張 全，劉愛娟，毛增產(chǎn)

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

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武都水庫下游右岸變形體裂縫成因分析及處理方法

張 全，劉愛娟，毛增產(chǎn)

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

武都水庫下游右岸護(hù)堤工程存在一定厚度的覆蓋層。由于處于大壩泄流產(chǎn)生的霧化降雨區(qū)范圍內(nèi)，大壩泄流期間覆蓋層上出現(xiàn)了多條近平行于岸坡的拉裂縫，變形現(xiàn)象嚴(yán)重。通過分析可知裂縫形成的內(nèi)因是覆蓋層土體內(nèi)存在工程性狀較差的軟弱面；外因是水庫泄洪霧化降雨軟化土體，水位抬升導(dǎo)致的下滑力、滲透力增大。穩(wěn)定性計(jì)算表明，變形體在正常運(yùn)用條件下較穩(wěn)定；在非常運(yùn)用條件Ⅰ和非常運(yùn)用條件Ⅱ下不穩(wěn)定。建議對(duì)變形體采用表層封閉、排水以及支擋、錨固等工程處理措施。

武都水庫 變形體 裂縫 霧化降雨 軟弱面

1 工程概況

武都水庫工程位于四川省江油市涪江干流上游4km處。水庫設(shè)計(jì)庫容5.72億m3，正常蓄水位658m，最大壩高120m，壩頂長736m，壩體為碾壓混凝土重力壩，壩后式電站裝機(jī)3臺(tái)，總?cè)萘繛?5萬kW。水庫下游右岸護(hù)堤工程存在一定厚度的覆蓋層。2011年9月至11月，武都水庫大壩進(jìn)入蓄水、底孔泄流時(shí)期。大壩下游一定范圍內(nèi)霧化作用強(qiáng)烈，右側(cè)位于霧化降雨區(qū)內(nèi)的覆蓋層岸坡出現(xiàn)多條平行或近平行于岸坡的拉張裂縫，裂縫長達(dá)17m～110m，寬約3cm～40cm，裂縫兩側(cè)高差達(dá)2cm～40cm，可見深度達(dá)1m，開裂變形現(xiàn)象嚴(yán)重，在一定區(qū)域內(nèi)形成變形體。隨著泄洪停止，變形體的變形逐漸趨于平緩，該變形體若失穩(wěn)將嚴(yán)重影響武都水電站正常運(yùn)行和下游兩岸邊坡的安全[1]。變形體位置如圖1所示。

2 變形體地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

變形體位于唐王寨向斜南東翼，龍門山斷層苦竹溝斷裂(F7)與望鄉(xiāng)臺(tái)斷裂(F9)之間。該處巖層走向?yàn)镹54°E、傾角為NW∠70°，局部巖層褶曲比較嚴(yán)重。變形體內(nèi)巖石軟硬相間，順層方向發(fā)育層間軟弱夾層，巖體內(nèi)發(fā)育6組構(gòu)造裂隙。

圖1 武都水庫右岸變形體位置

變形體大致以F7斷層和下游沖溝邊緣為邊界，后緣至597m高程R2公路內(nèi)側(cè)附近，前緣至580m高程公路外側(cè)坡體處。變形體所處位置為斜坡坡腳地帶，斜坡坡角為15°～20°，原始地形呈臺(tái)階狀。高程575m以下為一級(jí)階地、漫灘堆積，坡前緣較陡，坡角為25°～28°、坡高為5m～6m。

變形體及其鄰近范圍內(nèi)巖土體成因多樣，物質(zhì)組成復(fù)雜，主要出露地層如下：

(1)第四系全新統(tǒng)人工堆積的塊碎石夾粉質(zhì)粘土(Q4s)，分布于坡體表層，厚1m～5m，結(jié)構(gòu)松散，局部架空；

(2)第四系坡積粘土夾塊碎石(Q4dl)，塊碎石以灰?guī)r為主且分布極不均勻，在平面及垂直方向均有變化，含量一般為5%～22%，在變ZK1和變ZK2處局部含量較高，可達(dá)35%～60%。坡積粘土以可塑狀為主，土體局部發(fā)育有網(wǎng)紋裂隙，沿裂隙面存在黑色鐵錳質(zhì)膜，坡積粘土具有孔隙比大于1、干密度小、粘粒含量高、塑性指數(shù)高的物理特點(diǎn)，具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性中等、透水性弱～中等的力學(xué)特征。該地層厚3m～5.9m；

(3)第四系殘積粉質(zhì)粘土(Q4el)，顏色一般較深，含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r等，為軟巖全風(fēng)化產(chǎn)物。該層下部碎屑顆粒增多，可塑狀為主，厚約2.26m～6.70m，以變ZK1～變ZK3一線較厚；

(4)第四系近代河流沖積弱膠結(jié)砂礫卵石層(Q41al)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，厚約1m～4m。河床及漫灘堆積物(Q42al)內(nèi)疊于近代河流沖積層上部，為砂礫卵石層，結(jié)構(gòu)稍密，透水性強(qiáng)；

(5)變形體前緣坡腳地帶的塊碎(卵)石層，沖積、人工棄渣崩垮形成的混合堆積物(Q4)，厚約4.6m～6.6m，塊碎石含量40%～70%，塊碎石構(gòu)成的骨架間充填黃色粘土、中粗砂、礫、少量紅色磚屑等，粘土多為可塑狀，層內(nèi)組成物質(zhì)均一性差，結(jié)構(gòu)松散，局部架空。

變形體所處地帶巖體風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.5m～13m，變ZK2處厚度最大，變ZK4、變ZK3處較薄為1.5m～3m，強(qiáng)風(fēng)化巖體為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。弱風(fēng)化帶厚約8.3m～14.9m，弱風(fēng)化、新鮮巖體為中～薄層狀巖體結(jié)構(gòu)。

變形體下伏基巖有三疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)的鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r、結(jié)核狀灰?guī)r、結(jié)核狀白云質(zhì)灰?guī)r、中～薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等。

變形體內(nèi)未見承壓水，地下水以覆蓋層及基巖孔隙潛水為主，局部可溶巖沿裂隙、溶隙富存有巖溶水。覆蓋層滲透系數(shù)K=3.8×10-5cm/s～3.7×10-4cm/s，屬弱～中等透水層。強(qiáng)風(fēng)化巖體滲透系數(shù)K=1.1×10-4cm/s～7.2×10-3cm/s，屬中等透水巖體，局部可溶巖中溶隙發(fā)育，為強(qiáng)透水，隨著基巖埋深加大，透水性逐漸減弱，至弱透水、微透水層。

2.2 變形范圍及其特征

變形體組成物質(zhì)與成因比較復(fù)雜，從上至下分別為人工堆積、坡積、殘積等，前緣下部有近、現(xiàn)代河流沖積堆積分布，各土層界面緩傾江心。下伏基巖以碎屑巖為主，風(fēng)化、卸荷較嚴(yán)重，可溶性巖石呈夾層狀分布，其巖溶不發(fā)育，基巖層理構(gòu)造發(fā)育，層面較陡，傾山內(nèi)及上游，巖體結(jié)構(gòu)特征對(duì)基巖坡體穩(wěn)定起控制作用。取樣試驗(yàn)表明，坡積土層中的粘土夾塊碎石抗剪強(qiáng)度最低。鉆探成果顯示，坡積土層底部局部存軟塑狀，并見局部剪切蠕滑跡象，變形體蠕動(dòng)變形的底界面位于坡積物底部附近。

受變形特征控制，變形拉張裂縫的分布區(qū)域即為變形體的范圍，上游以F7斷層為邊界，下游近于原沖溝邊緣附近，后緣為597m高程以上R2公路內(nèi)側(cè)排水溝附近，前緣至580公路外側(cè)坡體。變形體長83m～100m、寬92m～117m，厚約5m～10.6m，變形體方量約7.29萬m3。

變形體上的拉張裂縫多分布于地形臺(tái)階的內(nèi)、外側(cè)附近，以597m高程以下R2公路、580公路內(nèi)、外側(cè)變形較大。長大裂縫延伸方向N3°～13°E、N5°～22°W，與其垂直方向的裂縫延伸較短，長大裂縫端部有斜向裂縫分布，延伸也較短，變形體變形方向與長大裂縫近于垂直。據(jù)測(cè)線變形觀測(cè)成果，右岸霧化變形體整體有向東南位移的趨勢(shì)，變形體主變形方向?yàn)橄驏|略偏南。

公路內(nèi)側(cè)的漿砌塊石部位出現(xiàn)大量拉張裂縫，局部塊石外凸。坡積土體底部局部含水量增大，土體呈可塑～軟塑狀，并發(fā)生局部剪切蠕滑，鉆孔揭示蠕滑帶最大厚度約1.04m。變形體的主要變形特征為地表出現(xiàn)拉張裂縫、漿砌塊石拉裂局部外凸、土層底部蠕變滑移等，地表未見崩塌、垮塌及滑塌現(xiàn)象發(fā)生。

3 裂縫成因分析

鉆探資料顯示，變形體覆蓋層厚約7.6m～15.2m，可分為三層土體。中層坡積粘土夾塊碎石的上、下界面在580公路外側(cè)有臨空面，坡積物底部界面為蠕變帶的位置。變形體前緣坡積、殘積土體內(nèi)及分界面上未見明顯變形跡象，變形體中部與后部的坡積物底部形成了局部滑動(dòng)面或剪切塑性變形帶。因此，從變形體的物質(zhì)組成及各巖土體分界面推斷，坡積物頂部和底部與殘積物底界面易失穩(wěn)變形。

泄洪與監(jiān)測(cè)記錄都表明裂縫與位移的增長與泄洪霧化有關(guān)。2011年9月至11月武都水庫大壩泄洪，11月初，580公路與R2公路內(nèi)側(cè)漿砌塊石護(hù)坡相繼產(chǎn)生開裂與外凸變形，11月底，580公路與R2公路597m以上高程處的外邊緣裂縫已達(dá)40cm寬，局部裂縫可見深度可達(dá)40cm～100cm，變形體變形特征非常明顯。2011年12月武都水庫大壩停止泄流，此后變形體的變形量逐漸減少，但局部變形仍在緩慢發(fā)展。因此，大壩泄流產(chǎn)生的霧化降雨是覆蓋層坡體產(chǎn)生裂縫的主要原因。

總之，變形體裂縫的形成內(nèi)因是覆蓋層土體內(nèi)存在工程性狀較差的軟弱面，主要位于坡積粘土夾碎塊石土層內(nèi)以及其與上下土體的交界面處。外因是水庫泄洪產(chǎn)生的霧化降雨軟化了土體，地下水位升高，變形體內(nèi)滲透力與下滑力均有增大，最后導(dǎo)致裂縫與變形的發(fā)生、發(fā)展。

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 變形范圍

變形體地表變形特征主要是拉張裂縫，變形體的平面范圍與其變形特征相適應(yīng)，上游以F7斷層為界，下游近沖溝附近，后緣為高程597m以上公路，前緣至580公路外側(cè)坡體處。鉛直剖面上坡積土層的工程性狀(如各種含水狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度)較其上、下土層差，且土層界面臨空。因河水沖淘作用，臨涪江側(cè)坡腳處的坡度較大。鉆探成果表明坡積土體底部附近含水量較大，呈可塑～軟塑狀，有蠕滑所產(chǎn)生的擦痕及泥膜光面出現(xiàn)，變形體下部控制面為坡積土層底部。

現(xiàn)場調(diào)查表明，580公路外側(cè)未見剪出口，也未見地下水浸潤或集中滲水點(diǎn)，580公路勘探孔鉆進(jìn)過程中也未見植物膠等從坡腳滲出。變形體僅于中、后部與坡積土層底部形成塑性剪切帶，局部有向江邊推擠、壓縮的現(xiàn)象，地表土體被拉裂，產(chǎn)生變形，坡積土層底部未形成貫通性剪切帶，變形體處于蠕動(dòng)變形階段。

4.2 反演分析

沿變形較大方向布置變Ⅰ與變Ⅱ兩條剖面，剖面上布鉆孔、觸探孔和探坑并在勘探點(diǎn)處取巖土試樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，查明了變形體巖土體的物質(zhì)組成和界面形態(tài)。變形體的潛在滑動(dòng)面應(yīng)位于過變ZK1、變ZK3的殘積、坡積土層中。根據(jù)巖土體含水與固結(jié)狀態(tài)，將殘余強(qiáng)度指標(biāo)折算并考慮均一性等情況綜合確定殘積與坡積土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(見表1)。將勘探期間的河水位及鉆孔終孔水位作為地下水位線的位置。利用Slide5.0計(jì)算程序，分畢肖普法和詹布法兩種方法模擬潛在滑動(dòng)面。

表1 力學(xué)參數(shù)表

模擬結(jié)果顯示：變形體整體穩(wěn)定系數(shù)界于1.026～1.169之間，潛在滑面過變ZK1、變ZK3坡積物底部，見圖2與圖3。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386-2007)，變形體蠕動(dòng)滑移階段取穩(wěn)定系數(shù)為1～1.05。模擬圖及規(guī)范均表明，表1所列力學(xué)參數(shù)可作為變形體穩(wěn)定性分析的地質(zhì)參數(shù)，建議使用該表中的數(shù)值作為變形體物理力學(xué)參數(shù)建議值進(jìn)行工程整治設(shè)計(jì)，潛在滑動(dòng)面為過變ZK1、變ZK3坡積底部的非圓弧滑面。

圖2 天然工況變Ⅰ剖面潛在圓弧滑面位置及穩(wěn)定系數(shù)

圖3 天然工況變Ⅱ剖面潛在圓弧滑面位置及穩(wěn)定系數(shù)

4.3 穩(wěn)定性計(jì)算與分析

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386-2007)對(duì)水利水電工程邊坡級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將武都水庫下游右岸變形體劃分為5級(jí)邊坡。利用河海大學(xué)的Autobank7.0計(jì)算程序?qū)ψ冃误w進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算采用畢肖普方法。變形體潛在滑動(dòng)面位置位于過變ZK1、變ZK3坡積底部的非圓弧滑面。采用正常運(yùn)行條件、非常運(yùn)行條件Ⅰ、非常運(yùn)行條件Ⅱ三種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。巖土體力學(xué)參數(shù)選自表1，地震動(dòng)峰值加速度取0.15g，計(jì)算結(jié)果如表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，變形體天然狀態(tài)工況安全系數(shù)為1.03～1.08，該工況下相對(duì)較穩(wěn)定；正常+霧化及正常+地震條件下安全系數(shù)分別為0.99、0.91～0.956，均小于規(guī)范值，表明武都水庫泄洪霧化及地震條件下變形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。且由于變形體穩(wěn)定模擬計(jì)算中未考慮變形體表部拉張裂縫充水等不利影響，需對(duì)變形體進(jìn)行加固處理才能確保進(jìn)場公路安全，避免變形體失穩(wěn)堵塞河道，影響武都水庫安全行洪。

表2 變形體穩(wěn)定性計(jì)算成果

定性及定量分析、近幾年臨時(shí)觀測(cè)、淺部拉張裂縫統(tǒng)計(jì)等均表明：變形體在天然工況下整體較穩(wěn)定；在武都水庫泄洪霧化及地震時(shí)穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因每年汛期泄洪霧化作用，如今變形體的變形仍在繼續(xù)發(fā)展，塑性剪切帶的范圍還在持續(xù)擴(kuò)大。隨著時(shí)間推移，在大壩反復(fù)泄洪霧化降雨作用下，變形體前緣土體不斷被沖淘，變形體坡體后退，塑性剪切帶擴(kuò)大從而形成可能貫通的潛在滑動(dòng)面，坡體會(huì)以滑坡形式失穩(wěn)。

5 結(jié)論

武都水庫右岸下游變形體在水庫泄洪霧化時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，變形體上游分布有武都水庫大壩及其底層灌漿平洞、573排水洞；變形體上分布有580公路、R2公路，兩公路是大壩運(yùn)行期間安全檢查的通道，對(duì)水庫大壩的安全運(yùn)行有重要作用；變形體失穩(wěn)也會(huì)影響武都水庫大壩泄洪，需對(duì)變形體進(jìn)行加固處理。

根據(jù)變形原因分析和穩(wěn)定性計(jì)算成果，建議對(duì)變形體上新出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行封閉處理，對(duì)坡面進(jìn)行防滲處理，完善坡體的排水系統(tǒng)，降低雨水入滲率；同時(shí)按勘探成果計(jì)算變形體的剩余下滑力，對(duì)變形體采取支擋、錨固等工程處理措施。

〔1〕四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 四川武都引水第二期工程武都水庫下游護(hù)堤及右岸變形體處理設(shè)計(jì)[R]. 成都：四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2013.

〔2〕SL386-2007. 水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S]北京：中國水利水電出版社，2007.

張 全，女，四川資陽人，工程師，從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)工作。

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