□劉建磊□王泉偉□周益民（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

東莊水庫(kù)壩前堆積體成因機(jī)制分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

□劉建磊□王泉偉□周益民（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

文章在分析堆積體物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征等地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)壩前堆積體的成因機(jī)制、潛在變形破壞模式進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究。結(jié)果表明，該堆積體主要在地形、構(gòu)造、風(fēng)化卸荷等因素作用下，巖體碎裂沿坡堆積，受河水及雨水等沖刷，進(jìn)一步溶蝕膠結(jié)，逐步演化成如今的結(jié)構(gòu)及外部特征。采用極限平衡法進(jìn)行了計(jì)算，堆積體整體較穩(wěn)定，在暴雨和水位降落工況下，穩(wěn)定性欠佳，對(duì)頂部進(jìn)行削坡處理后，穩(wěn)定性滿足要求。

東莊水庫(kù)；堆積體；成因機(jī)制；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1 引言

東莊水庫(kù)位于陜西境內(nèi)涇河下游峽谷段，混凝土雙曲拱壩，最大壩高230m，正常蓄水位789m，總庫(kù)容30.60億m3，工程等別為I等，工程規(guī)模為大（1）型。左岸近壩庫(kù)段分布有一崩塌堆積體，距壩軸線較近，對(duì)大壩及附屬建筑物布置有一定影響，一旦失穩(wěn)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此開(kāi)展穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)工作十分必要。

2 堆積體工程地質(zhì)條件

2.1 空間分布特征

堆積體位于大壩上游左岸,緊臨圍堰和導(dǎo)流洞進(jìn)口，下游端距壩軸線約120m。坡面近直立，坡腳臨水，出露高程592～709m，順河長(zhǎng)160m，分布寬一般10～30m，初估方量約9.60×104m3。

2.2 物質(zhì)組成特征

地質(zhì)調(diào)查和勘探平洞揭露，地表堆積體邊界灌木植被叢生，界線清晰。堆積體物質(zhì)主要由塊徑大小不一的灰?guī)r巖塊組成，塊徑一般0.20～0.40m，最大可達(dá)數(shù)米，探洞內(nèi)可見(jiàn)原巖節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，偶見(jiàn)連續(xù)延伸。巖塊嵌合較緊密，巖塊間多充填淡黃色鈣質(zhì)和次生紫紅色粘土，泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主，具有松動(dòng)后臨坡堆積特征。表層物質(zhì)受大氣降雨、河水強(qiáng)烈沖刷，面蝕風(fēng)化作用顯著，巖塊接觸處泥鈣質(zhì)膠結(jié)較好，形成了獨(dú)特的表層“硬殼”狀結(jié)構(gòu)。

2.3 結(jié)構(gòu)特征

地表調(diào)查和探洞揭露，堆積體表層數(shù)米主要為散體狀、碎裂狀塊石，以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，多充填淡黃色鈣質(zhì)和次生紫紅色粘土，溶蝕化后呈“硬殼”狀。以里為碎裂狀灰?guī)r巖塊，嵌合較緊密，原巖結(jié)構(gòu)基本已破壞，局部原巖節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面尚清晰可見(jiàn)，但延伸性很差。

3 形成機(jī)制分析

堆積體形成并保持現(xiàn)今的地貌及結(jié)構(gòu)特征，是受地形、構(gòu)造、風(fēng)化卸荷、河水及降水等內(nèi)外因素綜合作用并逐步演化的結(jié)果內(nèi)在因素：在涇河演變史上，河流快速下切，兩岸多形成高陡的峭壁，為卸荷松弛變形破壞提供了有利的地形條件。f55斷裂從堆積體后緣通過(guò)，成組陡傾大裂隙及節(jié)理發(fā)育，原巖遭受破壞，巖體較為破碎，為松弛堆積提供了物源基礎(chǔ)。

外部因素：在風(fēng)化卸荷外部營(yíng)力作用下，節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的弱化進(jìn)程進(jìn)一步加劇，并隨著時(shí)間的推移不斷向深處發(fā)展，碎裂巖體不斷松弛變形，最先在淺表部位發(fā)生規(guī)模不等的崩塌掉塊，崩塌物質(zhì)沿坡面堆積，內(nèi)部巖體持續(xù)松動(dòng)變形，但未發(fā)生大的錯(cuò)動(dòng)塌落，呈嵌合狀結(jié)構(gòu)特征。在雨水河水沖刷、河水漲落等作用下，表層松散物質(zhì)不斷被沖刷帶走，同時(shí)也不斷加劇堆積體表層巖塊的溶蝕化進(jìn)程，局部崩塌堆積體架空，充填淋濾的粘土、巖屑等，淺表塊體接觸部位被鈣質(zhì)膠結(jié)，形成表層“硬殼”狀結(jié)構(gòu)，使堆積物保持著如今近直立的外部特征。

4 穩(wěn)定性計(jì)算分析

堆積體以碎裂結(jié)構(gòu)為主，坡面為碎塊石與泥鈣質(zhì)膠結(jié)而成的近直立陡峻峭壁，現(xiàn)狀條件下保持穩(wěn)定，經(jīng)受汛期洪水也未發(fā)生大規(guī)模的塌滑破壞，僅見(jiàn)局部零星的崩塌掉塊現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較好。

考慮到堆積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及岸坡特征，潛在破壞模式可能為卸荷碎裂狀巖體內(nèi)部圓弧型滑動(dòng)和沿卸荷碎裂巖體邊界的復(fù)合型滑動(dòng)。經(jīng)改進(jìn)的Morgenstern-Price嚴(yán)格條分法，適用于圓弧形和非圓弧形，不僅考慮了條塊底面的粘聚力和摩擦力，更考慮了條塊間的法向力、切向力、豎向和水平地震慣性力，尤其是對(duì)較陡的滑面更具適用性。因此本次計(jì)算采用經(jīng)改進(jìn)的Morgenstern-Price嚴(yán)格條分法，選取代表性的主滑剖面1-1′（圖1），對(duì)內(nèi)部圓弧型和沿相對(duì)卸荷碎裂巖體邊界進(jìn)行滑面搜索，找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 1-1'計(jì)算剖面模型圖

4.1 計(jì)算模型

從地質(zhì)模型分析，堆積體物質(zhì)主要塊徑大小不一的碎裂、塊裂狀碎塊石組成，膠結(jié)程度較好，沒(méi)有連續(xù)的控制性軟弱結(jié)構(gòu)面，經(jīng)整體和局部圓弧型滑移搜索，其穩(wěn)定系數(shù)較高，基本不存在內(nèi)部局部圓弧型滑移的可能，其潛在滑移模式為沿卸荷碎裂巖體界面的滑移。

4.2 計(jì)算參數(shù)

堆積體物質(zhì)組成制樣和試驗(yàn)難度大，很難通過(guò)試驗(yàn)得到可靠的物理力學(xué)參數(shù)。因此在選擇計(jì)算參數(shù)時(shí)，根據(jù)堆積體物質(zhì)的相對(duì)破碎結(jié)構(gòu)特征，采用基于GSI的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)方法確定巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

Hoek-Brown準(zhǔn)則是建立在巖體非線性破壞經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用拋物線來(lái)擬合巖體破壞時(shí)的數(shù)據(jù),適用于法向拉應(yīng)力和法向壓應(yīng)力下的破壞條件，其準(zhǔn)則計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：σ1、σ3為破壞時(shí)的有效最大、最小應(yīng)力，σc為完整巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度；

mb、s、a為巖體的Hoek-Brown常量，它們均可表示為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的函數(shù)，其中mb為巖體的Hoek-Brown常數(shù)，s、a為表征節(jié)理巖體材料特征的常數(shù)：

式中：D為巖體擾動(dòng)參數(shù)，取值介于0～1之間，0代表未擾動(dòng)。

根據(jù)針對(duì)堆積體巖性及結(jié)構(gòu)特征，參考?jí)沃穮^(qū)灰?guī)r室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果，灰?guī)r巖塊取mi=10，GSI=40。利用公式(1)-(4)計(jì)算出堆積體天然狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)為：

綜合規(guī)范提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和采用基于GSI的Hoek-Brown準(zhǔn)則計(jì)算的力學(xué)參數(shù)，最后選用天然狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)：

飽和參數(shù)進(jìn)行一定的折減（c折減0.60～0.70，φ值降低5°），飽和內(nèi)聚力c取185kPa，飽和內(nèi)摩擦角φ取35°。

4.3 計(jì)算工況及荷載組合

計(jì)算工況主要考慮天然狀態(tài)，暴雨，河水位漲落等因素，其計(jì)算工況組合方式見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況組合方式表

4.4 計(jì)算方法

根據(jù)水工建筑物級(jí)別、崩塌堆積體邊坡與水工建筑物的相互關(guān)系及邊坡失穩(wěn)后對(duì)建筑物的影響程度，劃定為4級(jí)邊坡，計(jì)算方法采用Morgenstern-Price嚴(yán)格條分法。

4.5 穩(wěn)定性計(jì)算成果

采用上述方法進(jìn)行計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算成果表

4.6 穩(wěn)定性分析

4.6.1 極限平衡法計(jì)算結(jié)果分析

工況一至工況三，穩(wěn)定性系數(shù)＞1.15（安全系數(shù)），堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有一定的安全裕度。

工況四，穩(wěn)定性系數(shù)略大于安全系數(shù)1.10，堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備較小。

4.6.2 經(jīng)歷歷史洪水穩(wěn)定特征分析

據(jù)已有歷史洪水資料，堆積體經(jīng)歷規(guī)模較大的洪水主要有五次，堆積體河段相應(yīng)水位分別為635.40m（1841年）、630.30m（1911年）、622.30m（1933年）、619.50m（1966年）和617.10m（1973年）。經(jīng)歷歷史最大洪水635m（1841a）時(shí)，堆積體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)破壞，與上述計(jì)算工況二（水位抬升至638.80m）堆積體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果基本相一致。

5 工程處理措施建議

堆積體距離壩線和上游圍堰距離很近，失穩(wěn)破壞對(duì)右岸導(dǎo)流洞進(jìn)口等工程產(chǎn)生不利影響，因此需采取一定的工程措施。經(jīng)對(duì)比分析，建議采取削坡處理方案，在堆積體650m高程設(shè)置寬2.00m的馬道，向高處進(jìn)行1：0.50削坡進(jìn)行放坡清除。

進(jìn)行放坡處理后，采用前述分析方法對(duì)最不利工況四進(jìn)行計(jì)算，削坡處理后，1-1′剖面穩(wěn)定系數(shù)在1.23～1.43，處于穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明采取削坡減載方案是可行的。

6 結(jié)論與建議

堆積體表層主要為松散狀、碎裂狀塊石，鈣質(zhì)膠結(jié)為主，充填淡黃色鈣質(zhì)和次生紫紅色粘土，溶蝕化后呈“硬殼”狀。形成并保持現(xiàn)今的地貌及結(jié)構(gòu)特征，是受地形、構(gòu)造、風(fēng)化卸荷、河水及降水等內(nèi)外因素綜合作用并逐步演化的結(jié)果。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算分析，堆積體在天然和水位降落工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但經(jīng)受暴雨疊加工將處于失穩(wěn)的邊緣。因此建議采用削坡減載處理方案，對(duì)堆積體650m以上進(jìn)行1：0.50削坡處理，處理后進(jìn)行計(jì)算，堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)，削坡減載方案可行。

[1]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]周念清,楊楠,湯亞琦,秦敏.基于Hoek-Brown準(zhǔn)則確定核電工程場(chǎng)地巖體力學(xué)參數(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2013,43(5)P：1517-1522.

[3]閆長(zhǎng)斌、李國(guó)權(quán)、陳東亮等.基于巖體爆破累積損傷效應(yīng)的Hoek-Brown準(zhǔn)則修正公式[J].巖土力學(xué),2011,32(10)P：2951-2956

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2016-06-13

（責(zé)任編輯：韋詩(shī)佳）

劉建磊(1984-)，工程師，主要從事水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。