五马水库大坝左岸山体稳定性分析

陈世伟

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

五马水库位于山西省古县县城西南五马村东北约1 km处。坝址所在河流属汾河一级支流——洪安涧河南支。大坝坝型为浆砌石重力坝，是一座以工业供水、发电为主的小（一）型水库。附属建筑物主要包括非溢流坝段、浆砌石溢流坝段、泄洪排沙洞、水电站及排水洞等。水库正常蓄水位682.5 m，库容992万m3，最大坝高58.6 m，坝顶长253 m，坝顶宽6 m，坝顶高程684.1 m。

2 左坝山体工程地质

左岸山体为基岩山区，具山间河谷地貌，河流呈“S”型。谷底地面高程为 631～639 m，坡角 35°～45°，山顶高程约735 m，高差96～104 m，属侵蚀低中山区。左岸山体出露地层主要为三叠系下统刘家沟组（T1l）地层，岩性为细粒砂岩、粉砂岩、砾岩及泥岩。据基岩岩性及工程地质特性，将其自下而上分为33个岩组。其中T1l-1～T1l-14岩组位于河床高程以下，T1l-15～T1l-33岩组分布于坝址两岸。河床高程以上至正常高库水位之间左坝肩发育6层较连续的泥岩层。左岸山体岩层呈单斜构造，层理发育，岩层产状为N45°W.SW∠8°。另外还发育F1断层：该断层自水库库区穿过坝址左岸山梁鞍部伸向下游，距坝基左端开挖面最近点约105 m，为一正断层，断面走向N35°～50°E，倾向SE，倾角 60°～71°，断距 10～15 m，断层破碎带宽 1.5～2 m，向下游南西方向延伸长度约1 km。岩体中主要发育两组节理裂隙，其产状分别为：第一组N30°～55°E/NW∠70°～88°或 SE∠80°～85°，第二组 N40°～65°W/NE∠75°～88°或 NE∠65°～80°。其中第一组裂隙面多平直光滑，延伸较长，裂隙宽0.1～0.3 cm，裂隙间距最小0.35 m，最大2 m，一般0.5～1.5 m，泥或钙质充填、半充填，部分裂隙闭合；第二组裂隙面较平直，延伸短，裂隙宽0.05～0.1 cm，裂隙间距最小0.6 m，最大8 m，一般 3～6 m，多闭合。

坝址区地下水类型分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水两种类型。松散岩类孔隙水含水层主要分布于河漫滩卵石混合土层，埋深0.5～2 m。碎屑岩类裂隙水含水层为三叠系下统刘家沟组中的细砂岩及砾岩，泥岩、粉砂质泥岩为隔水层。左坝肩地下水水位631～640 m。总体来看，地下水主要接受上游来水及大气降水补给，由上游流向下游、两岸补给河流。

3 左岸岩体稳定性及评价

3.1 左岸山体稳定性分析

左坝肩为一单薄山梁，走向近东西向，上部基岩裸露，岩层倾向下游偏左岸，山顶高程725 m，而河床底高程633 m，岸坡坡角约21°，大于岩层倾角，因此左岸下游具备临空条件。

左坝肩存在F1断层，断层距左岸开挖面约105 m，断面走向 N35°～50°E，倾向 SE，倾角 60°～71°，断距10～15 m，断层破碎带宽1.5～2.0 m，构成左岸山体侧缘分割边界条件。

组成左岸山梁的地层岩性为细砂岩、粉砂岩、泥岩及砾岩层，在库水位下连续发育多层泥岩。该泥岩层在水库正常蓄水后有软化、泥化的可能，因此左岸单薄山梁具备底面滑动条件。

左岸岩体中主要发育两组节理裂隙，产状分别为：第一组 N45°～52°E/NW 或 SE∠70°～85°，第二组N47°～58°W/NE 或 SW∠70°～86°，裂隙面多平直光滑，延伸较长，裂隙宽0.1～0.3 cm，发育间距0.5～1.5 m。两组裂隙与岩层层理的相互切割构成了该岩体地下水下渗的主要通道。

左岸单薄山梁基岩出露，上游背水坡陡立，可构成山梁的后缘，同时，第二组裂隙走向与左岸岩层倾向大致垂直，也可构成后缘拉裂面。

综上所述，左岸山体具备了滑坡产生的滑面、侧缘、后缘和临空等条件。当水库蓄水后，在大气降水和库水长期入渗的情况下，泥岩层有可能软化、泥化。在库水、地震力等因素作用下，该左岸单薄山梁具备产生顺层滑动的条件。

3.2 左岸山梁稳定性计算

采用刚体极限平衡法对左岸山梁进行稳定验算，基本评价公式为：

式中：K——安全系数；

N——垂直于滑裂面的作用力，kN；

f1——抗剪断摩擦系数；

c1——抗剪断凝聚力，kPa；

A——计算滑裂面的面积，m2；

T——沿滑裂面的作用力，kN。

滑面选取 T1l-16，T1l-18，T1l-20，T1l-22，T1l-24，T1l-26六个拟选泥岩层，分别考虑拟滑面泥岩未泥化和泥化两种情况；计算工况分天然状态、水库正常蓄水状态和有地震力作用下的状态。后缘选取与滑面相交的较大贯通性裂隙面GL2。

表1 左岸山体稳定计算成果统计表

建议泥化夹层抗剪断指标 f′=0.25、c ′=0.01 MPa；未泥化泥岩抗剪断强度参数 f′=0.38、c′=0.02 MPa。安全系数评价标准按《水利水电边坡设计规范》选取，工程边坡为4级，正常状态边坡稳定安全系数取1.15，地震状态取1.05。经计算，左岸山体在各状态下稳定性见表1。

3.3 左岸山梁稳定性评价

据表1可知，在天然状态（水库未蓄水）时：泥岩未泥化，安全系数值为3.19～6.0，处于稳定状态。在天然状态（水库未蓄水）并考虑有地震时：泥岩未泥化，安全系数值为2.31～3.47，处于稳定状态。在水库正常蓄水，滑体部分饱和时：泥岩未泥化，安全系数值为2.47～3.02，处于稳定状态；泥岩泥化，安全系数值为1.58～1.94，处于稳定状态。在水库正常蓄水并考虑渗透压力时：泥岩未泥化，安全系数值为1.69～3.02，处于稳定状态；泥岩泥化，GL2与T1l-16组合的安全系数为1.08，处于不稳定状态，其余组合的安全系数为1.20～1.94，处于稳定状态。水库正常蓄水并考虑渗透压力和地震时：泥岩未泥化，安全系数值为1.27～2.21，处于稳定状态；泥岩泥化，GL2与T1l-16，T1l-18，T1l-20组合的安全系数分别为0.81，0.89，1.02，处于不稳定状态；GL2与T1l-22组合的安全系数为1.05，处于临界状态；其余组合的安全系数为1.25～1.42，处于稳定状态。

4 工程处理建议

五马水库左岸单薄山梁在正常蓄水后存在滑动的可能性，为确保水库正常运行，建议采取开挖、防渗、排水、抗阻等综合措施，防止泥岩层软化、泥化并减少渗透压力。具体措施如下：开挖：将左坝肩松散岩体及强风化层全部清除。开挖后，整个滑体将减重，对左岸山体稳定有利。固结灌浆：坝肩开挖后对岩基进行固结灌浆处理，一方面可增加地基的整体性和强度，另外还可增加结构面（主滑面）的抗剪强度，提高边坡稳定性。设防渗帷幕及排水减压：建议在左岸单薄山梁段设防渗帷幕，其下限高程为625.5～654.5 m，在F1断层带及其影响带内增大灌浆帷幕下限深度，切实做好防渗处理措施；同时在滑面附近设排水洞。这样既可减少泥岩泥化，又可减少坝肩岩体中的渗透压力，对左岸山体稳定有利。在左坝肩下游应适当采取阻滑措施，以提高左坝肩的稳定性。