竹子坝场地变形成因分析及处理

马行东,彭仕雄,稽洪刚,肖 强,李 杨

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 工程地形地貌

拟建竹子坝施工区场地位于大坝右岸和竹子坝料场之间,引水洞进水口附近。场地靠近雅砻江侧,地势开阔,其他三面环山,地貌上类似为围椅状地形,场地后缘为竹子坝料场。施工区场地坡度约10°～25°,地势宽阔 ;竹子坝沟常年流水,受降水的影响雨季和旱季水量变化很大。

2 地层岩性

施工区场地出露的地层主要为第四系崩坡积堆积(pl+dlQ4)块碎石土、冲洪积堆积(pl+alQ3)含碎石粉质黏土和湖积堆积的(PL+alQ3)的含碎卵石土、粉质黏土(lQ3)及孤块石夹少量砂卵砾石层(col+plQ3)等,下伏基岩为二叠系上统上段和中段的玄武岩。地层从上到下分别描述如下:

(1)块碎石土①(p l+dlQ4)。土黄～黄褐色,松散～稍密,以碎石为主,含量约为 40%～50%,粒径以 6～15cm为主;含块石 20%～30%,粒径 20～30cm;其余为壤土,局部夹有孤石。原岩成份多为玄武岩,强～全风化,棱角状。主要分布在场地表层。

(2)含碎石粉质黏土②(pl+alQ4)。灰黄～灰绿色。稍湿,稍密～中密,可塑～硬塑,以粉质黏土为主,含量约为 60%。夹有碎石,含量约 30%,块径3～10cm为主,局部夹有粒径 20～50cm的块石。原岩成份多为玄武岩,强风化,棱角状。

(3)粉质黏土③(lQ3)。灰色～灰绿色,饱和,稍密～中密,可塑～硬塑状态,受地下水影响力学性状较差。场地均有分布,其中中后缘厚度较深。

(4)含砂卵砾石块碎石土④(pl+alQ3)。灰色～灰绿色,松散～稍密,以碎砾石为主,含量约为40%～50%,粒径以 6～15cm为主;含少量卵石和块石 20%～30%;其余为粉质黏土,局部夹有孤石。原岩成分多为玄武岩,强～全风化,棱角状。主要分布场地的下部。

(5)孤块石夹少量砂卵砾石层⑤(col+plQ3)。该层主要为崩积堆积形成的粒径较大、含量较多的孤块石,孤块石含量约 85%～90%,夹杂少量的砂、卵石、砾石以及黏土。根据勘探情况看,该层主要发育在竹子坝场地中前缘,于高程 1340～1360m平台范围。

(6)致密状玄武岩。致密状(P2β3)、杏仁状玄武岩、菊花斑状玄武岩⑦(P2β23)、杏仁状玄武岩、致密状玄武岩夹少量紫红色凝灰岩⑧(P2β22)。

3 水文地质条件

地下水按贮存介质的不同可分为第四系孔隙水和基岩裂隙水,受降雨补给,向河谷排泄。场地地下水与水文、气象因素密切相关,并严格受地形、岩性、构造、植被等条件制约,主要由大气降水供给。根据官地水电站坝址区环境水的水质分析资料:地下水为 HCO3--Ca++-Na+·K+型或 Cl--HCO3--Na+·K+型水。竹子坝沟内常年流水,其化学类型与沟水、河水相近,地下水对混凝土无腐蚀性。根据有关资料,洪水季节流量为 20m3/s,而旱季仅为 0.5m3/s,雨季的变化对竹子坝沟水影响关系密切。地下水埋藏较浅,直接受地表水影响。

另外,在初勘阶段 ZBZK 03号钻孔在孔深 49.4～50.0m(含碎卵石土)发现有涌水现象,水量 44 L/min,压力 0.25MPa。拌和系统基础的勘察在竹子坝 1340、1360、1380m三个平台进行钻探,共完成钻孔 21个。其中 ZKGB3在 20.5m深度附近(高程1323.5m)的第③层青灰色粉质黏土内有涌水现象,流量为 0.05～0.1L/s;ZKGC4号钻孔在 31m深度(高程 1312.3m)附近有涌水,出水层为第③层青灰色粉质黏土,流量 0.05～0.1L/s左右;ZKGC1号钻孔在 29m深度附近(高程 1314.6m)的第③层青灰色粉质黏土内有涌水现象,流量为0.05L/s。竹子坝场地详勘阶段在 ZK 09号钻孔34m(1308.5m)发现承压水;ZK 10号钻孔在21.4m处(高程 1322.6m)也发现承压水,涌水量较大,曾发生数次塌孔现象;ZK 16钻孔在 68.05m(高程 1327.24m)处发现承压水。ZK 18钻孔在28m(高程 1319.73m)处发现承压水,造成塌孔现象。分析原因是地表水渗入到粉质黏土③层以下,而竹子坝场地的粉质黏土③层相对隔水在基岩面没有渗流通道所形成的。另外,底部发育的F1断层结构松散也可能对承压水的形成有一定的关系。

4 边坡变形机制初步分析

4.1 边坡地层性状分析

场地粉质黏土③层为第三系湖积沉积,层理清晰,大多近水平状分布,后缘受地形因素影响层理局部呈倾斜,干燥状态下呈半胶结半成岩状,组成物质主要为灰绿色、灰黑色、灰黄色纯的黏土、粉质黏土,成分单一,富含黏土颗粒及黏土矿物,具有干时坚硬,压缩性较高,遇水软化,脱水崩解的特性;对水的灵敏度较高,在含水较多情况下,承载力低,压缩模量小,为易滑地层。

4.2 边坡滑坡类型

由于该层有遇水软化的特性,因此滑面大多位于潜水影响面、承压水影响面。加上潜水和承压水可能影响深度不厚,使粉质黏土具有隔水功能,这在钻孔施工中发现的承压水可以佐证,因此根据现场情况分析,由于粉质黏土③层的存在,场地边坡很容易形成两种类型的滑坡:

(1)粉质黏土③顶面覆盖层滑坡,受潜水影响,粉质黏土表层遇水软化,易形成滑面。覆盖层主要为第四系残积层、坡积层、洪积层、冲积层,甚至滑坡堆积层,沿下伏粉质黏土③顶面发生的滑坡。

(2)粉质黏土③基底滑坡,受承压水影响,底部遇水软化,易形成滑面,因此可以产生沿粉质黏土③层与下伏顶面发生的滑坡。

4.3 边坡变形成因初步分析

任何边坡变形的形成都有其内在因素和外在因素,二者缺一不可。粉质黏土③变形产生的内在因素可归结为:粉质黏土③层具有的特殊性质。由于该层还有较多的黏土颗粒,该层存在隔水性质,因此造成该层存在潜水,底部可能存在承压水等现象,加上该层具有强烈的亲水性、吸水膨胀、脱水干裂和易于泥化的特征,使边坡容易在该层的顶部或底部发生变形,进而造成边坡的破坏。粉质黏土③变形产生的外在因素可归结为:

(1)水的作用。水下渗至易滑地质结构面,一方面可软化粉质黏土③,增加岩土体容重;另一方面沿滑面的渗流可产生上浮力。

(2)切坡开挖作用。一方面切坡开挖切穿了易滑地质结构面,为滑坡的产生提供了滑移临空面。

4.4 边坡变形推测初步分析

根据详勘阶段钻孔岩芯揭示现象、竹子坝拌合系统勘察揭示现象、开挖边坡实际揭示现象、监测资料初步分析以及成因机制初步分析,竹子坝 B-B剖面可能存在 3个潜在滑动面,C-C剖面可能存在 2个潜在滑动面。

4.4.1 B-B剖面

(1)滑动面 1:根据钻孔及监测孔出现异常的深度进行分析,可以发现 IN05、IN04、ZK 11及 1345～1347m高程之间靠竹子坝沟左侧有明显擦痕,可以形成潜在滑动面,推测为潜在滑动面 1(见图 1),并且该潜在滑动面与场地稳定复核分析中的大滑弧基本类似。

(2)滑动面 2:根据钻孔 ZK 10擦痕及钻孔ZK 09、ZK10的粉质黏土夹层、开挖边坡揭示现象,推测潜在滑动面 2。由于土滑体中的 CY 07号钻孔在深部也发现厚约 10cm的粉质黏土软弱夹层,推测滑动面 2很有可能与土滑体存在一定的联系,可以形成一滑动面,同时也存在土滑体的变形牵引上部的变形。另外,根据地勘资料分析,推测的潜在变形为粉质黏土的基底变形。

(3)滑动面 3:根据测斜孔 IN02变形部位以及前期竹子坝土滑体的勘探研究分析,可能形成潜在滑动面 3。分析原因为后缘堆渣形成的外荷载作用力,以及黑水沟隧洞进口施工中造成的土滑体的变形破坏(前期施工中变形滑动明显,后缘出现明显的开裂缝,再加上人为扰动、施工影响等,可能引起土滑体的变形滑动,进而牵引后缘的弃渣变形,引起IN02监测点的异常)。

图1 竹子坝 B-B剖面潜在滑动面

图2 竹子坝 C-C剖面潜在滑动面

4.4.2 C-C剖面

(1)滑动面 1:根据钻孔出现异常的深度进行分析,可以发现 ZK 12、ZK 14及 ZK 15中的擦痕、光面等,推测为潜在滑动面 1(见图 2)。

(2)滑动面 2:根据钻孔 17底部发育 2.05m的粉质黏土,钻孔 18发育 0.1m的粉质黏土,再根据土滑体可能为上部滑动下来等原因的综合分析,推测沿粉质黏土夹层可能发育一滑动面。

5 场地稳定性初步评价

拟建场地内无断层通过,无发生强震的地质条件,地震危险性主要受外围波及影响,地壳稳定性较好,在没有外界干扰(破坏)的情况下场地稳定性较好。影响竹子坝施工场地整体稳定性的主要因素为第③层的粉质黏土层。该粉质黏土③(lQ3)层呈灰色～灰绿色,在自然状态下,稍密～中密,可塑～硬塑;在饱水和扰动的情况下,呈可塑～软塑,性状差。该粉质黏土层在竹子坝施工场地内均有分布,其中最主要分布在 ZK10钻孔至缆机平台公路高程段(1340～1440m),厚度2.9～53.4m,厚度不均一,局部含有碎石,呈尖灭状。另外,ZK 10至土滑体在底部发现10～30cm的粉质黏土夹层,分析可能为潜在滑动面。在空间上后缘(竹子坝料场侧)较厚逐渐向前缘(雅砻江侧)变薄,横向上向黑水沟侧逐渐变厚。根据 1340m钻孔发现地层有重复现象,分析可能是历史上粉质黏土③的前缘多次发生溜滑、变形积压所产生的上述现象。

该粉质黏土层承载力低,力学指标差,竹子坝施工场地在新的荷载加载的情况下,如若失稳,将会沿此层的顶面或底面产生滑动。如相邻竹子坝施工场地的黑水河3号堆渣场就是在堆放公路开挖弃渣时,因加载沿该粉质黏土层产生失稳而滑动,由于该粉质黏土呈为相对隔水层,因此场地中厚缘产生较大的承压水,场地承压水产生较大的扬压力,进而可能对边坡的稳定存在一定的不利影响。因此,应注意承压水对场地稳定性的影响,并提出处理措施。

根据1344m平台钻孔以及土滑体钻孔揭示的粉质黏土的发育特征分析,土滑体可能为上部滑下的。根据详勘阶段钻孔岩芯揭示现象、竹子坝拌合系统勘察揭示现象、开挖边坡实际揭示现象、监测资料初步分析以及成因机制初步分析,竹子坝场地历史上可能存在场地的蠕动变形、局部溜滑等现象。竹子坝 B-B剖面可能存在3条潜在滑动面,C-C剖面可能存在 2条潜在滑动面。

6 竹子坝施工区场地边坡稳定复核分析

边坡稳定计算采用水科院陈祖煜编写的“边坡稳定计算程序 STAB2008”。边坡稳定安全系数采用计条块间作用力的简化毕肖普法计算。根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》规定,确定边坡等级为Ⅲ级,施工期安全系数控制标准采用Ⅲ级边坡要求的中值。但是开关站为永久性建筑物,故开关站边坡等级提高 1级,为Ⅱ级边坡。竹子坝场地位于进水口侧边坡,在电站运行期作为工程枢纽区边坡,按Ⅱ级边坡考虑,运行期安全系数控制标准采用Ⅱ级边坡要求的低值,但不低于施工期的控制标准。竹子坝施工区场地施工期边坡沿滑带滑动的安全系数见表1。

7 处理措施及建议

通过对影响竹子坝边坡稳定变形机制的因素进行的定性分析以及根据推测的潜在滑动面、自动搜索的定量计算分析结果,对竹子坝场地可能存在的问题进行了支护处理。

表1 竹子坝施工区场地施工期边坡沿滑带滑动安全系数

(1)目前竹子坝施工区场地后缘地表没有发现整体开裂和变形滑动迹象,但前缘 1345～1347m高程发现擦痕现象,在 1380m高程平台进行的钻孔取芯揭示,粉质黏土③(lQ3)可能存在变形的迹象,详勘阶段较多钻孔岩芯发现擦痕或变形扰动的迹象,监测资料局部也反映了场地的变形异常现象,同时受开挖、降雨、地下水等不良因素影响,竹子坝沟前缘侧边坡及平台边坡相继出现溜滑和变形,砂石系统的局部挡墙出现变形。随着前缘边坡进一步的牵引破坏、运行期的用水、地表水、地下水、承压水产生的扬压力和后期场地建筑物的加载等因素影响,很有可能引起运行期场地的滑移,应引起高度重视。

(2)水是影响边坡稳定的重要因素。由于粉质黏土为相对隔水层,因此场地中后缘产生较大的承压水,场地承压水产生较大的扬压力,进而可能对边坡的稳定具有一定的不利影响。场地为围椅状地形,为地表水的汇集区,需做好地表排水工作。因此,应加强地下水、地表水排水,并同时防止生产、生活用水渗入。地下水采用排水平洞和排水孔方式,地表水采用地表排水沟、地表封闭等措施。

(3)在竹子坝场地前缘 1344～1360m高程附近进行了支护处理,其中在 1344m坡脚采用了抗滑桩、1344m～1360m坡面采用锚索框格梁支护处理。

(4)建议应重视边坡的稳定状况,加强监测(包括地下水)预报工作,监测设备应尽快投入运行,并应及时给相关单位反馈监测资料,以便及时地掌握边坡的稳定性,随时作好处理,保证施工期边坡的稳定。