古水水電站工程區域堆積體邊坡工程地質(zhì)分析

  1 引 言

 

  堆積體是第四系堆積作用形成的地質(zhì)體, 一般是由作為骨料的碎石或者塊石和作為充填成分的黏土或砂土組成, 屬于斜坡變形破壞后繼續運動(dòng)階段的產(chǎn)物。堆積體在我國乃至世界均有廣泛分布,并且在大型水利水電工程中, 經(jīng)常會(huì )遇到一些大型的堆積體邊坡。隨著(zhù)我國水電工程的不斷往西南發(fā)展, 尤其在近藏一帶高山峽谷地區, 堆積體邊坡的穩定性問(wèn)題對工程建設的影響顯得格外重要。堆積體的成因一般較為復雜, 主要有坡積成因的、崩積成因的、沖洪積成因的、冰積成因的及人工堆積的等等,并且具有物質(zhì)成分復雜、結構分布極其不規則、地域性等特性, 力學(xué)性質(zhì)介于土與巖體之間[ 2] ;另外, 堆積體形成的一個(gè)主要原因就是河谷發(fā)育史中曾出現過(guò)的強烈下切期,即斜坡變形破壞的活躍期, 這一時(shí)期對堆積體邊坡的形成起到至關(guān)重要的作用;再者, 在全球地質(zhì)歷史演化過(guò)程中, 受到巖體卸荷、雨水冰水對巖體的侵蝕和攜帶作用、風(fēng)化作用、地震和構造運動(dòng)等因素的影響, 這些都是形成堆積體的重要因素。

 

  對于小型堆積體邊坡來(lái)說(shuō), 其工程效應比較容易把握, 一般認為其成因和巖土體性狀明確, 工程處置也相對簡(jiǎn)單[ 3] ;但對大型堆積體邊坡, 其成因和力學(xué)特性的把握要困難很多。堆積體的存在會(huì )給工程帶來(lái)極大的影響, 如對于壩體的穩定、蓄水后邊坡的穩定性以及洞室開(kāi)挖時(shí)洞口穩定不利, 經(jīng)常會(huì )引起滑坡, 甚至泥石流等災害現象。國內外許多學(xué)者關(guān)于堆積體邊坡相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了比較深入的研究,主要集中于斜坡堆積體形成過(guò)程及現狀評價(jià)[ 4, 5] 、堆積體力學(xué)參數研究和堆積體穩定性分析等方面,文獻[ 6]以堆積體邊坡的空間工程效應為切入點(diǎn),運用地質(zhì)工程分析、數值模擬和物理試驗等多種手段, 通過(guò)對兩個(gè)大型堆積體邊坡的實(shí)例對比研究, 提出了堆積體變形失穩的空間特征, 堆積體變形失穩控制途徑。但由于堆積體的力學(xué)特性比較復雜, 因此現在還沒(méi)有比較成熟的方法能夠很好的解決堆積體相關(guān)方面的問(wèn)題。

 

  本文在現場(chǎng)工程地質(zhì)條件調查基礎上, 對古水水電站工程區域內冰水堆積體邊坡歷史演化和形成過(guò)程進(jìn)行了有關(guān)分析。在對冰水堆積體物理力學(xué)特性分析的基礎上, 結合工程地質(zhì)調查結果, 對堆積體邊坡的變形破壞模式進(jìn)行了分析。

 

  2 區域工程地質(zhì)條件

 

  2.1 工程概況

 

  瀾滄江上游河段河谷總體呈NNW向展布, 江水由北向南流, 河谷深切, 兩岸岸坡自然坡度一般為20°～ 45°, 局部為懸崖峭壁, 部分河段河谷較寬闊,階地發(fā)育。古水水電站為《瀾滄江古水—苗尾河段水電規劃報告》中一庫七級開(kāi)發(fā)方案中的第一梯級。古水水電站壩址位于青藏和川西高原區, 山頂面高程4000 ～ 6000m, 河流深切呈“ V”字型, 屬典型的高山峽谷區。區內沿瀾滄江一些地段發(fā)育5 ～ 6級階地。

 

  古水水電站壩址位于云南省德欽縣北西方向佛山鄉溜筒江行政村瀾滄江上游河段上, 是云南省境內瀾滄江上游水電規劃梯級開(kāi)發(fā)的第一級, 屬龍頭水庫, 上游與位于西藏昌都地區芒康縣鹽井鄉境內的古學(xué)梯級水電站銜接, 下游為“三江并流”自然遺產(chǎn)地梅里雪山景區的42km天然河道。地理位置處于以“世界屋脊”著(zhù)稱(chēng)的青藏高原南東緣, 屬滇西縱谷山原區地貌單元。地勢北高南低, 山脈總體呈NNW或近SN向展布。區內最高處為梅里雪山的卡瓦格博峰, 高程為6740m。

 

  根據地形地質(zhì)條件初擬了3個(gè)壩址:古水壩址(簡(jiǎn)稱(chēng)上壩址)、木水壩址(簡(jiǎn)稱(chēng)中壩址)、溜筒江壩址(簡(jiǎn)稱(chēng)下壩址)。其中中壩址由于地形條件差, 地質(zhì)條件復雜, 特別是右岸下游緊鄰壩址分布一大型堆積體(根達坎堆積體), 經(jīng)過(guò)地表地質(zhì)調查發(fā)現,目前堆積體正處于緩慢蠕滑變形狀態(tài), 對工程布置存在重大影響。并且通過(guò)對上、下壩址的地形地質(zhì)條件進(jìn)行比選, 由于上壩址河谷峽窄, 壩基巖體以硬質(zhì)巖為主, 地下洞室圍巖穩定條件較下壩址好, 上壩址工程地質(zhì)條件優(yōu)于下壩址, 基本確定為上壩址方案。

 

  2.2 水文地質(zhì)條件

 

  區域內地下水的補給來(lái)源主要是冰雪融化水及大氣降水, 以雪水補給為主, 其次為大氣降水。

 

  (1)冰雪融化水:庫區內高程在3000 ～ 3500m年積雪為5 ～ 6mon, 高程在4000 ～ 5000m年積雪6～ 7mon, 5000m以上為終年積雪, 冬季雪線(xiàn)下降至2500m左右, 冰雪融化, 是該區最主要的水源, 且儲水量相當豐富;(2)大氣降水:瀾滄江屬高山峽谷地帶, 地處亞熱帶邊緣氣候區, 受高程、地形的影響, 大氣降水變化較大, 隨高程變化明顯, 河谷地帶, 年降雨較少, 地表植被較少或無(wú)植被, 降水量小, 而隨地勢升高, 氣溫逐漸下降, 降雨集中在高山地帶。

 

  從該區域內的水文地質(zhì)條件可以看出, 該區域內的年平均降雨量不是很高, 主要以冰川融化水為主。

 

  2.3 區域地震條件

 

  樞紐區位于青藏地震區, 地震活動(dòng)強烈, 歷史記載曾多次發(fā)生破壞性地震, 最大地震為1870年四川巴塘7級地震。歷史地震記載M ≥4.7級地震68次, 其中6 ～ 6.9級地震11次、7 ～ 7.9級地震1次。

 

  記錄到最早的地震是公元1128年前發(fā)生在西藏芒康>5級地震, 最大地震為1870年四川巴塘7級地震, 位于區域的北部;1970 年以來(lái)共記載ML2.0 ～4.9級地震2134次, 其中2≤ ML <3 級地震1740次;3≤ ML <4級地震359次;4≤ ML <5級地震35次。區內地震基本烈度為Ⅶ 度, 但處于地震活動(dòng)相對較弱的地帶。

 

  古水水電站壩址區50a超越概率63%、10%、5%、2%及100a超越概率2%的基巖地震動(dòng)峰值加速度值見(jiàn)表1所示。

 

  對于邊坡地震力峰值加速度的取值來(lái)說(shuō), 以對水工建筑物的危害程度來(lái)劃分, 危害越大, 等級越高, 采用峰值加速度也越大。對水工建筑物的危害程度屬于嚴重級別的為一級邊坡, 地震設防烈度為Ⅶ 度, 動(dòng)力水平向峰值加速度采用50a超越概率2%的峰值加速度0.230。

 

  3 工程地質(zhì)演化歷史分析

 

  壩址區域兩岸出露地層巖性主要為侏羅系、三疊系的碎屑巖及二疊系的輕度變質(zhì)巖。河谷發(fā)育受構造控制明顯, 水庫岸坡多為順向谷及斜向谷。區內沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類(lèi)皆有出露。上壩址區域分布范圍比較廣的巖體為板狀巖體, 近垂直分布, 屬于沉積建造巖。對于壩址區域內的板狀巖體形成過(guò)程不作詳細分析, 本文主要分析冰水堆積體和板狀巖體傾倒變形的歷史演化過(guò)程。

 

  區內新構造運動(dòng)晚期以強烈抬升為主, 第四紀地層分布少, 它們主要堆積在河流、沖溝兩側, 堆積類(lèi)型以河流相為主, 湖相堆積很少。在廣泛的山區地帶有山麓相洪積堆積、冰川(冰水)堆積和殘坡積等堆積物。由于高程達6740m的梅里雪山位于近場(chǎng)區西南部, 白馬雪山位于近場(chǎng)區的東南邊緣, 區內高程4000m以上的地區約占1 /2 ～ 1 /3, 所以, 近代及現代冰川堆積在區內較為發(fā)育。近代冰川堆積物主要分布在高程4000m以上地區, 5000m以上則發(fā)育現代冰川。高程3000 ～ 4000m的區域, 可見(jiàn)多次冰川活動(dòng)時(shí)冰川后退留下的多道冰磧堆積。高程3000m以下區域, 由于冰川后退融化的雪水將覆蓋層(冰積層)大量帶向岸坡部位形成了冰水堆積層,主要為松散的砂礫石堆積。堆積體物質(zhì)組成由表及里具有以下特點(diǎn):其中冰水堆積層厚度較大, 以礫巖為主, 呈棱角狀, 分選性差, 粒徑一般<10cm, 少量10 ～ 40cm的巨礫, 偶見(jiàn)150 ～ 200cm以上的塊石。

 

  冰水堆積層中夾有多層碎石、塊石層, 具明顯的韻律結構(圖4)。圖4為壩址區域內所揭露的某冰水堆積體斷面的基本形態(tài), 可以看出, 冰水堆積體的歷史演變過(guò)程經(jīng)歷了很多階段, 具有比較明顯的層狀效應, 并且含粗顆粒比較多的堆積體和含細顆粒比較多的堆積體互層分布。

 

  圖5為平硐PD33 中所揭露的冰水堆積體情況, 可以看出, 冰水堆積體顆粒粒徑分布并不是均勻的, 在某一歷史沉積階段, 堆積體可能以小顆粒為主, 而在另一歷史沉積階段, 堆積體可能以大顆粒為主, 這主要取決于冰川融化后產(chǎn)生的冰水或者是雨水的攜帶能力。

 

  從圖5可以看出, 圖5b中的粗顆粒平均粒徑大約為圖5a中細顆粒平均粒徑的5 ～ 10倍。在壩址區域內, 邊坡板狀巖體的傾倒變形現象比較普遍, 空間分布特征為:在垂直剖面方向上巖層層理面不再是一個(gè)連續面, 出現明顯的彎折現象;在水平方向上傾倒變形范圍內巖體的折斷是以不同的間距平行成帶分布, 并且多伴有剪切錯動(dòng)現象(圖6), 圖6為平硐PD15中所揭露的傾倒變形現象, 從圖6可以看出, 板巖經(jīng)歷了多次折斷演化歷史過(guò)程。根據傾倒巖體的傾角與正常巖層產(chǎn)狀的對比及巖塊互相間咬合狀態(tài)、折斷面狀態(tài)等因素可以將傾倒變形巖體劃分為強傾倒巖體和弱傾倒巖體。

 

  從工程地質(zhì)勘測結果來(lái)看, 傾倒變形破壞主要為板狀巖層經(jīng)過(guò)長(cháng)期蠕變變形, 巖層逐漸變形彎曲,最后在彎曲部位巖層脫空、彎折、拉裂, 而發(fā)生岸坡的潰屈破壞。這類(lèi)傾倒變形除自身層狀結構控制外, 頂上厚層覆蓋體的重力推動(dòng), 坡腳良好的臨空條件也是一個(gè)很重要的因素。左岸壩前層狀板巖的傾倒變形是自身長(cháng)期蠕變變形和上覆堆積體的重力拖曳共同作用的結果。巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、泥巖、灰巖等, 正常巖層產(chǎn)狀為N25°～ 35°W, SW(NE)∠75°～ 90°, 傾倒變形體地表巖層產(chǎn)狀為N20°～30°W, NE∠25°～ 40°。傾倒巖帶中可見(jiàn)多處折斷面或折斷帶, 部分伴有明顯的錯落變形現象。從目前的發(fā)育狀況看, 這類(lèi)傾倒變形整體上屬于一種穩定的變形破裂結構。

 

  板狀巖體傾倒變形破壞的演化歷史過(guò)程受到很多因素的影響, 主要包括:(1)河谷下切;(2)巖體卸荷;(3)上覆冰水堆積體重量的不斷增加;(4)構造運動(dòng);(5)地震作用;(6)冰水對板巖的侵蝕;(7)風(fēng)化作用等(圖7)。

 

  圖7中所示的地質(zhì)歷史演化過(guò)程基于現場(chǎng)的工程地質(zhì)條件勘測結果和相關(guān)的地質(zhì)力學(xué)分析。該工程區域在冰河時(shí)代, 板狀巖體上面覆蓋非常厚的冰川, 其中板狀巖體近垂直分布(圖7a);隨著(zhù)全球氣候的變化, 加之降雨、構造運動(dòng)等影響, 河谷逐漸下切, 在漫長(cháng)的地質(zhì)演化歷史過(guò)程中, 巖體的卸荷作用對板狀巖體的影響也非常大, 可能造成板狀巖體的傾倒變形, 但板狀巖體的折斷破壞另外一個(gè)主要原因還是由于上覆冰水堆積體重量的不斷增加而造成的。在此過(guò)程中, 該區域淺表層的沉積物由于冰川融化之后產(chǎn)生的冰水沖刷侵蝕作用, 冰水的運動(dòng)過(guò)程攜帶大量的沉積物向河谷遷移, 導致邊坡中下部堆積物不斷增加(圖7b)。在此歷史演化過(guò)程中, 邊坡上部的冰水堆積物分不同階段逐漸增加, 從而造成了堆積體的層狀效應, 并且逐漸往下遷移, 遷移的最重要因素是由于冰水的作用, 雖然降雨也起到了一定的推動(dòng)作用, 但作用比較小, 另外地震對堆積體的遷移也有一定的貢獻;冰水堆積體下覆板狀巖體由于河谷下切, 上部的板狀巖體處于強卸荷或弱卸荷狀態(tài), 加之冰水的侵蝕, 其巖體力學(xué)參數一定程度上有所降低, 加之上部堆積體重量的不斷增加, 從而發(fā)生折斷變形, 折斷變形也分不同時(shí)期。

 

  4 堆積體邊坡變形破壞機制分析

 

  堆積體現在出現緩慢蠕滑變形, 主要原因是堆積體規模較大, 在重力作用下, 對堆積體與基巖界面剪切破壞造成。由于不存在高速滑坡的滑動(dòng)界面,因此不會(huì )產(chǎn)生快速破壞。

 

  堆積體邊坡的主要工程地質(zhì)問(wèn)題為冰水堆積體的穩定性問(wèn)題, 冰水堆積物的主要物理力學(xué)特性如下:

 

  (1)冰水堆積體固相可簡(jiǎn)單地看做由“二元介質(zhì)”組成, 即軟弱的粘質(zhì)土和堅硬的礫石, 粘質(zhì)土為基質(zhì), 礫石為填充物, 而礫石級配較為寬闊;(2)不同粒徑的礫石, 無(wú)分選隨機地分布在粘土基質(zhì)中, 即礫石分布具有強烈的不均勻性和隨機性。在沉積過(guò)程中, 受坡形、運移能力等沉積環(huán)境的影響, 礫石含量在局部地段可能相對集中, 呈“聚團”狀產(chǎn)出, 固結成層, 而多見(jiàn)的是礫石呈“骨料”狀散布在粘土中;(3)礫石與粘土間的膠結程度取決于含水量和產(chǎn)出部位, 一般較弱, 特別是裸露在坡面的冰水堆積體, 由于暴雨沖刷、風(fēng)化卸荷和人工擾動(dòng)影響, 多失粘結, 很多地段坍塌在平臺上。

 

  這種“二元介質(zhì)”冰水堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)是隨著(zhù)粘土和礫石的含量而變化的, 可視為一種復合地質(zhì)材料。作為一種邊坡工程材料, 其在各種內外靜動(dòng)力下的力學(xué)性能均有獨特的特點(diǎn)?，F階段的直接試驗方法, 包括室內試驗(直剪試驗和三軸試驗等)和現場(chǎng)原位試驗, 但由于堆積體比較松散, 因此并不能采取真實(shí)反映冰水堆積體的原始組成和結構的試樣, 只能限制于試驗條件而“棄粗求細”, “揚弱避強”, 試驗結果也可能是失真的、或不完全表現礫石貢獻和結構特征的強度值。因此采用數值方法模擬冰水堆積體的物理結構特征, 利用大尺度的數值試驗獲得冰水堆積體的變形參數和強度參數, 能夠較好的反映冰水堆積體的力學(xué)性質(zhì)。

 

  通過(guò)工程地質(zhì)調查結果以及堆積體的物理力學(xué)特性, 可以揭示古水水電站工程區域內堆積體邊坡的變形破壞模式, 表現為堆積體順軟弱面整體滑動(dòng)破壞和堆積體局部的圓弧型滑動(dòng), 其破壞模式包括局部圓弧型滑動(dòng)和順層整體滑動(dòng):

 

  (1)局部圓弧型滑動(dòng):主要分布于堆積體的下部, 由于下部存在比較大的臨空面, 加之上部堆積體重力的影響, 堆積體下部容易發(fā)生局部圓弧形滑動(dòng)破壞, 其破壞模式類(lèi)似于左岸214國道壩前堆積體的圓弧型滑動(dòng)破壞。

 

  (2)順層整體滑動(dòng):主要表現為堆積體整體由于受到自身重力的作用下, 并且由于堆積體的規模比較大, 而在堆積體的底部巖體材料力學(xué)參數比較弱, 容易產(chǎn)生剪切滑動(dòng), 但由于滑動(dòng)通道并未完全形成和貫通, 產(chǎn)生整體快速滑動(dòng)的概率相對局部滑動(dòng)要小。

 

  5 結 語(yǔ)

 

  (1)古水水電站壩址區域內地下水的補給來(lái)源主要是冰雪融化水及大氣降水, 以雪水補給為主, 其次為大氣降水, 因此在工程地質(zhì)分析過(guò)程中主要考慮到冰川融化作用對該區域工程地質(zhì)條件的影響;(2)壩址邊坡上覆為冰水堆積體等, 堆積體下部為板狀巖體。板狀巖體近垂直分布, 在整個(gè)地質(zhì)歷史演化過(guò)程中, 板狀巖體受河谷下切、巖體卸荷和構造運動(dòng)等因素的影響, 可能造成板狀巖體發(fā)生折斷現象, 從而發(fā)生傾倒變形;板狀巖體的折斷破壞另外一個(gè)主要原因還是由于上覆冰水堆積體重量的不斷增加而造成的?？偟膩?lái)說(shuō), 壩址區域內的典型工程地質(zhì)條件受到以下因素的影響:①河谷下切;②巖體卸荷;③上覆冰水堆積體重量的不斷增加;④構造運動(dòng);⑤地震作用;⑥冰水對板巖的侵蝕;⑦風(fēng)化作用等;(3)對于古水水電站工程區域內的堆積體邊坡來(lái)說(shuō), 通過(guò)工程地質(zhì)調查結果以及堆積體的物理力學(xué)特性, 可以揭示其變形破壞模式, 表現為堆積體順軟弱面整體滑動(dòng)破壞和堆積體局部的圓弧型滑動(dòng)。