第2章　水库塌岸实例调查

2.1　雅砻江二滩电站水库塌岸

2.1.1　工程概况

二滩水电站位于雅砻江下游,是一座以发电为主的综合利用水利枢纽工程,主体工程由拦河大坝(混凝土抛物线形双曲薄拱坝)、左岸地下厂房、右岸泄洪隧洞组成。坝高240.00m,正常蓄水位1200.00m,死水位1155.00m,库容58亿m3,总装机容量3300MW,年发电量17.035亿kW·h,保证出力1000MW。

水库于1998年5月1日下闸蓄水,同年7月初水位超过死水位1155.00m,随后在死水位至1180.00m之间涨落,到1999年10月中旬水库首次蓄水至正常高水位(1200.00m),历时590多天,水位升幅约为170.00m。

2.1.2　库岸岩体变形破坏的基本特征

2.1.2.1　岸坡变形破坏的分布特征

1.发育分布的区域特征

水库坝址至上游水库前段澉鱼河口为基岩峡谷型库段,地层走向与岸坡走向成大角度斜交,岸坡地质结构属较典型的斜向结构。岸坡岩体主要由会理群砂板岩、蚀变玄武岩、板状硅质岩,震旦系白云岩及二叠系玄武岩等岩层构成,第四系相对不发育。除坝前金龙山古滑坡体发生蠕滑变形外,岸坡变形现象不甚发育。

澉鱼河口至大坪子水库中段,是塌岸现象相对较为集中的地段。该库段地层走向与岸坡走向近于平行,岸坡地质结构属较典型的顺向及逆向结构,岸坡岩体主要由会理群砂板岩、蚀变玄武岩、板状硅质岩、花岗岩,白果湾群粉砂岩夹黏土岩、炭质页岩,益门组砂岩、钙质粉砂岩、泥岩、砂质页岩夹泥灰岩等岩层构成,第四系堆积体极为发育。

2.第四系岸坡变形破坏的分布特征

二滩水库的塌岸事件除湾子河滑坡发生在顺层基岩岸坡外,其余均发育于第四系堆积体分布区,而且不同类型的第四系岸坡,变形概率差别较大。

表2.1表明,在调查范围内的各类第四系岸坡中,古滑坡及残坡积岸坡变形概率最高,分别达37.5%及18.0%;崩坡积岸坡的变形概率较低,仅为4.6%;冲积层岸坡无塌岸现象。

从另一方面分析(表2.2),各种塌岸及变形现象的53.85%发生在残坡积岸坡,23.08%发生在古滑坡堆积体岸坡,15.38%发生在崩坡积岸坡。

2.1.2.2　岸坡变形破坏的基本形式

1.顺层滑移-弯曲滑塌

这类塌岸变形仅发育于走向与坡面近于一致、倾向坡外、倾角大于坡角的柔性片岩岸坡。在这种特定的地质结构条件下片理面倾角明显大于该面的残余摩擦角。在重力作用下沿片理面滑移的薄层状柔性岩体因下部滑移面未临空而受阻,在顺滑移方向的压应力作用下发生弯曲变形。

变形演变过程包括3个发展阶段:①初期轻微弯曲阶段,通常发生在顺层压应力与层面法向应力差较大的坡体下部。②强烈弯曲—隆起阶段,岩体强烈松动扩容,地面隆起,出现剖面X形剪切错动,其中一组逐渐发展为潜在滑移切出面。③滑移切出面贯通并发展为滑坡,表现为崩滑或滑塌式破坏。

2.牵引式滑移-拉裂

这类塌岸变形主要发育在坡形相对较陡的古滑坡堆积体、残坡积松软岸坡。岸坡多为局部地下水相对富集区,坡体为黏性土与块石混合堆积,结构松软。在库水的浸润和水位急剧消落作用下,坡体受最大剪应力作用面或某种软弱结构面(基覆界面)控制,向临空方向发生剪切蠕变,变形体后缘发育自地表向深部发展的拉裂变形。发展趋势是沿坡体潜在剪切面从前缘开始逐级向后缘滑移解体。较典型的事例有老鹰岩滑坡。

3.表层侵蚀-剥蚀

这类塌岸变形在各类整体稳定性较好的第四系堆积体岸坡均可发生。水库波浪对岸坡的冲击磨蚀作用,不仅直接冲击破坏岸坡,并且在较大的压力将水和空气压入岩土体的裂隙及空隙中,迫使岩土体破裂松动,以至淘蚀塌落。这种边岸再造作用,在水库各地段的水动力条件有所不同。水库下游段水面宽阔,水体处于似静水状态,波浪是边岸再造的主要营力:水库上游段水体处于准流动状态,水流的侵蚀作用和波浪的磨蚀、淘蚀作用共同控制岸坡再造;库尾段边岸再造的主要营力以流水的侵蚀作用为主,波浪的磨蚀、淘蚀作用次之。

2.1.3　典型塌岸事件分析

2.1.3.1　基岩顺层滑移-弯曲

1.湾子河滑坡(滑移-弯曲型滑塌变形)

(1)岸坡地形地质环境。湾子河属雅砻江支流澉鱼河水系,位于澉鱼河口上游20km左岸。在湾子河与澉鱼河交汇处,岸坡地形三面临空。

岸坡岩体由震旦系上统列六古组暗紫色岩屑砂岩、含砾粗砂岩、长石石英砂岩、紫红及灰绿色条带细砂岩、页岩及透镜状白云岩构成,薄层状结构,具柔性特征。层间结构强度较弱,尤其是页岩夹层更显突出。层面产状NE23°/SE53°～57°,走向及倾向与该处坡面近于一致、倾角大于坡角,是较典型的顺向层状结构岸坡。

(2)变形特征及形成机制。图2.1现场实测资料显示,水库1998年5月1日下闸蓄水,2002年初正常高水位1200.0m以下表层坡体顺层滑移20.0m,解体为块石堆积于岸坡的前缘上部;2003年初旱季,库水位大幅下降至1160.00m时(接近死水位1155.00m),岸坡三面临空岩体沿页岩夹层向下整体滑移8.0m,坡顶形成数条强烈拉张变形带,变形带最大宽度4.0m,带内最大沉陷量0.8m。滑塌位移体总体积约150万m3。据现场实测,其前缘块石堆积坡体的水下稳定坡角为37°。

(3)岸坡稳定性现状的计算分析。

1)计算模型与计算参数。根据实测剖面建立计算模型,采用不平衡推力传递系数法与毕肖普法进行稳定性计算。

滑带土抗剪指标采用反算与经验类比方法综合确定。由于反算模型是现场实测确定的坡体地质结构和坡体初动变形时的水动力学条件,依据较为可靠,故反算结果能够较客观地反映该类坡体滑带土参数的总体特征。

计算时考虑库水位消落对坡体的稳定性的影响作用,水位降幅从汛期正常蓄水位(1200.00m)到水库死水位1155.00m。

2)计算结果分析。按上述计算方案,滑坡体稳定性系数(K)计算结果见表2.3。计算结果显示,滑体稳定性状况与库水位运行状态密切相关。在正常蓄水位1200.00m条件下,滑体稳定性系数K=1.06,虽能保持整体稳定性,但其稳定性状况已接近极限平衡状态,安全储备相对较低。进一步的计算显示,水位骤降对滑体稳定性的影响较为明显。当水位从1200.00m正常蓄水位降低至死水位1155.00m附近时,前缘上部块石堆积滑体(滑面一)稳定性系数降低至K=0.971,下部滑移控制面(滑面二)的稳定性系数降低至K=1.017。显然,当水位急剧消落的情况下,滑体总体上处于极限平衡状态,或慢速滑移变形。

2.霸王山滑坡(滑移-弯曲型崩滑破坏)

霸王山古滑坡体位于二滩水电站大坝上游约6km处雅砻江左岸,雅砻江河谷在此由近SN向转为近EW向,形成向SW凸出的三面临空地形。堆积体后缘高程1350.00m、前缘剪出口高程1030.00m。其平均厚度50～60m,最大厚度约120m,总体积约0.35亿m3。

由于该滑坡距大坝较近,其稳定性问题关系到电站安全运营。从勘测设计、施工到水库运营期间一直处于重点监测。在施工围堰建成挡水后,堆积体前缘高30～50m半胶结块石陡壁淹没于水中,尽管坡体水文地质条件改变较大,但其稳定性仍无异常。虽然滑体主要由硬质岩块组成,透水性较好,稳定性系数较高。经蓄水后多年现场巡视观测未发现宏观变形迹象。

(1)地形地貌与气象水文环境。滑坡地貌形态清晰,后缘圈椅状地形明显,基岩滑壁裸露。滑坡堆积体地面坡度26°～40°,一般30°左右。除前缘有高30～50m的半胶结(钙华)块石陡壁外,无地形陡坎,起伏较小。

水库1998年5月1日(水位1030.80m)下闸蓄水至今,经历了历史上罕见的降雨强度,最大年降雨量1395mm,主要集中在6—8月,最大日降雨量209mm发生在1998年6月30日。

(2)古滑坡的形成机制及控制因素。该滑坡发育于震旦系上统灯影组上部白云岩地层中。该套地层受相对软弱夹层和辉绿岩脉顺层侵入的影响,层间抗剪强度较低,层面产状N40°W/SW39°。滑坡形成机制为典型的顺层滑移-弯曲溃屈崩滑型滑坡。

(3)古滑坡体结构特征。钻探、平洞揭露情况及现场调研实测资料(图2.2)表明,主滑面产状N50°～55°W/SW40°,平均埋深60～65m。滑体强烈破碎,主要由白云岩块石组成,镶嵌架空现象普遍,部分保持原始地层层序。堆积体地质结构上、下两段差异较大。

上段滑面产状N50°～55°W/SW40°,堆积体基本按地层层序堆积,多为巨块石,架空现象普遍,部分保持原始地层结构及层序,但倾角已变缓。

下段滑面产状N20°～40°W/SW15°～30°,堆积体岩块仍大致按原始地层层序呈镶嵌状堆积,岩层已破坏解体,直立倒转及架空现象普遍。前缘剪出口附近,滑面以下基岩强烈变形陡倾直立—倒转反倾,产状由原始的N30°～50°W/SW40°～50°变形为N20°～40°W/NE60°～90°。

(4)古滑坡体变形特征。设置于1202.00m高程的位移监测孔的观测结果表明,该古滑坡体的总体变形特征表现为以下几点。

1)水库蓄水以来,累计位移值孔口附近最大,随孔深的增加而逐渐减小,位移绝对值在-20～25mm范围内波动;

2)位移随时间在零点上下波动变化,既没有随时间波动增加趋势,也没有随水位动态变化,且各测点的波动过程近似、量值0～10mm。考虑到倾斜仪的观测误差一般在5～6mm/20m左右,可以判断蓄水以来,在多年的水位消涨作用下,坡体的稳定状态并未发生明显的异常变化;

3)潜在滑移控制面上下的相对位移随时间仍呈波动变化,未出现随时间而增加的趋势。显然,沿潜在滑移面未发生明显的剪切位移变形。

上述变形监测结果表明,累计位移观测值随时间的波动变化,基本上在监测系统的误差范围内。总体上看,水库蓄水及水位的急剧消涨作用,没有对古滑坡体的稳定性产生明显影响。据现场实测,在正常蓄水位以下至死水位558.00m之间的水位消涨带内,经多年水浪及水位急剧涨落的频繁作用,水下稳定坡角为37°,水上稳定坡角大于40°。

(5)古滑体稳定性现状的计算分析。

1)计算模型与计算参数。根据实测剖面建立计算模型(表2.4),采用不平衡推力传递系数法与毕肖普法进行稳定性计算。

滑带土抗剪指标采用按实测模型反算与按最危险状态经验类比两种方法确定(表2.4)。

计算库水位消落对坡体的稳定性的影响作用,水位降幅从汛期正常蓄水位1200.00m到水库死水位1155.00m。

2)计算结果分析。滑坡体稳定性系数(K)计算结果(表2.5)表明:无论是按实测反算参数或最危险状况经验参数考虑,在正常蓄水位1200.00m条件下,滑体稳定性系数K=1.31～1.94,满足整体稳定性的安全标准,并具有较高的安全储备;进一步的计算显示,水位骤降对该滑体稳定性的影响不甚明显,当水位从1200.00m正常蓄水位大幅下降至死水位1155.00m时,稳定性系数虽减小为K=1.19～1.92,但仍能保持整体稳定性,每年旱季库水位大幅下降时坡体未发现明显的宏观变形迹象。

2.1.3.2　老鹰岩滑坡(古滑坡堆积体的牵引式滑移-错落)

1.岸坡地形地质环境

老鹰岩滑坡位于水库中段金台子西侧雅砻江左岸,距大坝58km,该部位地处雅砻江河谷转弯向西凸出的前部,坡体三面临空,岸坡原始地形坡角44°,1300.00m以上地形平缓。

岸坡为古滑坡体,堆积体物质以结构疏松的砂岩、片岩块石及角砾为主。上部块石含量80%,角砾及粉土占20%;下部块石含量90%,角砾及岩屑占10%。

2.变形特征及形成机制

现场实测研究与调查资料显示,水库1998年5月1日下闸蓄水,同年8月坡体顶部相继开始发生张裂变形;1999年年初库水位快速回落至1155.00m死水位期间,裂缝加速发展并有明显的震动感觉,单条裂缝的最大长度约20m、拉张变形0.2m,裂缝外侧临空坡体顶部变形隆起0.6m;1999—2002年长达3年的时间内,在多次较大幅度的水位涨落作用下,除发生局部崩塌外,坡体变形无明显的宏观异常变化;2003年1—3月,库水位大幅下降至1160.00m(接近死水位1155.00m)过程中,岸坡由前部向后部逐块滑移错落8m、43m、40m及25m(图2.3),滑塌位移体总体积约170万m3。据现场实测,其前缘块石堆积坡体的水下稳定坡角为34°,水上稳定坡角为56°。

塌岸变形发育坡形相对较陡的古滑坡堆积体内。坡体为黏性土与块石混合堆积,结构松软。在库水的浸润和水位急剧消落作用下,坡体受最大剪应力作用面控制,向临空方向发生剪切蠕变-松动扩容,变形体后缘发育自地表向深部发展的拉裂变形,当其达到潜在剪切面,必将造成剪切面上剪应力集中,促使剪切变形进一步加剧发展,坡体沿潜在剪切面从前缘开始逐级向后缘滑移解体。变形发展机制属典型的牵引式“滑移-拉裂”模式。

3.滑体稳定性现状的计算分析

(1)计算模型与计算参数。根据实测剖面建立计算模型(表2.6),采用不平衡推力传递系数法与毕肖普法进行稳定性计算。滑带土抗剪指标采用按实测模型反算法确定(表2.6)。

计算库水位消落对坡体的稳定性的影响作用,水位降从汛期正常最高水位1200.00m到水库死水位1155.00m。

(2)计算结果分析。滑坡体稳定性系数(K)计算结果(表2.6)表明:无论是前缘上部滑面一或底部滑面二,在正常高水位1200.00m条件下,滑体稳定性系数K=1.27～1.65,满足整体稳定性的安全标准,并具有较高的安全储备;进一步的计算显示,水位骤降对该滑体稳定性的影响不甚明显,当水位从1200.00m正常蓄水位大幅下降至死水位1155.00m时,稳定性系数虽减小为1.13,但仍能保持整体稳定性。其原因在于,坡体重心在下滑位移后已大幅度降低,滑移控制面上的抗滑力与下滑力的比例必然发生较大的改变,抗滑体明显增加、下滑体明显减小,则稳定性与原始坡体相比有较大的改善。

2.1.3.3　岸坡侵蚀-剥蚀再造

“侵蚀-剥蚀”是各类整体稳定性较好的第四系堆积体岸坡广泛发生的边岸再造作用。作用的结果虽不会导致坡体失稳破坏,但水库波浪的冲击磨蚀作用,直接改变了水位波动范围附近岸坡的坡形及坡角,而且这种改造作用在残坡积块石角砾、冲积卵砾石和表层黏性土夹角砾等3种不同结构类型岸坡中,有着明显的差异。

1.残坡积块石、角砾堆积岸坡

残坡积块碎石堆积体工程地质特性的基本特征在于摩擦角较高。库水的浸润软化及空隙水压力效应对这类岸坡的稳定性影响不大。由于岸坡物质组构、固结-胶结强度及天然坡角的较大差异,在水浪的冲击磨蚀作用下,不同组构类型及胶结强度的边岸,侵蚀-剥蚀再造效应略有不同。

(1)马头田右岸残坡积块石堆积岸坡剥蚀坍塌。图2.4是马头田西岸闪长岩块石堆积岸坡现场调查的实测剖面,堆积体由闪长岩块石构成,其砾组成分结构为:直径ϕ=0.3～0.4m的块石含量占60%、ϕ=0.4～0.8m的占15%、ϕ≤0.3m的占25%,处于钙质微胶结松散状态。正常蓄水位1200.00m以上的稳定坡角达到34°(水上稳定坡角);在正常蓄水位以下至死水位1155.00m之间的水位消涨带内,经多年的水浪冲击磨蚀及水位急剧涨落的频繁作用,目前水下稳定坡角保持在30°～32°左右。

(2)大牛湾残坡积碎块石、角砾堆积岸坡滑塌。图2.5为大牛湾碎块石、角砾堆积岸坡的实测地质剖面。研究结果表明,大牛湾岸坡由片岩及砂板岩块石、角砾构成,其砾组结构为:ϕ=5～7cm的块石含量占55%,ϕ=3～5cm的块石占20%,岩屑及角砾占25%,偶夹ϕ=3～5m的巨块石。岸坡天然坡角35°,堆积体呈稍密、钙泥质微胶结状态。

2001年汛期,库水位上升至1200.50m。此期间该处岸坡约5.88万m3的坡体,整体滑移坍塌。目前,经多年的水浪冲击磨蚀及水位急剧涨落的频繁作用,正常蓄水位与死水位之间的水位急剧消涨带稳定坡角保持在31°左右,水上稳定坡角35°。

2.坡面表层剥蚀

广泛分布的各类坡面表层堆积,大多数由黏性土夹少量角砾构成,天然状况下的稳定性取决于基覆界面的结构强度。在1200.00m(正常蓄水位)至1155.00m(死水位)水位急剧消涨波动的长期侵蚀—剥蚀作用下,正常蓄水位线以下的表层堆积虽均被剥蚀,但水位线以上的表层堆积仍然保持其原有的稳定状态,即水上稳定坡角保持原有状态不变。在这种情况下,库水的浸润软化和水浪的冲击磨蚀作用是边岸侵蚀—剥蚀再造的主导因素。

图2.6和图2.7是霸王山东侧库岸侵蚀-剥蚀作用的实测剖面。坡体由棕红色残坡积粉质黏土夹块石及角砾构成,下伏厚层白云岩呈顺向结构,倾角39°。黏土含量占90%,硬可塑;块石占10%,砾径ϕ=2～3cm。现场调查结果表明这类块石含量较少、相对松软的残坡积岸坡水下稳定坡角仅有16°～22°。

3.冲积卵砾石层岸坡

河床相冲积卵砾石层具有内摩擦角较高(天然状况下的残余摩擦角φr≥35°)、渗透性较好(渗透系数k≥10-3cm/s),有一定的固结度及较弱的钙质胶结,多数呈中密—密实状态。库水的浸润软化及空隙水压力效应对其稳定性的影响不大,水浪的冲击磨蚀作用是边岸侵蚀—剥蚀再造的主导因素。

图2.8为库区中段中更新世(Q2)阶地卵砾石层侵蚀剖面实测成果。研究结果表明,在1200.00m(正常蓄水位)至1155.00m(死水位)水位急剧消涨波动带范围内,岸坡土石结构自上而下为:

(1)超固结粉质黏土与角砾带互层,厚度大于13.0m(未见顶)。

(2)超固结粉质黏土夹角砾及粗砂,厚12.0m,其中角砾及粗砂含量约25%。

(3)密实巨砾卵石层,厚7.4m,卵石成分以花岗岩为主,ϕ≥0.8m的巨砾含量占40%。

(4)密实卵石、角砾及粗砂混合沉积层厚2.2m。

(5)超固结含砾黄色黏土,厚度大于7.0m,卵石含量约占15%,砾径ϕ=3～5cm(未见底)。

在水浪长期的冲蚀—磨蚀作用下,岸坡各土石层的水下稳定坡角有所不同,总体上表现出坡角随着砾径的增大而增加的趋势。各土石层的水下稳定坡角实测值为:

超固结含砾黄色黏土层:32°;密实卵石、角砾及粗砂混合沉积:38°;密实巨砾卵石层:46°。