符新閣, 應(yīng)敬浩, 田 樂

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

三門峽西段村水庫泄洪洞—消力池部位黃土岸坡穩(wěn)定性分析

符新閣, 應(yīng)敬浩, 田 樂

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

西段村水庫位于黃河支流的澗河上,大壩右岸消力池部位黃土岸坡施工過程中出現(xiàn)失穩(wěn)變形現(xiàn)象,致使消力池施工被迫停止。為保證安全,需對消力池及上游右壩肩至泄洪洞出口段黃土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價,為此,開展了必要的地質(zhì)研究工作,并應(yīng)用計(jì)算軟件進(jìn)行了分析計(jì)算,提出了針對性的處理措施。本研究成果在工程中的應(yīng)用,解決了關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題和難題,為節(jié)省投資,加快施工進(jìn)度以及防治地質(zhì)災(zāi)害提供了依據(jù)。

消力池；黃土邊坡；穩(wěn)定性分析

三門峽西段村調(diào)蓄水庫位于黃河一級支流的澗河上,是中西部某市為解決當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水的省級重點(diǎn)工程。該水庫為均質(zhì)土壩,最大壩高45.6 m,總庫容2 970×104m3,為中型水庫。主體工程布置于右岸,主要由泄洪洞、輸水洞、溢洪道及消力泄水明渠等組成,建筑物級別為二級。2002年4月,在施工過程中,消力池黃土邊坡局部出現(xiàn)變形。為確保工程安全地運(yùn)營,需對該段黃土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行必要的分析評價。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

西段村水庫泄洪洞—消力池區(qū)段位于一近南北向黃土梁東側(cè)的黃土岸坡處,在地貌單元上屬黃土丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)溝谷縱橫、岸坡陡立,黃土塬、梁等地貌形態(tài)交錯分布。地形起伏較大,地面高程一般在535～584 m。常年有水的澗河自北西向南東從邊坡左側(cè)前緣通過本區(qū),河谷開闊,呈不對稱的“U”型,并發(fā)育有Ⅰ、Ⅱ級階地,左岸階地出露齊全,右岸Ⅱ級階地大部分缺失。右岸黃土梁梁頂平坦寬闊,周邊岸坡較為高陡,上部近于直立,坡高近50 m,自然坡角一般30°～40°。左岸為漫灘及階地組成的寬緩黃土斜坡。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單,地層穩(wěn)定,僅見有Q3黃土中的垂直裂隙與Q2黃土中的網(wǎng)紋狀裂隙,未見有斷層等構(gòu)造形跡出現(xiàn)。出露地層除河谷中有少量的Q4砂礫石和黃土外,基本上為近水平沉積的巨厚層Q2淺褐紅色粉質(zhì)粘土和Q3棕黃色粉質(zhì)粘土所覆蓋,未見基巖出露。

本區(qū)地下水埋藏較深,主要受大氣降水及西北山體地下水的補(bǔ)給,澗河為本區(qū)唯一地表徑流水源,常年有水,枯水季節(jié)流量一般在0.3 m3/s,常水位高程535 m左右,為本區(qū)地下水排泄基準(zhǔn)面。根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn),本區(qū)土體河床底部含砂礫石透鏡體粘土層的滲透系數(shù)相對較大,達(dá)3×10-4cm/s,屬中等透水層外；其余粉質(zhì)粘土層及含鈣質(zhì)結(jié)核粘土層,滲透系數(shù)(k)大多為10-5～10-8cm/s,均為弱—微透水層。

區(qū)內(nèi)分布的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為崩塌和滑坡。崩塌主要發(fā)生在右岸黃土陡坎處,崩塌后的黃土堆積于岸坡下部,常成為塌岸的主要物質(zhì)?；聞t位于二級消力池處,為一自然形成的黃土滑坡,寬約150 m,長85 m左右,平面上呈橢圓形,約8×104m3,屬小型滑坡。

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05～0.1g,對應(yīng)地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

西段村水庫泄洪洞—消力池區(qū)段地質(zhì)圖見圖1。

2 穩(wěn)定性分析與評價

2.1 定性分析

西段村水庫泄洪洞出口—消力池段全長267.8 m,設(shè)計(jì)有兩級半消力池、海漫和陡坡,高程由543～528.8 m。右岸邊坡由澗河右岸高陡黃土梁開挖而成,總長約200 m,坡向129°,坡高40～50 m,設(shè)計(jì)坡比為1∶0.75,每12 m高開挖一條寬4 m的馬道,坡面不再作加固處理。2002年4月,邊坡已基本開挖到位。

圖1 西段村水庫泄洪洞至消力池區(qū)段地質(zhì)圖Fig.1 The geological map of the spillway tunnel to stilling basin in the Xiduancun reservoir1.人工堆積土；2.(河漫灘)沖洪積土；3.滑動堆積土；4.(黃土梁)沖洪積土；5.崩積土;6.滑坡體。

地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)黃土失穩(wěn)變形主要發(fā)生在二級消力池上部,該部位歷史上曾發(fā)生過多次滑動,為一黃土老滑坡,現(xiàn)狀條件下的變形失穩(wěn)主要是對老滑坡體坡腳的開挖造成的重新復(fù)活,已作專題研究和處理。本文研究的該滑坡之外的黃土岸坡,組成物質(zhì)主要為Q2老黃土,且含鈣質(zhì)結(jié)核層,土體密實(shí),透水性差,強(qiáng)度相對較高,自穩(wěn)能力好。經(jīng)調(diào)查,除局部陡立(自然坡角一般>45°)岸坡上部有少量崩塌外,幾十年來未見有明顯的變形痕跡,自然狀況下是穩(wěn)定的。

2.2 定量分析

開挖后的泄洪洞出口—消力池右岸邊坡,坡度變陡、臨空面增大,原有的力學(xué)平衡狀態(tài)被改變。水庫蓄水后,由于地下水位抬升,土體重度增加、抗剪強(qiáng)度降低、土體滲透壓力也會對岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。隨著環(huán)境地質(zhì)條件的改變,各種影響邊坡穩(wěn)定性因素的增加,需對消力池開挖邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行必要的分析評價。

2.2.1 計(jì)算方法選擇

消力池右岸邊坡以粉質(zhì)粘土為主夾有較多的鈣質(zhì)結(jié)核,考慮到鈣質(zhì)結(jié)核未膠結(jié)形成穩(wěn)定的層,可作為計(jì)算分析的安全儲備,整個岸坡可作為單層均質(zhì)土坡來進(jìn)行穩(wěn)定性分析。目前,國際國內(nèi)對于均質(zhì)土坡穩(wěn)定性分析多采用畢肖普法與瑞典條分法,此兩種方法工程實(shí)例比較多,有成熟先進(jìn)的計(jì)算分析軟件,對于黃土均質(zhì)土坡比較適合[1]。

2.2.2 計(jì)算模型建立

計(jì)算選取垂直于坡向的E-E′(圖2)、F-F′剖面(圖3),兩剖面為消力池岸坡區(qū)的兩種典型坡型,基本代表了岸坡區(qū)地質(zhì)條件,滿足穩(wěn)定性分析要求。因此,選擇E-E′、F-F′剖面作為典型剖面來進(jìn)行岸坡的穩(wěn)定計(jì)算是合適的。

由于土質(zhì)岸坡失穩(wěn)多沿最危險弧形面滑動,選定剖面處岸坡驟然變陡的坡腳點(diǎn)作為計(jì)算原點(diǎn),按照消力池右岸邊坡設(shè)計(jì)開挖坡度的原型建立相應(yīng)的計(jì)算剖面。給出計(jì)算原點(diǎn)、上下土層的參數(shù)值,包括厚度(h)、重度(γ)及抗剪強(qiáng)度(c、φ)等,運(yùn)用畢肖普法與瑞典條分法,搜索計(jì)算出該剖面在此模型下的最危險圓弧滑動面的圓心、半徑及安全系數(shù)。另外,在考慮地下水作用時,按前述分析工況及設(shè)計(jì)高水位時可能的繞壩滲漏情況等給出地下水面線的起始原點(diǎn)及形狀、土體飽和重度(γsat)參與計(jì)算分析；考慮地震作用影響時,按天然狀況和設(shè)計(jì)高水位兩種情況分別與Ⅶ度地震烈度進(jìn)行綜合分析。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)選擇

土體抗剪強(qiáng)度以原狀土樣UU試驗(yàn)成果為基礎(chǔ),根據(jù)原地形條件下的邊坡長期穩(wěn)定情況,反演分析了土體的強(qiáng)度參數(shù)；經(jīng)對比分析,并結(jié)合其它工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)類比,確定了土的天然狀態(tài)下物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)[2]。

圖2 E-E′剖面推測最危險滑動面計(jì)算示意圖Fig.2 The schematic diagram of the most dangerous sliding surface of the E-E′ profile

圖3 F-F′剖面推測最危險滑動面計(jì)算示意圖Fig.3 The schematic diagram of the most dangerous sliding surface of the F-F′ profile

力學(xué)參數(shù)選擇為c=45 kPa,φ=22°；岸坡為均質(zhì)土坡,根據(jù)試驗(yàn)成果土體含水率較高,考慮水庫蓄水影響,土的重度(鈣質(zhì)結(jié)核因素)取大值平均,確定在天然狀態(tài)下,土體重度γ=19.6 kN/m3,土體飽和重度γ=20.0 kN/m3；在考慮水庫蓄水影響時,根據(jù)設(shè)計(jì)資料,利用上下游的水位差(577.8～544.5 m)和平距(140 m),計(jì)算出水庫滲漏的水力坡度i=0.24,以此坡度作為岸坡中地下水的水力坡度；地震影響按Ⅶ度地震烈度計(jì)算,地震水平加速度取0.1g。各計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 泄洪洞—消力池段黃土邊坡土的物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 The soil physical and mechanical parameters of the loess slope which in the spillway tunnel to the stilling basin section

2.2.4 計(jì)算結(jié)果及評價

應(yīng)用成熟的邊坡穩(wěn)定分析軟件,在自然狀態(tài)和蓄水后地下水影響兩種狀態(tài)下,對消力池右岸邊坡的E-E′、F-F′剖面分別進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)果見表2、表3。

表2 E-E′剖面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 2 The stability calculation results of E-E′ profile

表3 F-F′剖面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 3 The stability calculation results of F-F′ profile

計(jì)算結(jié)果顯示：在不考慮地震作用,設(shè)計(jì)開挖邊坡為自然條件下,各種計(jì)算方法所得穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果均>1,設(shè)計(jì)開挖邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]地下水的影響時,略>1,處于基本穩(wěn)定狀態(tài)或平衡狀態(tài)；地震因素對邊坡的穩(wěn)定性影響比較顯著,在考慮Ⅶ度地震烈度影響時,安全系數(shù)接近于1(0.95～1.02),說明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

由于畢肖普法計(jì)算時考慮了塊體間的側(cè)向力,計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際,瑞典條分法沒有考慮塊體間的側(cè)向力,計(jì)算結(jié)果偏于保守。同時,計(jì)算分析應(yīng)用UU試驗(yàn)參數(shù),與有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果相比也偏于安全。

3 處理措施

由于設(shè)計(jì)開挖邊坡雖在天然狀況下處于穩(wěn)定狀態(tài),但在考慮地下水，尤其在考慮地震工況時,安全裕度不大。因此,建議適當(dāng)放緩坡度或結(jié)合坡腳處海漫、消力池的混凝土邊墻支護(hù)等工程進(jìn)行適當(dāng)加固處理,并注意坡面排水等,以保證工程的安全運(yùn)營?，F(xiàn)狀條件下,根據(jù)地質(zhì)建議采取1∶1.1左右的綜合開挖坡比,并結(jié)合坡腳處海漫、消力池的混凝土邊墻支護(hù)措施后,黃土邊坡的穩(wěn)定性滿足了工程要求。

4 結(jié)語

西段村水庫泄洪洞口—消力池段黃土邊坡自然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),該二級消力池部位施工過程中的黃土岸坡變形屬一老黃土滑坡的重新復(fù)活。設(shè)計(jì)開挖的泄洪洞出口—消力池段黃土邊坡現(xiàn)狀條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),考慮最不利的工況條件,即發(fā)生Ⅶ度地震和水庫蓄水至設(shè)計(jì)洪水位時邊坡的穩(wěn)定系數(shù)偏低,安全裕度不大。建議適當(dāng)放緩坡度或增加其它加固措施,并注意坡面排水等,以保證工程的安全運(yùn)營。目前,根據(jù)地質(zhì)建議采取1∶1.1左右的綜合開挖坡比,并結(jié)合坡腳處海漫、消力池的混凝土邊墻支護(hù)措施后,黃土邊坡的穩(wěn)定性滿足了工程要求,經(jīng)受了近十年的運(yùn)行考驗(yàn),穩(wěn)定狀況良好。

研究成果在為解決關(guān)鍵性工程地質(zhì)等問題提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐的同時,也為類似工程的黃土邊坡設(shè)計(jì),提供了良好的借鑒。

[1] 潘家崢.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京：水利出版社,1980.

[2] 應(yīng)敬浩，張書光，郭衛(wèi)新.三門峽西段村水庫消力池滑坡特征及穩(wěn)定性分析評價[J].資源環(huán)境與工程,2009，23(5):637-639.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

The Loess Slope Stability Analysis of Spillway Tunnel to Stilling Pool in the Xiduan Village Reservoir Which is the Key Project of Sanmenxia

FU Xinge, YING Jinghao, TIAN Le
(YellowRiverEngineeringConsultCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The Xiduan village reservoir located in the Jian river which is the Yellow River tributaries,the buckling deformation in the loess slope which located on the right bank of the dam stilling pool appears in the process of construction,which was forced to stop the construction of the stilling pool. In order to ensure the safety,it must analyze the slope stability which located in the stilling pool and the upstream right abutment to the export of flood discharging tunnel,so the necessary geological researches and the analysis calculations were carried out,the treatment measures were put forward at last. This research is applied in the project,solved the key issues and problems of engineering geology. It provides basis for saving investment,accelerating the construction process,prevention and controlling the geological disasters.

stilling pool;loess slope;stability analysis

2014-09-17；改回日期：2014-11-07

符新閣 (1967-),男，高級工程師,碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察、研究工作。E-mail:Fuxg@yrec.cn

P642

A

1671-1211(2015)01-0055-04

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20141229.0937.003.html 數(shù)字出版日期:2014-12-27 09:37