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    西藏拉洛水利枢纽工程近坝堆积体稳定性分析

    时间：2023-01-20 16:25:48来源：百花范文网本文已影响人

    张 涛，黄振伟，赵冰波，潘 坤

    (1.长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010；

    2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

    青藏高原平均海拔4 000 m以上，号称“世界屋脊”，在强烈的构造运动和地表营力的共同作用下，沟壑纵横，高寒、缺氧，自然环境恶劣且独特。一直以来，西藏受制于特殊的地理环境，社会经济发展较内地慢。随着近年来国家经济实力和科技水平的提升，西藏地区社会经济加速发展，开始大力兴建水利水电等大型基础设施工程。然而，河谷边坡在经历河流下切作用和构造变形的破坏作用下，产生强烈的表生改造，形成了大量成因复杂的大型堆积体边坡。小型堆积体边坡规模小，成因及工程地质特性易查清，可通过清方和整体加固处理，难度小、成本低；
    大型堆积体边坡处理难度大，其稳定性问题是相关工程建设的重要挑战[1-2]。

    对于大型堆积体边坡的稳定性问题，国内外专家学者进行了大量研究，主要包括成因机制[3-6]、空间效应[7-10]、物质组成及结构特性[11-12]、力学试验[13-16]、稳定性数值模拟[17-19]等。其中，关于成因机制、空间效应、物质组成及结构特征的研究方法已相对成熟，但是在基于力学试验研究基础上获取堆积体稳定性计算参数方面，受堆积体物质介质的复杂性和试验方法的局限性等影响，参数选取的合理性与实际存在一定偏差，仍需结合具体对象进行工程地质类比，参考相关工程经验选取合理参数。因此，以西藏拉洛水利枢纽工程为例，开展相关大型堆积体边坡稳定研究工作具有重要的工程价值。

    西藏拉洛水利枢纽工程位于雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲上，主要任务为灌溉兼顾供水、发电和防洪，并促进区域生态环境改善[20]。水库正常蓄水位4 298 m，总库容2.965亿m3。建筑物主要由大坝、引水发电系统、泄洪消能建筑物、导流建筑物、过鱼建筑物组成，坝型为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大高度61.5 m，坝顶高程4 305 m，坝长425.6 m。本文研究的2号堆积体位于坝址上游侧，距大坝仅105 m，引水隧洞及导流洞进口均位于堆积体内(图1)。施工中对中、下部进行的大量开挖以及后期水库蓄水等因素，会对该堆积体稳定性产生较大影响。该堆积体一旦失稳，将危及边坡中、下部引水隧洞和导流洞进口安全。此外，水库蓄水后，堆积体位于近坝库段，失稳后可能堵塞河道，使水库失去功效。因此，应对堆积体进行稳定性分析计算，为该工程可行性研究阶段坝址选择提供可靠地质依据。

    图1 堆积体边坡地貌Fig 1 Geomorphic features of the accumulation slope

    2号堆积体两侧及其后缘为基岩陡坎，平面形态上似“圈椅”状。在平面上，堆积体前缘顺河向长850 m，横河向宽105～440 m，前缘较后缘有更为宽敞的空间。后缘高程3 720～4 140 m，河床高程3 635 m，地表坡度36°左右，中部发育一冲沟。根据地表地质测绘及钻探揭露、地面物探解译成果，堆积体平面分布面积19.3万m2，基覆界面起伏，厚度一般为14～45 m，最厚处可达50余m，体积约483万m3，为一大型敞口型堆积体。

    堆积体内地下水为孔隙水，堆积体本身为崩坡积粗粒土，渗透性强。根据前期调研及钻孔揭露，旱季堆积体内基本上无地下水；
    雨季堆积体坡表或冲沟会有暂时性洪流，坡体内地下水变动频繁，总体较低。地下水主要受大气降水补给，含水量一般较小。

    2.1 物质组成

    堆积体是一种由不同大小土颗粒组成的混合物，粒径级配是描述其土体结构的主要方式，也是反映其物理力学性质的重要形式。在现场重塑大尺寸直剪试验结束后，对2组试样(SG-1，SG-2)，各6组样品分别进行了颗粒分析试验，试验结果见图2。结果表明：堆积物小于5 mm的颗粒含量为5%～25%，小于0.075 mm的颗粒含量为0.2%～3%；
    巨粒(>60 mm)含量为20%～46%，属碎石混合土。

    图2 堆积体粒径级配曲线Fig.2 Particle gradation curve of the accumulation slope

    堆积体容重是进行边坡稳定性计算的重要指标，为了尽可能准确获得堆积体在天然状态下的容重值，利用现场施工便道，选择4个代表性点位开展了现场大容重试验。试验方法：① 选点，开挖试坑(尺寸约1.5 m×1.5 m×1.5 m)，边开挖边用编织袋打包，台秤称量质量；
    ② 铺大尺寸塑料膜，利用钻探水泵在河里提水，采用灌水法量测试坑体积；
    ③ 整理试验数据。测试结果表明，堆积体天然容重为19.9～21.8 kN/m3。

    为初步查明堆积体的渗透性，在ZK52和ZK53孔进行了4组注水试验，试段长3～5 m。试验成果表明，堆积体的渗透系数为3.15×10-2～4.67×10-3cm/s。结合对堆积体的地质认识综合分析，结果表明，渗透系数值基本反映了堆积体渗透性，渗透性等级为强-中等透水。

    2.2 结构特征

    根据堆积体的形态及物质组成，在平面上可大致分为Ⅰ区和Ⅱ区(图3)：Ⅰ区前缘抵江，后缘高程在3 660 m附近，呈条带状顺河分布，以碎块石为主，颗粒相对较粗，坡度稍缓；
    Ⅱ区后缘高程3 960 m，颗粒较细，范围最大，以碎砾石为主。

    图3 堆积体工程分区(单位：m)Fig.3 Zoning of accumulation slope

    根据堆积体覆盖层等厚度线图和地质剖面(图4，5)可以看出，覆盖层底部基岩面起伏，堆积体铅直厚度一般14～45 m，厚薄不均，最厚可达50余m，沿纵向和横向变化较大，总体上后缘较前缘薄，勘探揭露覆盖层厚15.7～45.1 m，与下伏基岩接触面间不存在相对软弱层。

    图4 堆积体等厚度线图Fig.4 Equal thickness diagram of accumulation body

    图5 堆积体典型工程地质剖面Fig.5 Typical engineering geological profile of accumulation body

    从勘探路后缘开挖面和地质剖面可以看出：在堆积体下部，表层主要为碎石土、块石土及块碎石，多呈松散状态，开挖面块石在重力作用下多已掉落，夹大孤石(图6(a)，(d))。从堆积体中、上部开挖断面可以看出，表层为碎石土，下部为碎石土层夹风积砂层，二者相互交叠，总体上以碎石层为主，具层理特征，风积砂厚0.3～1.5 m(图6(b)，(c))，干燥、质纯、基本无胶结，结构松散，呈薄层状或透镜体状，分布不均，遇水后强度将会显著降低。

    结合枢纽布置，堆积体共布置钻孔3个，钻孔ZK54位于堆积体中部偏下，ZK52，ZK53位于下部(图3)。各钻孔从上往下的揭露地层依次如下。

    ZK54：① Qdl碎石土，厚4.9 m，夹风积砂；
    ② Qcol+dl碎块石土，厚20.2 m，局部夹0.7 m厚碎石土；
    ③ Qdl碎石土，厚4.1 m，夹少量黏性土及粉土粉砂；
    ④ Qcol碎块石，厚3.7 m；
    ⑤ 基岩。

    ZK52：① Qcol+dl碎块石土，厚8 m；
    ② Qcol+dl块石夹碎块石土，厚9.5 m；
    ③ 基岩。

    ZK53：① Qcol+dl碎块石土，厚40.5 m；
    ② Qal砂砾卵石，厚4.6 m；
    ③ 基岩。

    可以看出，堆积体组成在竖直方向上差异较大，粗细交替，厚薄不均，总体上细下粗；
    横向上，堆积体下部物质组成较中上部粗。

    根据物质组成及地形坡度，堆积体在平面上可分为Ⅰ区和Ⅱ区，与下伏基岩接触面不存在相对软弱层，覆盖层底部基岩面起伏。在竖直方向上具有一定分层，粗细不均，在成因上，堆积体为多期崩积、坡积作用相互交替，或同时叠加作用形成，因此该堆积体总体上为崩坡积混合层。另外，在堆积体边坡中上部夹有风积砂透镜体或薄层，结构松散，为相对软弱层，遇水后强度将会显著降低。

    从现场堆积体施工便道开挖露头来看，堆积体主要由块、碎石土组成，局部夹大孤石，具架空现象，结构松散-稍密，难于成样，且现场试验条件较差，开展堆积体的原位直剪试验较困难。为了获得稳定性计算需要的相应物理力学参数，利用坝址勘探平硐(断面2 m×2 m)作为试验场地，对堆积体进行了野外重塑大尺度直剪(快剪)试验。

    通过现场调研施工便道揭示的露头可以看出：总体上堆积体颗粒以碎砾石为主，棱角-次棱角状，相互搭接或镶嵌，构成土体骨架，全充填或半充填粉土及风化岩屑，呈干燥状态；
    局部为块石，偶夹孤石，块石大部分在自重作用下已剥落，总体上并未形成堆积体的骨架。根据有效应力原理，其对堆积体物理力学性质的影响较小。因此，取样主要为碎砾石组分布占大多数的碎石土，一共取了2组，每组含6个试样，1组颗粒相对较细，1组颗粒相对较粗。

    2组试样总重共计1.178 t，全部运至工程区平硐进行重塑大尺度样直剪试验。在平硐底板浇筑水泥坑，坑深20 cm、宽70 cm、长70 cm，坑内铺填碎石料，上置剪切钢模，钢模内空高30 cm、宽55 cm、长55 cm，在钢模内充填碎石料。以钢模内碎石料与基坑碎石料间接触面为试验剪切面。最大正压力1.2 MPa。分级加载剪切荷载，每级剪切荷载下稳定5 min。将峰值抗剪强度作为抗剪强度，不进行抗剪(摩擦)试验。试验完成后，清空钢模、基坑碎石料，重新充填，作为下点试验的试体。针对刚模内碎石料称重，计算试样密度。

    现场共取了两组代表性崩坡积体碎石土试样，每组含6个样品。试样具体分组：SG-1组，编号SG-1-1～SG-1-6；
    SG-2组，编号SG-2-1～SG-2-6。分别对12个样品按照前述方法进行了12组现场重塑直剪试验(以SG-2-6试样为例，见图7)。通过对各组试样获取的抗剪强度与法向应力的关系进行拟合，并绘制相应的拟合曲线，从而求取其相应的抗剪强度参数(图8)。

    图7 堆积体SG-2-6试样土直剪试验Fig.7 Soil shear test of accumulation body SG-2-6 specimen

    图8 堆积体直剪试验正压力与抗剪强度关系曲线Fig.8 Curve of positive pressure and shear strength of crushed soil straight shear test of accumulation body

    测试结果如下：SG-1组(碎石粒径2～10 cm)，容重19.9～21.7 kN/m3，平均容重20.7 kN/m3，抗剪强度参数f′=0.72，φ′=35.8°，C′=0.06 MPa；
    SG-2组(碎石粒径2～15 cm)，容重20.8～26.8 kN/m3，平均容重23.4 kN/m3，抗剪强度参数f′=0.80，φ′=38.6°，C′=0.04 MPa。

    4.1 堆积体稳定性宏观判断

    从堆积体平面形态和物质组成看，堆积体前缘宽敞，后缘逐渐收窄，在堆积过程中，堆积物呈扇状向河谷扩散，为典型的敞口型堆积体；
    在物质组成上，前缘主要为碎块石，粒径粗大，后缘以碎砾石为主，颗粒相对较细；
    在厚度上，前缘总体也较后缘厚。这种堆积体边坡在自然工况下，一般较为稳定[10]。

    现场详细调查和勘探表明：坡体前缘未见剪出口、地表隆起、泉水等滑动迹象，后缘也未发现土体剪切拉裂、下沉等变形特征，由于雨水冲刷，仅在局部坡表发生过小规模的溜滑。堆积体基覆界面起伏，内部未见明显滑带。为此，从宏观上看，自然状态下堆积体边坡是稳定的。但是，由于其组成物质的不均匀性，局部土石比变化较大，性状差异明显，且堆积中部勘探路开挖面揭露风积砂薄层或透镜体，结构松散，在连续暴雨、水库蓄水及地震等作用下，堆积体存在较大滑动风险。

    4.2 计算方法及工况

    当前，边坡稳定性计算方法主要有极限平衡法和有限元法两大类，工程实践中，极限平衡法的应用较为普遍，积累了大量的工程经验，是SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》推荐的堆积体边坡稳定性计算的基本方法。因此，本文采用极限平衡法进行稳定性计算。为了简化计算边界，对典型剖面基岩与覆盖层接触面进行了简化(图9)。

    图9 极限平衡法计算简图Fig.9 Calculation diagram of limit equilibrium method

    在大坝建设阶段及后期运营中，堆积体会经历库水位变化、降雨、地震等。结合工程特征(边坡工程安全等级为二级)，依据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》确定稳定性分析的工况及标准。

    4.3 计算参数

    根据现场直剪试验和原位容重试验，堆积体土体的内摩擦角为35.8°～38.6°(堆积体自然稳定坡角约36°，二者基本相当)，黏聚力为40～60 kPa，天然容重为19.9～21.8 kN/m3。鉴于堆积体未见明显的滑动带，考虑到其物质结构的复杂性及大坝工程的重要性，在现场试验取值的基础上，参考类似工程经验，对相关计算参数进行了适当折减，得到了主要岩土体参数综合取值(表1)。其中堆积体天然容重取现场原位容重试验值的小值，天然状态下的抗剪强度指标取小值的同时进行了适当折减，折减系数取0.9；
    基岩的参数来源于坝址区岩体物理力学试验。

    表1 选取的计算参数Tab.1 Computation parameters

    4.4 计算结果及分析

    各工况下堆积体稳定性计算的结果如表2所示。

    表2 堆积体边坡稳定性计算成果Tab.2 Calculation results of accumulation slope stability

    根据计算结果分析如下：

    (1) 在天然状态下，a剖面稳定系数为1.153，b剖面为1.135，堆积体是稳定的，与堆积体稳定性的宏观判断结果基本一致。

    (2) 天然+暴雨工况下，a剖面稳定系数为1.099，b剖面为1.056，堆积体也基本处于稳定状态，局部稳定性可能较差，与天然工况相比，其a，b剖面稳定性系数分别下降了4.7%，7.0%。从渗透试验可知，堆积体的渗透性等级为强-中等透水，暴雨条件下入渗条件较好，堆积体内地下水位快速上升，土体饱和，强度降低，加之孔隙水压力上升，其稳定性降低。根据石振明[21]研究，暴雨通过改变堆积体内孔隙水压力的大小，改变边坡的应力场状态，影响边坡的稳定性，且对于碎石土这类高渗透性边坡，在相同的降雨补给条件下，孔隙水压力的增长或消散速率均较大。

    (3) 天然+地震(Ⅷ度)工况下，a剖面稳定系数为0.996，b剖面为1.044，部分区域处于极限状态，部分可能发生失稳，相比较于天然工况分别下降13.6%，8.0%。这是由于地震作用下，土体结构被破坏，稳定性下降，且较暴雨作用影响明显。实际上，高烈度地震会对边坡产生2种作用[22]：① 地震惯性力的作用；
    ② 地震产生的超静孔隙水压力迅速增大和积累作用。天然状态下，堆积体边坡地下水位较低，与河水位相当，土体渗透性良好，此时地震惯性力对边坡的稳定起主导作用。

    (4) 正常蓄水位状态下，a剖面稳定系数为0.776，b剖面为0.751，堆积体已发生失稳，这是由于库水的长期浸泡及渗透使土体劣化，土体饱和，强度较低，与天然工况相比，其a，b剖面稳定性系数下降十分明显，分别达32.7%，33.8%，边坡的稳定性显著下降。暴雨、地震(Ⅷ度)、正常蓄水位3种环境条件下，堆积体边坡的稳定性受到蓄水因素的影响最大，也最显著，其次是地震作用，影响最小的是暴雨。

    (5) 在库水位骤降工况下，a剖面稳定系数为0.759，b剖面为0.702，堆积体已发生失稳，相较于正常蓄水位工况下，分别降低了2.2%和6.5%。这是因为在正常蓄水位下，堆积体长期被水浸泡，土体被弱化，加上短期内库水位的快速下降，堆积体内产生的超孔隙水压力来不及消散，二者叠加，土体抗剪强度进一步降低，导致边坡稳定性变差。

    总的来看，坝前2号崩坡积体天然状况下处于基本稳定状态；
    当遭遇地震(烈度为Ⅷ度)后处于欠稳定状态；
    正常蓄水后，在库水作用下不稳定。边坡级别为2级，无论天然工况或蓄水后，边坡稳定系数均未达到抗滑稳定安全系数标准。

    (1) 在现场精细地质测绘的基础上，通过高密度电阻率法与钻探相结合，较为准确地确定了该2号堆积体的规模。堆积体为一敞口型大型堆积体。工程地质勘察和分析表明：堆积体为多期崩积、坡积作用相互交替叠加形成，均匀性差，竖直方向上具有一定分带，但不明显，总体上为崩坡积混合堆积物。

    (2) 堆积体边坡成因复杂，局部可能存在不稳定夹层，尤其边坡中上部夹有风积砂透镜体或薄层，结构松散，为确定的相对软弱层，在极端工况条件下可能失稳。计算表明：堆积体边坡在天然条件下处于稳定状态；
    天然+暴雨条件下基本稳定；
    在水库蓄水和地震工况下，均不稳定；
    若边坡级别按2级考虑，无论天然工况或蓄水后，边坡稳定系数均未达到抗滑稳定安全系数标准。

    (3) 堆积体规模较大，距大坝最近仅150 m，引水隧洞及导流洞进口均位于堆积体内，一旦失稳将危及边坡中、下部引水隧洞和导流洞进口安全。计算表明，在水库蓄水后，边坡失稳可能性极大，一旦失稳甚至可能堵塞河道，使水库失去功效。因此，考虑到大坝的建设和运营安全，不宜选择该坝址。

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