2.5　杂谷脑河狮子坪水库塌岸

2.5.1　工程概况及库岸塌岸情况

狮子坪水电站是杂谷脑河流域开发的龙头水库电站,坝址位于理县古尔沟镇小丘地,与理县相距41km,距成都244km,厂址位于下游理县朴头乡新店子村,其间有317国道通过工程区,交通较方便。

电站采用高土石坝长隧洞引水发电,正常蓄水位2540.00m,最大坝高136.00m,总库容1.327亿m3,引水隧洞长约18712m,设计水头390m,引用流量61.4m3/s,装机容量195MW,尾水与下游梯级红叶二级水电站首部枢纽相衔接。

狮子坪水电站于2003年11月正式开工建设;2004年4月完成大坝招标设计;2004年12月完成大河截流;至2008年10月,大坝坝基、坝肩边坡、导流洞(放空洞)、泄洪洞以及厂址区各建筑物的施工开挖工作全部完成;2009年3月引水隧洞开挖完成;2009年9月底第一台机组并网发电。

已有地质成果表明,库区内松散地层成因类型多样,可见有崩坡堆积碎石土()、滑坡堆积块碎石土()、冰碛堆积()、坡残积堆积碎石土()以及坡洪积堆积碎石土(),上述堆积体尽管成因不同,但从粒度成分上确有相近之处,且均表现为无胶结的松散结构。

从所发生的塌岸变形特征上看,除具有一定胶结的冰水堆积以“崩塌式”塌岸、塌岸范围较小外,其余均以“塌滑式”的蠕滑变形为特点,其塌岸范围较大。

狮子坪水电站库区出现各种规模的塌岸达到10余处,直接导致改线后的317国道局部中断,其中又以小丘地松散堆积体部位最为突出,主变形路段位于317国道桩号K851+440～K851+720,沉陷范围沿公路长190m,最大沉陷量达3m,路面裂缝张开可达50cm左右,可见深度1m;路肩挡墙变形严重,长约190m的挡墙呈整体下沉外错,最大下沉量可达3m,外错距离可达1m,局部高陡路肩挡墙整体滑塌破坏,直接导致道路临空失稳。同时公路上方坡体也出现多条顺公路走向裂缝,最长一条长度约150m,缝宽约20cm,可见深度50cm,并与公路两侧裂缝贯通。在高程2560.00m左右,出现多段下错陡坎,坎高1～2m,走向基本与公路走向平齐,总长度约35m。上述现象表明,公路上方部分坡体不稳定,出现了明显的滑动变形。除了小丘地松散堆积体塌岸严重外,其余地段也发生了不同程度的塌岸,直接影响317国道的正常运行。

2.5.2　典型塌岸事件分析

以近坝库区右岸小丘地堆积体为代表进行分析研究。

2.5.2.1　基本地质条件

小丘地堆积体位于坝前右岸小丘地沟—大巴沟之间,距坝址约500m,从地貌上看,该堆积体呈一“圈椅”状,且内部有多级大小不等的“台阶”,其顺河长度1050m,前缘高程2420.00m,后缘高程2720.00m,高差300.00m(图2.46)。

地表地质调查显示,小丘地堆积体所在构造部位处于加拉沟倒转向斜之SW冀,其左岸出露地层有侏倭组(T3zh)及新都桥组(T3x)变质细砂岩及千枚状板岩,岩层产状为N5°～20°W/NE75°～84°,表浅部局部板岩倾倒变形,倾角变缓,但深度有限;而堆积体所在的右岸出露地层为侏倭组(T3zh)中厚—厚层状变质细砂岩与千枚状板岩互层,岩层产状N15°E～N15°W/NW(SW)50°～75°,表浅部仍明显可见板岩倾倒现象,倾角变缓直至近水平。小丘地堆积体所在左、右岸倾向相背,形成在加拉沟倒转向斜南西冀的次一级背斜,小丘地地段位于该次级背斜的SW冀。根据其岩性不同,该库岸段自下游向上游可分为3段:下段,千枚状板岩夹少量薄层状变质细砂岩;中段,中厚—厚层状变质细砂岩夹少量千枚状板岩;上段,千枚状板岩夹薄层状变质细砂岩。

2.5.2.2　小丘地堆积体变形破坏分析及边界条件确定

1.变形特征及边界确定

如上所述,小丘地堆积体所在边坡总体上表现出卸荷深度较大,在地表表现为浅表部岩体松弛破碎,同时浅表部岩体整体表现出倾倒变形特点,而前缘局部则因坡脚开挖发生小型表层滑坡。

根据地表测绘及平洞揭露的一系列地质现象表明,小丘地堆积体具有浅表部整体倾倒变形特点,变形体主要以浅部岩体的倾倒变形和弯曲、折断为特征,结合平洞揭露及地表地形特点,变形岩体与完整岩体之间已经形成较明显的界限,尤其是如上所述的平洞60.7m附近发育的“正断层f2”以及114m处发育断层f3,这两条所谓的“断层”从产状上不仅与坡面倾向一致,而且从揭示特征上看,均具备滑坡潜在滑动面的典型特征,尤其是60.7m附近发育的“正断层f2”,从2486.00m高程部位上看,据分析可能已经形成了倾向坡外且较连续的潜在滑移面。

“5·12”汶川地震后,因无监测资料,因此无法估计该堆积体是否存在整体变形。但从改线317国道内侧路堑边坡已有的一些变形迹象,可以初步判断,堆积体有可能沿60.7m附近发育的“正断层f2”发生小的错动位移。

根据上述分析,推测小丘地堆积体属于一个因地形陡峭、岩体卸荷等多因素形成的倾倒坐落变形体,潜在滑面可能基本形成,从现有勘探资料分析,大至可能存在3个潜在滑面:①原表层崩坡积块碎石土层与下伏“基岩”接触界面;②在BPD1所在部位距坡面60.7m部位的所谓“正断层f2”;③在BPD1所在部位距坡面114m部位的断层f3。因此以上述3个潜在滑面为底滑边界,可推测相对应的小丘地变形体规模分别为:表层崩坡积约28万m3,浅层变形体(潜在滑面深60.7m)约450万m3,深层变形体(潜在滑面深110m)约980万m3。

2.变形机制分析

小丘地变形体由三叠系上统侏倭组(T3zh)的薄—极薄层板岩夹薄层状砂岩组成,岩层走向与谷坡近于垂直,产状N15°E～N15°W/NW(SW)50°～75°,近与横向结构岸坡。由于板岩岩质较软,在重力作用下容易产生弯曲变形,加之杂谷脑河快速下切,形成高陡谷坡。因此,在卸荷作用及重力作用下,岩体向临空面方向逐渐变形、倾倒,随着变形的加剧和扩大,在倾倒强烈的部位产生拉裂缝,发生弯曲、折断并逐渐形成贯通面。

从地质调查和勘探成果可知,变形体地表因植被覆盖未发现明显的拉裂或破坏现象,但在变形体上游侧、改线317国道内侧路堑边坡附近可见剪切裂缝,同时结合BPD1平洞揭露,浅部(60.7m)和深部(114m)均有可能成为潜在滑动面。因此小丘地堆积体并不只是表现为表层崩坡积堆积,而是曾经发生过浅层倾倒、拉裂变形的坐落变形体。变形体目前整体是稳定的,但局部已经因公路修建等扰动而变形、个别部位甚至失稳下滑。随着时间的推移,表浅部岩体倾倒坐落乃至滑移变形的可能性仍然存在,而一旦水库蓄水,水位变动势必会对该变形体的稳定性产生影响,并形成库岸再造,对坡体上317国道安全构成严重威胁。

2.5.2.3　边坡稳定计算工况及参数取值

针对狮子坪水电站水库运行方式,即初期蓄水2460.00m并逐渐抬升至2490.00m,而水库正常蓄水位为2540.00m。因此在考虑边坡稳定性计算工况时,将重点围绕2490.00m(初期蓄水)和2540.00m(长期蓄水)两种蓄水条件,适当考虑初次蓄水2460.00m,然后对每种蓄水条件分别再考虑以下工况:①天然状态;②持续降雨状态;③天然+地震状态;④持续降雨+地震状态;⑤2540.00m(2490.00m)骤降5m。考虑整个变形体分布范围,共选用6条纵剖面进行分析计算,计算公式采用传递系数法。

根据小丘地变形体成因及表层崩坡积颗粒成分,参照坝址区附近相似材料试验参数和野外调查、工程类比,同时主要根据变形体(含前缘局部滑坡)现有变形现状所进行的边坡稳定性参数反演后,可确定出针对该变形体3个潜在滑面的相应计算参数,见表2.22。同时针对场区地震烈度为8度,水平地震加速度取0.163g,地震综合影响系数取0.25。

根据《水电工程建设征地处理范围界定规范》(DL/T 5376—2007)以及《水利水电工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)对边坡类型的确定标准,考虑到改线317国道的重要性,狮子坪水库区小丘地变形体所在边坡应属于B类Ⅱ级,一般取安全系数(稳定系数)为1.15,也即小于1.15为不稳定。针对小丘地变形体地质条件复杂型、地质结构不确定性以及公路运营敏感性等特点,取水库区Ⅱ级边坡持久工况(即天然状态)安全系数上限为1.15、短暂工况(即暴雨状态)安全系数上限为1.10、偶然工况(即地震状态)安全系数上限为1.05,在以下的边坡稳定性分析中,所确定的最终塌岸范围将以上述3种工况条件中的任意一项稳定性系数K只要满足:持久工况K<1.15、短暂工况K<1.10、偶然工况K<1.05,其所在的潜在滑面后缘边界即作为塌岸范围边界。

2.5.2.4　计算成果与分析(按圆弧形潜在滑面搜索)

1.蓄水前稳定性分析计算

在以下的稳定性分析计算中,潜在滑面分别按圆弧形搜索,即沿变形体内部或沿变形体内部-不同底滑面等考虑。对该变形体稳定性分析将选一条代表性剖面进行计算,蓄水前的稳定性计算结果见图2.47。

从计算结果看,剖面所在部位蓄水前无论是浅层还是深层潜在滑面,均表现出变形体整体处在稳定状态,只是表层在持续降雨条件下,处于欠稳定—不稳定状态。

2.2460.00m蓄水位稳定性分析计算

如上所述,考虑到小丘地变形体可能存在的3处潜在滑面(即表层的原崩坡积堆积体;浅层的大致60.7m和深层的大致114m),在以下的稳定性分析计算中,潜在滑面同样分别按圆弧形搜索,即沿变形体内部或沿变形体内部-不同底滑面(3处)等考虑。对该变形体稳定性分析将选1条代表性剖面进行计算。计算结果显示,在水库第一次蓄水至2460.00m蓄水位下,不同底滑面所代表的稳定性有所差异(图2.48)。

表层潜在滑面的边坡在天然工况下均处在稳定状态,而在其他工况(地震和持续降雨)下各部位有所差别,除局部地段边坡仍稳定,但大部分将处在欠稳定或不稳定状态。小丘地变形体其稳定性受水库蓄水的影响较为突出,除表层可能的坍滑外,显然浅层60.7m底滑面是未来最可能发生滑动部位,塌岸高程预计达到变形体后缘边界,相应高程约2690.00m。一旦如此,则位于该潜在滑面变形体上的改线317国道受到下滑下沉的可能性较大,应引起充分重视。

3.2540.00m蓄水位下稳定性分析计算

如上所述,考虑到小丘地变形体可能存在的3处潜在滑面(即表层的原崩坡积堆积体;浅层的大致60.7m和深层的大致114m),在以下的稳定性分析计算中,潜在滑面同样分别按圆弧形搜索,即沿变形体内部或沿变形体内部-不同底滑面(3处)等考虑。对该变形体稳定性分析将选1条代表性剖面进行计算,蓄水前的稳定性计算结果见图2.49。计算结果显示,在水库蓄水至2540.00m蓄水位下,与2490.00m蓄水位相比,由于水位抬升及其对坡面的静水压力作用,稳定性系数整体表现有所提高。具体表现如下。

(1)表层潜在滑面的边坡在天然、暴雨及地震工况下均处在稳定状态,显然这与水位抬升静水压力作用有关。

(2)浅层潜在滑面的边坡在天然工况下处在稳定状态。

(3)深层潜在滑面的边坡在各种工况下仍均处在稳定状态。

上述现象说明,小丘地变形体在考虑可能出现的3条潜在底滑面下,同样表现为浅层60.7m底滑面是未来最可能发生滑动部位,塌岸高程预计达到变形体后缘边界,相应高程约2690.00m。显然位于该潜在滑面变形体上的改线317国道极有可能受到下滑下沉的影响,应引起充分重视。

4.2540.00m蓄水位骤降5m稳定性分析计算

如上所述,考虑到小丘地变形体可能存在的3处潜在滑面(即表层的原崩坡积堆积体;浅层的大致60.7m和深层的大致114m),在以下的稳定性分析计算中,潜在滑面同样分别按圆弧形搜索,即沿变形体内部或沿变形体内部-不同底滑面(3处)等考虑。对该变形体稳定性分析将选6条代表性剖面进行计算,蓄水前的1—1'剖面稳定性计算结果见图2.50。计算结果显示,在水库蓄水至2540.00m蓄水位骤降5m下,与2540.00m蓄水位相比,稳定性系数整体表现有较显著的降低。而与2490.00m蓄水位骤降5m下的计算结果相比,稳定性则有所提高。具体表现为:

(1)表层潜在滑面的边坡在天然工况下仍均处在稳定状态,而在其他工况(地震和暴雨)下各部位有所差别,部分地段(1—1'剖面、2—2'剖面和4—4'剖面)边坡仍将稳定,而另外在3—3'、5—5'和6—6'剖面大部分也稳定,只有局部潜在滑面将处在欠稳定或不稳定状态。

(2)浅层潜在滑面的边坡在天然工况下处在稳定或基本稳定状态,在其他工况下(地震和暴雨)除上游侧的1—1'和中部偏下游侧4—4'剖面仍将表现为稳定外,其余地段的2—2'剖面～6—6'剖面大部分潜在滑面则均表现出欠稳定或不稳定状态。

(3)深层潜在滑面的边坡在各种工况下仍均处在稳定状态。

上述现象说明,小丘地变形体在考虑可能出现的3条潜在底滑面下,其稳定性受水库蓄水骤降的影响更为突出,并同样表现为浅层60.7m底滑面是未来最可能发生滑动部位,塌岸高程预计达到变形体后缘边界,相应高程约2690.00m。显然位于该潜在滑面变形体上的改线317国道极有可能受到下滑下沉的影响,应引起充分重视。

5.变形体阻滑段岩体仍较完整条件下的稳定性分析

上述是在假定的3个潜在滑面(表层、浅层和深层)、每一潜在滑面强度参数取值均一样的条件下获得的计算结果,由于本次研究未作勘探工作,上述计算结果均是假定条件下获得的。基于上述情况,考虑在上述潜在底滑面存在的前提下,而前缘阻滑(抗滑)段岩体完整性推测相对较好,即在未完全形成剪出口条件下的基本完整岩体,此时阻滑段的计算参数取值见表2.23,潜在滑面其他部位强度参数取值仍与上述相同。

同样考虑到小丘地变形体可能存在的3处潜在滑面(即表层的原崩坡积堆积体;浅层的大致60.7m和深层的大致114m),在以下的稳定性分析计算中,潜在滑面同样分别按圆弧形搜索,即沿变形体内部或沿变形体内部-不同底滑面(3处)等考虑,同时考虑到变形体稳定性影响最为显著的2490.00m蓄水位骤降5m工况,因此将选3—3'剖面和4—4'剖面两条代表性剖面、只进行2490.00m蓄水位骤降5m工况下的稳定性计算,3—3'剖面结果见图2.51。计算结果显示,在水库蓄水2490.00m蓄水位骤降5m下,若按照前缘剪出口未完全贯通的相对完整岩体条件下,变形体在浅层及深层潜在滑面所在边坡的稳定性,不论在各种工况下均能满足要求。