永不落水库右岸坝肩儒动变形稳定性分析
  摘要:本文介绍永不落水库大坝上游右岸山体及坝基蠕动变形的地质条件,通过计算剖面的选取及潜势滑动面的确定、计算工况及荷载组合、稳定性计算方法及计算公式、计算参数的确定及参数建议取值,对强卸荷带、全风化带、残坡积层稳定性进行计算分析,对蠕变区敏感性因素分析及计算公式、蠕变区敏感性分析、蠕变区敏感性成果分析,最终得到蠕变区稳定性评价,为下一步蠕动变形稳定性分析和防治治理做好准备。
关键词:永不落水库;蠕动变形;稳定性计算;分析
 
        前言
        永不落水库位于西盟县北端中课镇库杏河支流永古河上,距干支流交汇口约400m,是一座解决中课镇集镇供水、农村人畜引水和农业灌溉用水等综合利用的中型水利工程。永不落水库总库容1142.10万m3,工程等别Ⅲ等。
        2014年11月29日,大坝右岸上游西南侧1076m高程管理房平台开挖施工过程中,发现平台开裂,经参建各方现场查勘,右岸坡山体及坝基发生了蠕动变形,前沿近河床段局部产生了
剪切鼓胀凸起破坏,后缘岸坡坡面拉裂,1076m平台以上山坡、已开挖的大坝右岸心墙基础、上下游坝基不同程度和范围出现了裂缝,经现场查勘测绘,蠕动变形边沿裂缝呈现圈椅状展布。
        1 右岸边坡工程地质
        1.1 基本地质条件
        1.1.1、地形地貌
        坝址河床属于构造侵蚀浅切割低山及河流堆积地貌,地形完整性差。坝址区河道较顺直,河谷呈开阔的‘U’字型。右岸坝顶以下自然坡度约33°,坝顶以上自然坡度约21°。心墙坝基开挖坡比1.:1.52,坝顶开挖坡比1:4.07。
        1.1.2、地质构造
        (1)断层构造
        据初步设计阶段勘察成果资料分析,坝址区无区域断裂穿插,坝址区右岸岩体发育断层f1、f2。f1断层走向N80~88°W,倾向北东,倾角58°,断层带宽度1~2m,影响带宽度2~3m,延伸长度700m左右,逆断层性质;f2断层走向N25~30°W,倾向南西,倾角70°,断层带宽度0.5~1m,影响带宽度1~2m,延伸长度600m左右,逆断层性质;地层倾向下游偏
左岸,总体属单斜构造。断层特性见下表
 
 
        (2)岩体卸荷
        据坝基心墙开挖揭露情况结合初步设计勘察成果初步分析,岩体强卸荷带下界埋深在基岩面以下5~15m。岩体弱卸荷带下界埋深在基岩面以下15~20m。
        1.2 岩(土)体物理力学参数
        初步设计阶段工程地质勘察报告提出的岩(土)体物理力学指标建议值见下表。
 
 
 
        2 蠕动变形稳定性分析
        2.1 坝肩及坝脚心墙斜坡结构面赤平投影分析
        (1)坝肩心墙斜坡结构面赤平投影分析
        坝肩心墙斜坡段主要发育三组结构面,1斜坡面产状5°∠33°、2层面产状20°∠36°、3节
理产状315°∠73°、4节理产状30°∠57°,赤平投影见图3.6-1a。
        由各组结构面赤平投影分析可知,①层面(20°∠36°)与斜坡坡面(5°∠33°)倾向夹角约15°,岩层层面倾角略大于坡面倾角约3°,层面与斜坡面近于平行,为顺向坡,岩体呈强风化,岩体完整性、力学指标较差,为最优势结构面,对边坡稳定性极其不利,易造成顺层剪切变形破坏;②节理面(315°∠73°)与剖面斜交陡倾向NW,对边坡稳定性影响较小;③节理面(30°∠57°)倾向与坡面倾向夹角约10°,倾角大于坡角,斜坡变形沿着该结构面易产生倾倒变形破坏,对边坡稳定不利;④层面(20°∠36°)与节理面(315°∠73°)的组合结构面为顺坡向,组合结构面倾角略大于坡面倾角,对边坡稳定性不利;⑤层面(20°∠36°)与节理面(30°∠57°)的组合结构面倾向NW,与坡面斜交,对斜坡稳定性影响小;⑥节理面(315°∠73°)与节理面(30°∠57°)的组合结构面倾向与斜坡倾向基本一致,倾角大于坡角,斜坡变形沿着该结构面易产生倾倒变形破坏,对边坡稳定不利。
        总体来说,坝肩斜坡存在对边坡稳定性不利的结构面及结构面组合,其中以层面发育程度较高,为最优不利结构面。
        (2)坝脚心墙斜坡结构面赤平投影分析
        坝脚心墙斜坡段主要发育三组结构面,1斜坡面产状5°∠33°、2层面产状20°∠22°、3节
理产状70°∠75°、4节理产状215°∠59°,赤平投影见图3.6-1b。
        由各组结构面赤平投影分析可知,①层面(20°∠22°)与斜坡坡面(5°∠33°)倾向夹角约15°,岩层层面倾角小于坡面倾角约11°,层面与斜坡面近于平行,为顺向坡,岩体呈强风化,岩体完整性、力学指标较差,为最优势结构面,对斜坡稳定性极其不利,易造成顺层剪切变形破坏;②节理面(70°∠75°)与剖面斜交陡倾向NE,对边坡稳定性影响较小;③节理面(215°∠59°)倾向与坡面倾向相反,陡倾向山内,对边坡稳定有利;④层面(20°∠22°)与节理面(70°∠75°)的组合结构面倾向NW,与斜坡面小角度斜交,倾角小于坡角,对边坡稳定不利,斜坡变形过程中沿着该组合结构面易产生斜向顺层变形破坏;⑤层面(20°∠22°)与节理面(215°∠59°)的组合结构面倾向以大角度斜交坡面,对斜坡稳定影响小;⑥节理面(70°∠75°)与节理面(215°∠59°)的组合结构面以中等倾角斜倾向坡内,对斜坡稳定性无影响;。
        总体来说,坝脚斜坡仍存在对边坡稳定性不利的结构面及结构面组合,其中以层面发育程度较高,为最优不利结构面。
 
        坝肩及坝脚心墙斜坡结构面赤平投影图
        综上所述,无论是坝肩还是坝脚,斜坡岩体均发育对斜坡稳定性不利的结构面及组合结构面,其中以层面发育程度较高,为最优不利结构面,边坡极不稳定。
        2.2 蠕变区稳定性计算分析及评价
        2.2.1、计算剖面的选取及潜势滑动面的确定
        通过参建各方技术人员现场对蠕变区的勘查,结合14个变形监测点的监测情况综合分析确认,蠕变区变形主方向为N5°E,见示意图3.6-2。根据实地踏勘结合山体变形主方向综合确定主剖面。本次坝址区右岸清基后蠕变区参数反演分析采用的计算典型剖面选择Ⅱ-Ⅱ计算剖面模型,由于蠕变区后缘已出现较为明显的拉张裂缝,前缘位于清基后齿槽下部局部岩体发生剪切鼓状凸起,结合前期勘察阶段钻孔ZK03、ZK34压水实验资料及平硐PDsy编录资料,综合分析确定Ⅱ-Ⅱ计算剖面的潜势滑动面深度。其计算剖面见下图。
 
 变形区参数反演分析Ⅱ-Ⅱ计算剖面模型
        2.2.2、计算工况及荷载组合
        (1)计算工况
        根据踏勘情况,目前右岸山体天然状况下已处于整体变形状态,变形体周围裂缝呈现圈
椅状,且裂缝具有一定的宽度,考虑到降雨对蠕变区的稳定性的影响较大,更会加剧其变形,故本次参数反演分析及稳定性分析只考虑一种计算工况:天然状况(蠕变区自重)。
        (2)荷载组合
        自重:整个蠕变区上基本无建筑物。因此,参数反演分析过程中考虑蠕变区无集中荷载,基本荷载主要为潜势滑面上蠕变区的自重。对于变形体重度在具体计算中,地下水位面以上的变形体取天然重度,地下水位面以下的变形体取浮重度。原始地形坡面稳定性分析也只考虑潜势滑动面上岩土体自重。
        2.2.3、稳定性计算方法及计算公式
        坝址区右岸蠕变区潜势滑动面呈折线型,根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)第5.2.8条当滑动面为折线形时,可采用传递系数法进行稳定性评价,其稳定系数计算公式如下(考虑动水压力,不考虑地震力的作用):
 
其中滑体内渗透压力计算公式如下:   
 
        2.2.4、计算参数的确定及参数建议取值
        (1)前期勘察参数建议值
        初设勘察阶段对岩体物理力学指标提出了建议值见表3.3-4、3.3-5。因建议值取值范围较大,造成对原始地形坡面稳定性分析结果的不确定性。针对目前的变形破坏现象以及其所处状态分析,对蠕变区进行反演分析是具备条件,同时也是符合实际的。为此,本次原始地形坡面稳定性计算参数的确定,采用初设勘察成果与蠕变区参数反演相结合的方式进行综合确定。
        (2)潜势滑面岩土体参数反演
        坝址区右岸山体目前处于整体变形状态,坡面裂缝呈圈椅状展布,变形体后缘出现拉张裂缝,两侧出现羽状裂缝,前缘坡脚局部鼓状凸起。本次潜势滑面参数反演分析选用蠕变区主滑方向Ⅱ-Ⅱ剖面为实体模型,枯雨季节岩体处于整体强变形状态,根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)第5.2.7条,对处于整体变形~滑动状态的滑坡稳定系数为0.95~1.00。
        (3)建议参数的确定
        依据选取的潜势滑动面组合状况和初设阶段岩土体建议参数取值情况,确定初设阶段潜势滑动面天然状况下的岩土体抗剪强度参数取值为:C=20kpa,Φ值取加权平均值,潜势滑
动面后缘段斜穿岩层层面取21~23°(约占30%),中段和前缘(约占70%)多顺岩层层面,取泥夹岩屑型,f=0.3(Φ=16.7°),即Φ=21°×0.3+16.7°×0.7=18°。雨季潜势滑动面抗剪强度参数取值为:C=15kpa,Φ=21°×0.3+14°×0.7=16.1°。
        根据上述反演计算参数,结合初设阶段加权确定的潜势滑动面建议参数取值,确定本次计算潜势滑动面岩土体抗剪强度取值,根据各值所占的权重综合确定。
        2.2.5、强卸荷带、全风化带、残坡积层稳定性计算
        根据实地踏勘结合山体变形主方向综合确定的主剖面,坝址区右岸边坡清基后稳定性计算典型剖面模型选择Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ三个计算剖面模型,三个计算剖面模型的潜势滑动面位置依次分别位于强卸荷层底部、全风化底部、残坡积底部。
        2.3 蠕变区稳定敏感性因素分析
        2.3.1、蠕变区敏感性因素分析及计算公式
        影响蠕变区稳定性的因素较多,其中主要有岩土体容重、潜势滑动面岩土体抗剪强度C、Φ值以及地表荷载等因素,同时可知在强降雨条件下蠕变区的稳定性会有较大幅度的降低,而降雨对抗剪强度C、Φ值均有较大的影响。因此本次蠕变区敏感性因素分析主要考虑以上两个因素对蠕变区稳定性的影响。敏感性分析计算剖面仍选择Ⅱ-Ⅱ剖面,计算工况选择
反演工况(工况1)。
        蠕变区敏感性分析中运用传递系数法或其它方法计算出基准条件之下的蠕变区稳定系数FOS,在此基础上变动C(17~24kPa)或Φ(16~23°),其它参数固定不变,计算该参数在其变动范围内变动时,蠕变区稳定系数变化的结果,进而求出敏感性系数S,其具体计算公式如下:
        S=(η1/η2)×100
        式中:η1=△Fs/FOS,η2=│△X│/(Xmax-Xmin);
        △X为C或Φ的变化量;
        Xmax-Xmin为C或Φ的变化范围;
        △Fs为Fs对应△X 的变化量;
        FOS为Fs的基准值,取为1.0。
        2.3.2、蠕变区敏感性分析
        (1)抗剪强度参数C值对蠕变区稳定性的影响
        分析可知抗剪强度C值每增加1kpa,则稳定性系数提高约0.94%,由此可知,蠕变区稳定性对抗剪强度C值的敏感性比较大。
        (2)抗剪强度参数Φ值对蠕变区稳定性的影响
        在抗剪强度Φ值每增加1°,则稳定性系数提高约4.53%,由此可知,滑坡稳定性对抗剪强度Φ值的敏感性更强。
        2.3.3、蠕变区敏感性成果分析
        由前述确定的敏感性影响因素及敏感性分析成果可知:抗剪强度参数Φ值较抗剪强度参数C值的敏感性大,即Φ值对蠕变区稳定性影响较C值大,由此可知,在变形治理设计中应注重提高潜势滑动面岩土体的抗剪强度指标。
        2.4 蠕变区稳定性评价
        通过权重综合确定潜势滑动面岩土体抗剪参数取值C值为20kPa,Φ值为18.161°。蠕变区对抗剪强度参数敏感性大,通过分析得知Φ值对变形区边坡稳定性影响较C值大,在后期防治设计中应着重提高岩体结构面的Φ值力学指标。
        (1)右岸边坡蠕动变形区稳定性
        目前蠕变区处于塑流-拉裂变形状态,现状暂时趋于稳定。经计算,目前右岸山体边坡沿着强卸荷带下界和下部强风化岩体底部(弱卸荷带下界)蠕动变形的可能性较大。雨季会使结构面强度降低,导致边坡稳定性降低,存在滑动变形的条件。
参考文献
[1]罗雲丰.澜沧江苗尾水电站右岸坝肩边坡长期稳定性评价.成都理工大学.2015康迎宾,李琳.涧里水库大坝右岸坝肩绕渗稳定分析.《人民黄河》.2009.
[2]勇智,戚炜,赵法锁.西安市黑河水库左坝肩渗透变形及稳定性分析.《地球科学与环境学报》.2003.
左岸右岸