古水水电站工程区域堆积体边坡工程地质分析

  1 引 言

 

  堆积体是第四系堆积作用形成的地质体, 一般是由作为骨料的碎石或者块石和作为充填成分的黏土或砂土组成, 属于斜坡变形破坏后继续运动阶段的产物。堆积体在我国乃至世界均有广泛分布,并且在大型水利水电工程中, 经常会遇到一些大型的堆积体边坡。随着我国水电工程的不断往西南发展, 尤其在近藏一带高山峡谷地区, 堆积体边坡的稳定性问题对工程建设的影响显得格外重要。堆积体的成因一般较为复杂, 主要有坡积成因的、崩积成因的、冲洪积成因的、冰积成因的及人工堆积的等等,并且具有物质成分复杂、结构分布极其不规则、地域性等特性, 力学性质介于土与岩体之间[ 2] ;另外, 堆积体形成的一个主要原因就是河谷发育史中曾出现过的强烈下切期,即斜坡变形破坏的活跃期, 这一时期对堆积体边坡的形成起到至关重要的作用;再者, 在全球地质历史演化过程中, 受到岩体卸荷、雨水冰水对岩体的侵蚀和携带作用、风化作用、地震和构造运动等因素的影响, 这些都是形成堆积体的重要因素。

 

  对于小型堆积体边坡来说, 其工程效应比较容易把握, 一般认为其成因和岩土体性状明确, 工程处置也相对简单[ 3] ;但对大型堆积体边坡, 其成因和力学特性的把握要困难很多。堆积体的存在会给工程带来极大的影响, 如对于坝体的稳定、蓄水后边坡的稳定性以及洞室开挖时洞口稳定不利, 经常会引起滑坡, 甚至泥石流等灾害现象。国内外许多学者关于堆积体边坡相关问题进行了比较深入的研究,主要集中于斜坡堆积体形成过程及现状评价[ 4, 5] 、堆积体力学参数研究和堆积体稳定性分析等方面,文献[ 6]以堆积体边坡的空间工程效应为切入点,运用地质工程分析、数值模拟和物理试验等多种手段, 通过对两个大型堆积体边坡的实例对比研究, 提出了堆积体变形失稳的空间特征, 堆积体变形失稳控制途径。但由于堆积体的力学特性比较复杂, 因此现在还没有比较成熟的方法能够很好的解决堆积体相关方面的问题。

 

  本文在现场工程地质条件调查基础上, 对古水水电站工程区域内冰水堆积体边坡历史演化和形成过程进行了有关分析。在对冰水堆积体物理力学特性分析的基础上, 结合工程地质调查结果, 对堆积体边坡的变形破坏模式进行了分析。

 

  2 区域工程地质条件

 

  2.1 工程概况

 

  澜沧江上游河段河谷总体呈NNW向展布, 江水由北向南流, 河谷深切, 两岸岸坡自然坡度一般为20°～ 45°, 局部为悬崖峭壁, 部分河段河谷较宽阔,阶地发育。古水水电站为《澜沧江古水—苗尾河段水电规划报告》中一库七级开发方案中的第一梯级。古水水电站坝址位于青藏和川西高原区, 山顶面高程4000 ～ 6000m, 河流深切呈“ V”字型, 属典型的高山峡谷区。区内沿澜沧江一些地段发育5 ～ 6级阶地。

 

  古水水电站坝址位于云南省德钦县北西方向佛山乡溜筒江行政村澜沧江上游河段上, 是云南省境内澜沧江上游水电规划梯级开发的第一级, 属龙头水库, 上游与位于西藏昌都地区芒康县盐井乡境内的古学梯级水电站衔接, 下游为“三江并流”自然遗产地梅里雪山景区的42km天然河道。地理位置处于以“世界屋脊”著称的青藏高原南东缘, 属滇西纵谷山原区地貌单元。地势北高南低, 山脉总体呈NNW或近SN向展布。区内最高处为梅里雪山的卡瓦格博峰, 高程为6740m。

 

  根据地形地质条件初拟了3个坝址:古水坝址(简称上坝址)、木水坝址(简称中坝址)、溜筒江坝址(简称下坝址)。其中中坝址由于地形条件差, 地质条件复杂, 特别是右岸下游紧邻坝址分布一大型堆积体(根达坎堆积体), 经过地表地质调查发现,目前堆积体正处于缓慢蠕滑变形状态, 对工程布置存在重大影响。并且通过对上、下坝址的地形地质条件进行比选, 由于上坝址河谷峡窄, 坝基岩体以硬质岩为主, 地下洞室围岩稳定条件较下坝址好, 上坝址工程地质条件优于下坝址, 基本确定为上坝址方案。

 

  2.2 水文地质条件

 

  区域内地下水的补给来源主要是冰雪融化水及大气降水, 以雪水补给为主, 其次为大气降水。

 

  (1)冰雪融化水:库区内高程在3000 ～ 3500m年积雪为5 ～ 6mon, 高程在4000 ～ 5000m年积雪6～ 7mon, 5000m以上为终年积雪, 冬季雪线下降至2500m左右, 冰雪融化, 是该区最主要的水源, 且储水量相当丰富;(2)大气降水:澜沧江属高山峡谷地带, 地处亚热带边缘气候区, 受高程、地形的影响, 大气降水变化较大, 随高程变化明显, 河谷地带, 年降雨较少, 地表植被较少或无植被, 降水量小, 而随地势升高, 气温逐渐下降, 降雨集中在高山地带。

 

  从该区域内的水文地质条件可以看出, 该区域内的年平均降雨量不是很高, 主要以冰川融化水为主。

 

  2.3 区域地震条件

 

  枢纽区位于青藏地震区, 地震活动强烈, 历史记载曾多次发生破坏性地震, 最大地震为1870年四川巴塘7级地震。历史地震记载M ≥4.7级地震68次, 其中6 ～ 6.9级地震11次、7 ～ 7.9级地震1次。

 

  记录到最早的地震是公元1128年前发生在西藏芒康>5级地震, 最大地震为1870年四川巴塘7级地震, 位于区域的北部;1970 年以来共记载ML2.0 ～4.9级地震2134次, 其中2≤ ML <3 级地震1740次;3≤ ML <4级地震359次;4≤ ML <5级地震35次。区内地震基本烈度为Ⅶ 度, 但处于地震活动相对较弱的地带。

 

  古水水电站坝址区50a超越概率63%、10%、5%、2%及100a超越概率2%的基岩地震动峰值加速度值见表1所示。

 

  对于边坡地震力峰值加速度的取值来说, 以对水工建筑物的危害程度来划分, 危害越大, 等级越高, 采用峰值加速度也越大。对水工建筑物的危害程度属于严重级别的为一级边坡, 地震设防烈度为Ⅶ 度, 动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 工程地质演化历史分析

 

  坝址区域两岸出露地层岩性主要为侏罗系、三叠系的碎屑岩及二叠系的轻度变质岩。河谷发育受构造控制明显, 水库岸坡多为顺向谷及斜向谷。区内沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类皆有出露。上坝址区域分布范围比较广的岩体为板状岩体, 近垂直分布, 属于沉积建造岩。对于坝址区域内的板状岩体形成过程不作详细分析, 本文主要分析冰水堆积体和板状岩体倾倒变形的历史演化过程。

 

  区内新构造运动晚期以强烈抬升为主, 第四纪地层分布少, 它们主要堆积在河流、冲沟两侧, 堆积类型以河流相为主, 湖相堆积很少。在广泛的山区地带有山麓相洪积堆积、冰川(冰水)堆积和残坡积等堆积物。由于高程达6740m的梅里雪山位于近场区西南部, 白马雪山位于近场区的东南边缘, 区内高程4000m以上的地区约占1 /2 ～ 1 /3, 所以, 近代及现代冰川堆积在区内较为发育。近代冰川堆积物主要分布在高程4000m以上地区, 5000m以上则发育现代冰川。高程3000 ～ 4000m的区域, 可见多次冰川活动时冰川后退留下的多道冰碛堆积。高程3000m以下区域, 由于冰川后退融化的雪水将覆盖层(冰积层)大量带向岸坡部位形成了冰水堆积层,主要为松散的砂砾石堆积。堆积体物质组成由表及里具有以下特点:其中冰水堆积层厚度较大, 以砾岩为主, 呈棱角状, 分选性差, 粒径一般<10cm, 少量10 ～ 40cm的巨砾, 偶见150 ～ 200cm以上的块石。

 

  冰水堆积层中夹有多层碎石、块石层, 具明显的韵律结构(图4)。图4为坝址区域内所揭露的某冰水堆积体断面的基本形态, 可以看出, 冰水堆积体的历史演变过程经历了很多阶段, 具有比较明显的层状效应, 并且含粗颗粒比较多的堆积体和含细颗粒比较多的堆积体互层分布。

 

  图5为平硐PD33 中所揭露的冰水堆积体情况, 可以看出, 冰水堆积体颗粒粒径分布并不是均匀的, 在某一历史沉积阶段, 堆积体可能以小颗粒为主, 而在另一历史沉积阶段, 堆积体可能以大颗粒为主, 这主要取决于冰川融化后产生的冰水或者是雨水的携带能力。

 

  从图5可以看出, 图5b中的粗颗粒平均粒径大约为图5a中细颗粒平均粒径的5 ～ 10倍。在坝址区域内, 边坡板状岩体的倾倒变形现象比较普遍, 空间分布特征为:在垂直剖面方向上岩层层理面不再是一个连续面, 出现明显的弯折现象;在水平方向上倾倒变形范围内岩体的折断是以不同的间距平行成带分布, 并且多伴有剪切错动现象(图6), 图6为平硐PD15中所揭露的倾倒变形现象, 从图6可以看出, 板岩经历了多次折断演化历史过程。根据倾倒岩体的倾角与正常岩层产状的对比及岩块互相间咬合状态、折断面状态等因素可以将倾倒变形岩体划分为强倾倒岩体和弱倾倒岩体。

 

  从工程地质勘测结果来看, 倾倒变形破坏主要为板状岩层经过长期蠕变变形, 岩层逐渐变形弯曲,最后在弯曲部位岩层脱空、弯折、拉裂, 而发生岸坡的溃屈破坏。这类倾倒变形除自身层状结构控制外, 顶上厚层覆盖体的重力推动, 坡脚良好的临空条件也是一个很重要的因素。左岸坝前层状板岩的倾倒变形是自身长期蠕变变形和上覆堆积体的重力拖曳共同作用的结果。岩性主要为变质砂岩、板岩、泥岩、灰岩等, 正常岩层产状为N25°～ 35°W, SW(NE)∠75°～ 90°, 倾倒变形体地表岩层产状为N20°～30°W, NE∠25°～ 40°。倾倒岩带中可见多处折断面或折断带, 部分伴有明显的错落变形现象。从目前的发育状况看, 这类倾倒变形整体上属于一种稳定的变形破裂结构。

 

  板状岩体倾倒变形破坏的演化历史过程受到很多因素的影响, 主要包括:(1)河谷下切;(2)岩体卸荷;(3)上覆冰水堆积体重量的不断增加;(4)构造运动;(5)地震作用;(6)冰水对板岩的侵蚀;(7)风化作用等(图7)。

 

  图7中所示的地质历史演化过程基于现场的工程地质条件勘测结果和相关的地质力学分析。该工程区域在冰河时代, 板状岩体上面覆盖非常厚的冰川, 其中板状岩体近垂直分布(图7a);随着全球气候的变化, 加之降雨、构造运动等影响, 河谷逐渐下切, 在漫长的地质演化历史过程中, 岩体的卸荷作用对板状岩体的影响也非常大, 可能造成板状岩体的倾倒变形, 但板状岩体的折断破坏另外一个主要原因还是由于上覆冰水堆积体重量的不断增加而造成的。在此过程中, 该区域浅表层的沉积物由于冰川融化之后产生的冰水冲刷侵蚀作用, 冰水的运动过程携带大量的沉积物向河谷迁移, 导致边坡中下部堆积物不断增加(图7b)。在此历史演化过程中, 边坡上部的冰水堆积物分不同阶段逐渐增加, 从而造成了堆积体的层状效应, 并且逐渐往下迁移, 迁移的最重要因素是由于冰水的作用, 虽然降雨也起到了一定的推动作用, 但作用比较小, 另外地震对堆积体的迁移也有一定的贡献;冰水堆积体下覆板状岩体由于河谷下切, 上部的板状岩体处于强卸荷或弱卸荷状态, 加之冰水的侵蚀, 其岩体力学参数一定程度上有所降低, 加之上部堆积体重量的不断增加, 从而发生折断变形, 折断变形也分不同时期。

 

  4 堆积体边坡变形破坏机制分析

 

  堆积体现在出现缓慢蠕滑变形, 主要原因是堆积体规模较大, 在重力作用下, 对堆积体与基岩界面剪切破坏造成。由于不存在高速滑坡的滑动界面,因此不会产生快速破坏。

 

  堆积体边坡的主要工程地质问题为冰水堆积体的稳定性问题, 冰水堆积物的主要物理力学特性如下:

 

  (1)冰水堆积体固相可简单地看做由“二元介质”组成, 即软弱的粘质土和坚硬的砾石, 粘质土为基质, 砾石为填充物, 而砾石级配较为宽阔;(2)不同粒径的砾石, 无分选随机地分布在粘土基质中, 即砾石分布具有强烈的不均匀性和随机性。在沉积过程中, 受坡形、运移能力等沉积环境的影响, 砾石含量在局部地段可能相对集中, 呈“聚团”状产出, 固结成层, 而多见的是砾石呈“骨料”状散布在粘土中;(3)砾石与粘土间的胶结程度取决于含水量和产出部位, 一般较弱, 特别是裸露在坡面的冰水堆积体, 由于暴雨冲刷、风化卸荷和人工扰动影响, 多失粘结, 很多地段坍塌在平台上。

 

  这种“二元介质”冰水堆积体的物理力学性质是随着粘土和砾石的含量而变化的, 可视为一种复合地质材料。作为一种边坡工程材料, 其在各种内外静动力下的力学性能均有独特的特点。现阶段的直接试验方法, 包括室内试验(直剪试验和三轴试验等)和现场原位试验, 但由于堆积体比较松散, 因此并不能采取真实反映冰水堆积体的原始组成和结构的试样, 只能限制于试验条件而“弃粗求细”, “扬弱避强”, 试验结果也可能是失真的、或不完全表现砾石贡献和结构特征的强度值。因此采用数值方法模拟冰水堆积体的物理结构特征, 利用大尺度的数值试验获得冰水堆积体的变形参数和强度参数, 能够较好的反映冰水堆积体的力学性质。

 

  通过工程地质调查结果以及堆积体的物理力学特性, 可以揭示古水水电站工程区域内堆积体边坡的变形破坏模式, 表现为堆积体顺软弱面整体滑动破坏和堆积体局部的圆弧型滑动, 其破坏模式包括局部圆弧型滑动和顺层整体滑动:

 

  (1)局部圆弧型滑动:主要分布于堆积体的下部, 由于下部存在比较大的临空面, 加之上部堆积体重力的影响, 堆积体下部容易发生局部圆弧形滑动破坏, 其破坏模式类似于左岸214国道坝前堆积体的圆弧型滑动破坏。

 

  (2)顺层整体滑动:主要表现为堆积体整体由于受到自身重力的作用下, 并且由于堆积体的规模比较大, 而在堆积体的底部岩体材料力学参数比较弱, 容易产生剪切滑动, 但由于滑动通道并未完全形成和贯通, 产生整体快速滑动的概率相对局部滑动要小。

 

  5 结 语

 

  (1)古水水电站坝址区域内地下水的补给来源主要是冰雪融化水及大气降水, 以雪水补给为主, 其次为大气降水, 因此在工程地质分析过程中主要考虑到冰川融化作用对该区域工程地质条件的影响;(2)坝址边坡上覆为冰水堆积体等, 堆积体下部为板状岩体。板状岩体近垂直分布, 在整个地质历史演化过程中, 板状岩体受河谷下切、岩体卸荷和构造运动等因素的影响, 可能造成板状岩体发生折断现象, 从而发生倾倒变形;板状岩体的折断破坏另外一个主要原因还是由于上覆冰水堆积体重量的不断增加而造成的。总的来说, 坝址区域内的典型工程地质条件受到以下因素的影响:①河谷下切;②岩体卸荷;③上覆冰水堆积体重量的不断增加;④构造运动;⑤地震作用;⑥冰水对板岩的侵蚀;⑦风化作用等;(3)对于古水水电站工程区域内的堆积体边坡来说, 通过工程地质调查结果以及堆积体的物理力学特性, 可以揭示其变形破坏模式, 表现为堆积体顺软弱面整体滑动破坏和堆积体局部的圆弧型滑动。