體3個潛在滑面的相應計算參數,見表2.22。同時針對場區地震烈度為8度,水平地震加速度取0.163g,地震綜合影響系數取0.25。

根據《水電工程建設征地處理范圍界定規范》(DL/T 5376—2007)以及《水利水電工程邊坡設計規范》(DL/T 5353—2006)對邊坡類型的確定標準,考慮到改線317國道的重要性,獅子坪水庫區小丘地變形體所在邊坡應屬于B類Ⅱ級,一般取安全系數(穩定系數)為1.15,也即小于1.15為不穩定。針對小丘地變形體地質條件復雜型、地質結構不確定性以及公路運營敏感性等特點,取水庫區Ⅱ級邊坡持久工況(即天然狀態)安全系數上限為1.15、短暫工況(即暴雨狀態)安全系數上限為1.10、偶然工況(即地震狀態)安全系數上限為1.05,在以下的邊坡穩定性分析中,所確定的最終塌岸范圍將以上述3種工況條件中的任意一項穩定性系數K只要滿足:持久工況K<1.15、短暫工況K<1.10、偶然工況K<1.05,其所在的潛在滑面后緣邊界即作為塌岸范圍邊界。

2.5.2.4　計算成果與分析(按圓弧形潛在滑面搜索)

1.蓄水前穩定性分析計算

在以下的穩定性分析計算中,潛在滑面分別按圓弧形搜索,即沿變形體內部或沿變形體內部-不同底滑面等考慮。對該變形體穩定性分析將選一條代表性剖面進行計算,蓄水前的穩定性計算結果見圖2.47。

從計算結果看,剖面所在部位蓄水前無論是淺層還是深層潛在滑面,均表現出變形體整體處在穩定狀態,只是表層在持續降雨條件下,處于欠穩定—不穩定狀態。

2.2460.00m蓄水位穩定性分析計算

如上所述,考慮到小丘地變形體可能存在的3處潛在滑面(即表層的原崩坡積堆積體;淺層的大致60.7m和深層的大致114m),在以下的穩定性分析計算中,潛在滑面同樣分別按圓弧形搜索,即沿變形體內部或沿變形體內部-不同底滑面(3處)等考慮。對該變形體穩定性分析將選1條代表性剖面進行計算。計算結果顯示,在水庫第一次蓄水至2460.00m蓄水位下,不同底滑面所代表的穩定性有所差異(圖2.48)。

表層潛在滑面的邊坡在天然工況下均處在穩定狀態,而在其他工況(地震和持續降雨)下各部位有所差別,除局部地段邊坡仍穩定,但大部分將處在欠穩定或不穩定狀態。小丘地變形體其穩定性受水庫蓄水的影響較為突出,除表層可能的坍滑外,顯然淺層60.7m底滑面是未來最可能發生滑動部位,塌岸高程預計達到變形體后緣邊界,相應高程約2690.00m。一旦如此,則位于該潛在滑面變形體上的改線317國道受到下滑下沉的可能性較大,應引起充分重視。

3.2540.00m蓄水位下穩定性分析計算

如上所述,考慮到小丘地變形體可能存在的3處潛在滑面(即表層的原崩坡積堆積體;淺層的大致60.7m和深層的大致114m),在以下的穩定性分析計算中,潛在滑面同樣分別按圓弧形搜索,即沿變形體內部或沿變形體內部-不同底滑面(3處)等考慮。對該變形體穩定性分析將選1條代表性剖面進行計算,蓄水前的穩定性計算結果見圖2.49。計算結果顯示,在水庫蓄水至2540.00m蓄水位下,與2490.00m蓄水位相比,由于水位抬升及其對坡面的靜水壓力作用,穩定性系數整體表現有所提高。具體表現如下。

(1)表層潛在滑面的邊坡在天然、暴雨及地震工況下均處在穩定狀態,顯然這與水位抬升靜水壓力作用有關。

(2)淺層潛在滑面的邊坡在天然工況下處在穩定狀態。

(3)深層潛在滑面的邊坡在各種工況下仍均處在穩定狀態。

上述現象說明,小丘地變形體在考慮可能出現的3條潛在底滑面下,同樣表現為淺層60.7m底滑面是未來最可能發生滑動部位,塌岸高程預計達到變形體后緣邊界,相應高程約2690.00m。顯然位于該潛在滑面變形體上的改線317國道極有可能受到下滑下沉的影響,應引起充分重視。

4.2540.00m蓄水位驟降5m穩定性分析計算

如上所述,考慮到小丘地變形體可能存在的3處潛在滑面(即表層的原崩坡積堆積體;淺層的大致60.7m和深層的大致114m),在以下的穩定性分析計算中,潛在滑面同樣分別按圓弧形搜索,即沿變形體內部或沿變形體內部-不同底滑面(3處)等考慮。對該變形體穩定性分析將選6條代表性剖面進行計算,蓄水前的1—1'剖面穩定性計算結果見圖2.50。計算結果顯示,在水庫蓄水至2540.00m蓄水位驟降5m下,與2540.00m蓄水位相比,穩定性系數整體表現有較顯著的降低。而與2490.00m蓄水位驟降5m下的計算結果相比,穩定性則有所提高。具體表現為:

(1)表層潛在滑面的邊坡在天然工況下仍均處在穩定狀態,而在其他工況(地震和暴雨)下各部位有所差別,部分地段(1—1'剖面、2—2'剖面和4—4'剖面)邊坡仍將穩定,而另外在3—3'、5—5'和6—6'剖面大部分也穩定,只有局部潛在滑面將處在欠穩定或不穩定狀態。

(2)淺層潛在滑面的邊坡在天然工況下處在穩定或基本穩定狀態,在其他工況下(地震和暴雨)除上游側的1—1'和中部偏下游側4—4'剖面仍將表現為穩定外,其余地段的2—2'剖面～6—6'剖面大部分潛在滑面則均表現出欠穩定或不穩定狀態。

(3)深層潛在滑面的邊坡在各種工況下仍均處在穩定狀態。

上述現象說明,小丘地變形體在考慮可能出現的3條潛在底滑面下,其穩定性受水庫蓄水驟降的影響更為突出,并同樣表現為淺層60.7m底滑面是未來最可能發生滑動部位,塌岸高程預計達到變形體后緣邊界,相應高程約2690.00m。顯然位于該潛在滑面變形體上的改線317國道極有可能受到下滑下沉的影響,應引起充分重視。

5.變形體阻滑段巖體仍較完整條件下的穩定性分析

上述是在假定的3個潛在滑面(表層、淺層和深層)、每一潛在滑面強度參數取值均一樣的條件下獲得的計算結果,由于本次研究未作勘探工作,上述計算結果均是假定條件下獲得的。基于上述情況,考慮在上述潛在底滑面存在的前提下,而前緣阻滑(抗滑)段巖體完整性推測相對較好,即在未完全形成剪出口條件下的基本完整巖體,此時阻滑段的計算參數取值見表2.23,潛在滑面其他部位強度參數取值仍與上述相同。

同樣考慮到小丘地變形體可能存在的3處潛在滑面(即表層的原崩坡積堆積體;淺層的大致60.7m和深層的大致114m),在以下的穩定性分析計算中,潛在滑面同樣分別按圓弧形搜索,即沿變形體內部或沿變形體內部-不同底滑面(3處)等考慮,同時考慮到變形體穩定性影響最為顯著的2490.00m蓄水位驟降5m工況,因此將選3—3'剖面和4—4'剖面兩條代表性剖面、只進行2490.00m蓄水位驟降5m工況下的穩定性計算,3—3'剖面結果見圖2.51。計算結果顯示,在水庫蓄水2490.00m蓄水位驟降5m下,若按照前緣剪出口未完全貫通的相對完整巖體條件下,變形體在淺層及深層潛在滑面所在邊坡的穩定性,不論在各種工況下均能滿足要求。