2.4　宝兴河硗碛水库塌岸

2.4.1　工程概况

硗碛水电站是宝兴河流域开发的龙头水库工程,坝址位于宝兴县硗碛乡下游约1km的东河上,厂址位于下游的石门坎附近,其间旅游环线公路通过工程区,首部枢纽距宝兴县城约57km,厂区距宝兴县城约34km,宝兴县城至雅安市72km,雅安市至成都市145km,对外交通方便。

硗碛水库由东河主库及蚂蝗沟、咔日沟、泥巴沟、柳洛沟支库组成(图2.31)。水库正常蓄水位2140.00m时,最大壅水高度约120m,其主库长约5.94km,咔日沟、泥巴沟及柳洛沟支库分别长约2.7km、1.01km及1.13km。

2.4.2　库岸塌岸情况

2007年10月中旬,当水库蓄水至2125.00m高程时,水库回水淹没咔日沟支库左岸丰收村堆积体(咔日沟3号堆积体)前缘坡脚后,堆积体2250.00m高程以下库岸发生蠕动变形,形成一系列的变形裂缝和错台,导致变形区内18户民房出现不同程度的墙体开裂、倾斜等变形破坏,在靠近正常蓄水位附近的个别民房因变形严重发生倒塌。而库水位随着2008年年初逐渐下降,以丰收村堆积体为代表的水库塌岸变形更加加剧,后缘塌岸最高高程已达到2270.00m高程附近,下错位移最大值已接近3m。不仅如此,在整个水库区的主河段、咔日沟、蚂蝗沟、泥巴沟和柳洛沟等支库内普遍可见塌岸现象,截至2008年4月1日,硗碛水电站第一轮蓄水、降水过程,已造成库区内松散堆积体塌岸部位达20余处(表2.10),变形严重、对坡体上居民影响明显的有3处。

库区内松散地层成因类型多样,可见有冰缘冻融堆积碎石土(Qprgl)、冰水堆积块碎石土()、坡洪积及崩积堆积碎石土()、滑坡堆积块碎石土()以及坡残积堆积碎石土(),除冰水堆积具有弱胶结外,其余均无胶结、为松散结构。上述堆积体尽管成因不同,但从粒度成分上确有相近之处,从所发生的塌岸变形特征上看,除具有一定胶结的冰水堆积以“崩塌式”塌岸、塌岸范围较小外,其余均以“滑移式”的蠕滑变形为特点,其塌岸范围较大。

2.4.3　典型塌岸事件分析

2.4.3.1　近坝库区右岸1号堆积体

1.基本地质条件

主库段1号堆积体位于主库右岸、引水隧洞进口下游侧,下游侧边界距坝址254m(以下同),地貌上为凹槽负地形,自然坡度一般15°～25°(局部达50°)(图2.32),该堆积体顺坡长约340m,平均宽约190m,后缘分布高程2200.00m(环库公路内侧),前缘濒临河边。距在该堆积体上游侧相同成因的堆积体钻孔揭露,预计平均厚度约20m,规模115万m3,主要为冰缘冻融堆积的碎砾石土,碎砾石成分以千枚岩、砂质千枚岩为主,少量砂岩,粒径一般ϕ=2～4cm,少量ϕ=5～8cm,土为粉质土,含量约50%～60%,总体结构较松散。据2008年4月初调查,当水库蓄水至2125.00m并在后续的水位下降过程中,山坡地表出现大量裂缝,将坡体上已建和正在修建的基础建筑物拉裂下错,现状条件下边坡不稳定,并对坡体上现有的3家住户安全构成严重威胁。

2.边坡稳定计算工况及参数取值

针对硗碛水电站水库区已经蓄水至2125.00m水位及其水位下降条件下所导致的边坡稳定性现状,在考虑边坡稳定性计算工况时,将重点围绕2125.00m(初期蓄水)和2140.00m(长期蓄水)两种蓄水条件,然后分别再考虑以下工况:①天然状态;②暴雨状态;③天然+地震状态;④暴雨+地震状态;⑤2140.00m(2125.00m)骤降5m。

根据主沟1号堆积体成因(崩坡积)及颗粒分析,其粒度成分上表现出较粗的特点,土体定名为“粉土质砾”,因此其参数取值可参见坡残积土取值,同时主要根据堆积体现有变形现状所进行的边坡稳定性参数反演后,可确定出针对该堆积体相应的计算参数,即天然状态:容重γ=19.7kN/m3、C=30kPa、φ=21°;饱水状态:容重γ=21.0kN/m3、C=20kPa、φ=17°。同时针对“5·12”地震后烈度调整,场区地震基本烈度为8度,水平地震加速度取0.2g,地震综合影响系数取0.25。

3.计算成果与分析(按圆弧形潜在滑面搜索)

(1)蓄水2125m后稳定性分析计算。为了充分掌握主沟1号堆积体在不同工况条件下的稳定性,在以下的稳定性计算分析中,潜在滑面分别按圆弧形搜索,即沿堆积体内部、沿基覆界面或沿堆积体内部-基覆界面等不同潜在滑面情况进行计算。对该堆积体稳定性分析将选其中的1—1'和2—2'两条剖面进行计算,在蓄水2125.00m条件下的稳定性计算结果见表2.11及图2.33和图2.34。

根据《水电工程建设征地处理范围界定规范》(DL/T 5376—2007)以及《水利水电工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)对边坡类型的确定标准,硗碛水库区所在边坡应属于B类三级,一般取安全系数(稳定系数)为1.10,也即小于1.10为不稳定。针对硗碛水库地质条件复杂、地质结构不确定性以及人居敏感性等特点,本次研究取水库区三级边坡持久工况(即天然状态)安全系数上限为1.05、短暂工况(即暴雨状态)安全系数上限为1.03、偶然工况(即地震状态)安全系数上限为1.0,在以下的边坡稳定性分析中,所确定的最终塌岸范围将以上述3种工况条件中的任意一项稳定性系数K只要满足:持久工况K<1.05、短暂工况K<1.03、偶然工况K<1.0,其所在的潜在滑面后缘边界即作为塌岸范围边界线。

以1—1'剖面为例,在蓄水2125.00m条件下,靠前缘AB潜在滑面稳定性系数最小,在所列的4种工况条件下(即天然状态、天然+地震状态、持续降雨状态、持续降雨+地震状态)的稳定性系数均小于1,表明不管在何种工况条件下均处在不稳定状态,这与实际情况完全相符。而从其他潜在滑面的稳定性计算结果看,在相应的工况下稳定性系数均稍高于AB潜在滑面,但在天然状态下均小于1.05,处于极限平衡—失稳下滑状态。这说明该堆积体在失稳下滑过程中,首先是前缘部位最先塌滑,然后逐渐带动中、后部堆积体,以上结果与该堆积体目前蠕滑拉裂变形完全吻合,表明计算结果是合理可信的。

(2)从2125.00m蓄水位骤降5m稳定性分析计算。仍选取1—1'和2—2'两条剖面,分别按沿堆积体内部、基覆界面等部位按圆弧形面搜索,通过传递系数法计算,结果见表2.12和图2.35、图2.36。

从计算结果可见,主沟1号堆积体在2125.00m蓄水位骤降5m后,相应的稳定性系数与2125.00m蓄水位相比,均有不同程度的降低,在此工况条件下,两条剖面中沿AB、AC和AD潜在滑面均处于失稳下滑状态。而从野外实地调查也显示,该堆积体形成大量了裂缝并逐渐朝后缘扩展的时间大致在2008年春节前后,而此段时间正是水库水位下降最频繁的时期,这说明上述分析计算结果是合理可信的。

也就是说,在考虑2125.00m蓄水位及其2125.00m蓄水位骤降5m条件下,主沟1号堆积体就会发生整体蠕滑而形成塌岸,塌岸最终高程在2210.00m,这表明环湖路及其坡体上的居民建筑均将受塌岸影响而不能正常运营,并可能会对引水隧洞进口产生淤埋等不利影响,应引起充分重视。

(3)2140.00m蓄水位下稳定性分析计算。同样选择1—1'和2—2'两条剖面,分别按沿堆积体内部、基覆界面等部位按圆弧形面搜索,通过传递系数法计算,结果见表2.13和图2.37、图2.38。

计算结果显示,在2140.00m蓄水位条件下,与2125.00m蓄水位相比,不同工况下的稳定性系数均有所提高,以AB潜在滑面为例,从2125.00～2140.00m蓄水位,天然状态下稳定性系数由0.961变为1.0,持续暴雨下由0.950变为0.997,其他潜在滑面及工况均具类似特点,这表明由于地表水位抬升对坡脚的反压作用,在一定程度上可以提高该堆积体的稳定性,不过尽管稳定性有所提高,但仍处于极限平衡—失稳下滑状态。只是靠最后缘边界稳定性稍好于中、前缘,这也再次说明该堆积体的失稳(塌岸)方式以前缘先坍并逐渐带动中后缘下滑蠕变、即以渐进式塌岸方式为主。

(4)从2140.00m蓄水位骤降5m稳定性分析计算。同样选择1—1'和2—2'两条剖面,并按相同的潜在滑面按圆弧形面搜索,通过传递系数法计算,结果见表2.14和图2.39、图2.40。

可以看出,以1—1'剖面为例,在2140.00m蓄水位骤降5m条件下,仍表现为靠边坡前缘AB潜在滑面稳定性系数最小,即在天然状态下Fs1=0.964、天然+地震状态下Fs2=0.847、持续降雨状态下Fs3=0.961、持续降雨+地震状态下Fs4=0.845,可见前缘AB潜在滑面在各种工况下均处于不稳定状态。

而其他潜在滑面AC和AD的稳定性计算结果也表明2140.00m蓄水骤降5m状态下堆积体整体稳定性均不好,天然状态下均小于1.05,普遍处于极限平衡—失稳下滑状态,发生整体下滑(塌滑)的可能性很大。正如前面对2125.00m蓄水状态分析,该堆积体是以渐进式逐级解体塌滑为特点,最终塌岸高程1—1'剖面为2210.00m,2—2'剖面为2205.00m。

(5)图解法塌岸预测。此次塌岸研究还采用上述数据在相同的剖面上进行了图解法预测,就主沟1号堆积体而言,考虑属于崩坡积堆积,取水下和水上坡角分别为21°和30°,则得出1—1'、2—2'所在剖面塌岸后缘高程分别为2202.00m和2205.00m,除1—1'剖面预测塌岸后缘高程稍小于按圆弧形搜索结果相应高程(2210.00m),2—2'剖面基本与圆弧形搜索结果相对应,可见图解法预测结果与上述的通过圆弧形潜在滑面搜索结果基本上是一致的(表2.15)。

综上所述并依据圆弧形搜索法计算结果,主沟1号堆积体在水库蓄水至2140.00m情况下,将会出现整体失稳下滑,且以蠕滑拉裂的渐进式塌岸解体为特点,不会发生高速下滑。其最终塌岸范围:顺河长125m,横向宽约200m,最高后缘高程2210.00m,最终塌岸规模预计115万m3。

2.4.3.2　泥巴沟2号堆积体

1.基本地质条件

泥巴沟2号堆积体位于泥巴沟左岸,距坝址2.28km,距支沟沟口993m,地貌上为山间凹槽形态,自然坡度一般20°～40°(图2.41),该堆积体顺坡长约192m,沿河宽约119m,后缘分布高程2225.00m,前缘濒临河边。预计该堆积体厚度5～25m不等,规模约21万m3,主要为坡残积、局部崩坡积碎砾石土,碎砾石成分以千枚岩、砂质千枚岩为主,少量砂岩,总体结构较松散。据2008年4月初调查,在水库蓄水至2125.00m并在后续的水位下降过程中,环湖公路外侧地表出现少量横向拉张裂缝,但规模不大,只是在环湖公路内侧路堑边坡开挖后,边坡浅表部可见小范围塌滑。现状条件下边坡稳定性一般,蓄水后可能会对环湖公路及坡体上一户居民建筑产生不利影响。

2.边坡稳定计算工况及参数取值

如同上述边坡稳定性分析,在考虑边坡稳定性计算工况时,将重点围绕2125.00m(初期蓄水)和2140.00m(长期蓄水)两种蓄水条件,然后分别再考虑以下工况:①天然状态;②持续降雨状态;③天然+地震状态;④持续降雨+地震状态;⑤2140.00m(2125.00m)骤降5m。

根据泥巴沟2号堆积体成因(坡残积及部分崩坡积)及颗粒分析,土体定名为“含砾碎石土”,其参数取值依据可参见坡残积土取值,同时根据坡体现有变形现状所进行的边坡稳定性参数反演后,可确定出针对该堆积体相应的计算参数,即天然状态:容重γ=19.7kN/m3、C=36kPa、φ=23°;饱水状态:容重γ=21.0kN/m3、C=24kPa、φ=19°。同时针对场区地震基本烈度为8度,水平地震加速度取0.2g,地震综合影响系数取0.25。

3.计算成果与分析(按圆弧形潜在滑面搜索)

(1)蓄水2125.00m后稳定性分析计算。为了充分掌握泥巴沟2号堆积体在不同工况条件下的稳定性,在以下的稳定性计算分析中,潜在滑面同样分别按圆弧形搜索,即沿堆积体内部、沿基覆界面或沿堆积体内部-基覆界面等不同潜在滑面情况进行计算。对该堆积体稳定性分析将选其中的N2—N2'剖面进行计算,在蓄水2125.00m条件下的稳定性计算结果见表2.16及图2.42。

从表、图中可见,受坡型和基覆界面形态的影响,在蓄水2125.00m条件下,靠前缘AB潜在滑面稳定性系数比以中、后缘为代表的AC、AD潜在滑面要大一些,换言之该堆积体靠前缘部位的稳定性要好于中、后缘部位,不过在天然状态下,3处潜在滑面的稳定性系数均大于1.05,处于基本稳定和稳定状态,只是在持续暴雨状态下,AC、AD潜在滑面稳定性系数小于1,会处于失稳下滑状态。根据前述的判别标准,上述结果显示该堆积体在持久工况条件下处在稳定状态,但在暴雨短暂工况下中、后部将处于不稳定状态,存在蠕滑拉裂塌岸现象,其塌岸影响高度预测为2225.00m。

(2)从蓄水2125.00m骤降5m稳定性分析计算。对该堆积体所代表的N2—N2'剖面在蓄水2125.00m骤降5m条件下的稳定性计算结果见表2.17及图2.43。

在蓄水2125.00m骤降5m条件下,仍然表现出靠前缘AB潜在滑面稳定性比以中、后缘为代表的AC、AD潜在滑面要稍好一些,在天然状态下,3处潜在滑面的稳定性系数分别为1.116、1.032和1.096,除靠中部的AC潜在滑面小于1.05处于欠稳定状态外,其他部位均大于1.05,均处于基本稳定和稳定状态,只是在持续暴雨和地震状态下,AC、AD潜在滑面稳定性系数仍小于1,会处于失稳下滑状态。根据前述的判别标准,上述结果显示该堆积体在蓄水2125.00m骤降5m正常工况条件下以AD潜在滑面为代表的部位存在蠕滑拉裂塌岸的可能性,其塌岸影响高度预测为2225.00m。

(3)2140.00m蓄水位下稳定性分析计算。对该堆积体所代表的N2—N2'剖面在2140.00m蓄水条件下的稳定性计算结果见表2.18及图2.44。

从表、图中可见,与蓄水位2125.00m不同工况条件下的稳定性相比,由于2140.00m蓄水位基本淹没堆积体的一半高度,该蓄水位下的稳定性系数均有不同程度的增加,且各种工况条件下的稳定性系数基本上均大于1,这表明就该堆积体所处的部位而言,蓄水位的提高在一定程度上提高了对坡体的反压力,尤其是在天然状态下,3处潜在滑面(AB、AC、AD)的稳定性系数分别为1.561、1.185和1.204,且在暴雨或地震工况条件下稳定性也满足要求。根据前述的判别标准,上述结果显示该堆积体在蓄水2140.00m条件下不存在蠕滑拉裂塌岸的可能性。

(4)从蓄水2140.00m骤降5m稳定性分析计算。对该堆积体所代表的N2—N2'剖面在蓄水2140.00m骤降5m条件下的稳定性计算结果见表2.19及图2.45。

在蓄水2140.00m骤降5m天然状态下,3处潜在滑面(AB、AC、AD)的稳定性系数分别为1.336、1.082和1.136,均处于基本稳定和稳定状态;但在暴雨或地震条件下,存在沿AD或AC潜在滑面失稳的可能。根据前述判别标准,显示该堆积体在蓄水2140.00m骤降5m工况条件下(主要指在暴雨等短暂工况下),存在整体蠕滑拉裂塌岸的可能性,其塌岸影响高度预测为2225.00m。

根据上述各种蓄水条件并在不同工况状态下的稳定性系数,可得出泥巴沟2号堆积体可能存在的塌岸范围预测值,见表2.20。

从表2.20中可以得出以下认识:在几种蓄水条件下,考虑暴雨或地震等短暂或偶然工况,显示除在2140.00m蓄水下不存在整体和局部塌岸外,其余蓄水条件均存在整体塌岸的可能,尤其是2125.00m蓄水位骤降5m工况该堆积体最易塌滑,且沿堆积体中、后部发生塌岸的可能性较大。

(5)图解法塌岸预测。采用上述数据在上述按圆弧形搜索计算相同的剖面上进行了图解法预测,因泥巴沟2号堆积体属于坡残积及局部崩坡积堆积,颗粒成分与泥巴沟1号堆积体相似,但更偏粗一些。取水下和水上坡角分别为16°和30°,对N2—N2'所在剖面按2140.00m正常蓄水位进行作图预测,得出塌岸后缘高程为2225.00m。按作图法预测最终塌岸后缘与按圆弧形搜索结果相应高程一致(表2.21)。

综上所述并依据圆弧形搜索法计算结果,泥巴沟2号堆积体在水库蓄水至2140.00m、天然状态(持久工况)情况下,总体上表现出堆积体发生塌岸的可能性较小。但在暴雨或地震工况下,除在2140.00m蓄水条件下边坡整体稳定不会发生塌岸外,其余蓄水位下均存在沿堆积体中、后部塌岸下滑的可能性,尤其在低蓄水位2125.00m骤降过程中最为突出,但不会发生高速下滑。预测其最终塌岸范围:顺沟长112m,横向宽56m,最高塌岸高程2225.00m,最终塌岸规模预计21万m3。