崩滑堰塞湖沉积物工程地质特性研究

杨绍平，王子忠

(1.四川水利职业技术学院，四川崇州 611231 ；2.四川省水利水电勘测设计研究院，成都 611731)

在我国西南山区由于山高坡陡、构造复杂、地震活动频繁等原因造成崩滑堵江（堰塞湖）灾害时有发生，特别是5.12 汶川大地震后在四川形成了大大小小的地震堰塞湖多达百余个。崩滑堵江（堰塞湖）灾害在全球各地均有分布，国内外目前对此问题的研究主要集中在崩滑堵江事件的分布、识别、天然堆石坝的形成和特征以及堵江事件的环境效应等。很少研究其沉积物工程特性及工程地质问题，在水电资源开发中，经常遇到崩滑堵江形成的堰塞沉积物，本文以四川丹巴县关州水电站为例，对堰塞沉积物的工程特性及利用其作为闸坝基础的主要工程地质问题进行研究。

1 地质概况

关州水电站位于四川省丹巴县大渡河一级支流小金河干流上。地貌上处于川西高原东部，属川西高山至高原过渡地带的侵蚀型高山峡谷地貌。在大地构造上位于松潘—甘孜造山带的小金、丹巴弧形构造带的北西翼。工程场地位于川西北强隆起内部，新构造运动以第四纪大面积整体间歇性隆升为主。

区内除寒武纪地层缺失外，从震旦纪至三叠纪均有出露。岩层以火山岩、海相砂泥岩、碳酸盐岩建造为主，三叠纪末期的印支运动使区内地层普遍褶皱，并发生变质形成一系列浅变质岩系，局部中等变质。

地震危险性概率分析结果表明，工程区地震基本烈度为Ⅶ度。关州水电站闸坝址位于小金河阿娘寨崩滑堆积体上游约1km处，处于堰塞湖沉积物之上，固需对堰塞湖沉积物工程地质特性研究。

2 堰塞沉积物的形成

2.1 小金河崩滑堵江事件的形成机制分析

崩滑堵江事件堵断河道后，形成天然堆石坝与水库，河流中的固体径流在天然水库中淤积，形成堰塞沉积物。关州水电站闸坝基堰塞沉积物的形成是电站坝址下游约1Km 的阿娘寨崩滑堆积体堵断小金川河后产生的，首先对阿娘寨崩滑堆积体堵江的特点及其机制阐述如下：

据现场地质测绘资料，崩滑体后缘山顶高程达3 500～3 800m，该段小金河河底高程约为2 100m，相对高差达1400～1800m，地形高陡，见图1。如此高陡的岸坡与工程场地位于川西北强烈隆起区，第四纪大面积整体间歇性隆升，河流快速下切有关。高陡的岸坡为岩体的变形破坏提供了临空条件。

高程2 700m 以上的岸坡岩石为板岩与变质砂岩，岩石饱和抗压强度一般70～80Mpa；高程2 700～2 200m 岩性以绢云母千枚岩为主，岩石饱和抗压强度约20～30Mpa。岩层产状N10°～15°W/NE∠60°～63°，倾向坡内偏河流上游（图1）。河流岸坡岩性为上硬下软的结构，构造上属于反向斜坡。此类斜坡由于下部的千枚岩软岩在重力下的蠕变弯曲变形，上部板岩与变质砂岩失去支撑产生弯曲-拉裂[2]型式的变形破坏，最终导致上部斜坡岩体产生倾倒型崩塌破坏，在岸坡坡脚形成崩塌堆积体，堆积体堵断河流形成了天然堆石坝。据现场勘察，堆积体中孤石、块石成分主要为板岩与变质砂岩，与组成斜坡的上部岩性基本一致，证实了上述的斜坡变形破坏机制。堆积体在后期再次沿最大剪应力潜在滑动面产生圆弧滑动，由此使得堆积体在地貌上表现为多级平台，因此阿娘寨堆积体其形机制为崩滑堆积体。

2.2 堰塞沉积物的形成

图1 阿娘寨滑坡与堰塞沉积分布图

图2 坝址区河床堰塞沉积物剖面图

3 堰塞沉积物的工程地质特性研究

3.1 分层特征

据现场钻孔岩芯鉴定，小金河堰塞沉积物按其工程地质特征从上至下可分为5层（图2），各层特征见表1。

由表1可知，堰塞沉积物在垂向上各层的工程地质特性差异主要表现在土壤组成颗粒级配的差异上，这种差异应与地质历史时期气候等因素引起的水动力条件变化有关。

表1 坝址区堰塞沉积物分层特性表

3.2 形成地质年代

测定地层年代的方法有多种，如放射性碳（14C）、电子自旋共振（ESR）、热释光（TL）等[3]。电子自旋共振（ESR）、热释光（TL）法测定地层年代其技术本身误差率分别为25%～30%及10%～20%，误差年限分别为（0.025～45）×104a 及（0.010～60）×104a；对于崩滑堵江事件形成的堰塞沉积物来讲，其地质年代一般在晚更新世～全新世，这两种测定方法显然误差太大。而14C 法技术本身误差率为1.5%～2.5%，误差年限为0～1500a，故以14C 法来测定堰塞沉积层的年代更为合适。

据ZK23 孔（孔深7～10m）及ZK17 孔（孔深24～26m）取土样14C 法测定，堰塞沉积物的地质年代分别为6310±120a，6430±70a，属第四纪全新统沉积物。

表2 第②、③、④层堰塞沉积物物理力学试验成果

3.3 各层堰塞沉积物的物理力学性质指标

在堰塞沉积堆积层上兴建工程建筑物，首先应对其物理力学特性进行研究。针对堰塞沉积物的前述分层特点，对闸坝基础持力层范围内的第②、③、④层的相应指标进行了测试，其试验成果分别见表2～表4。

表2 试验成果表明，堰塞沉积物各层粒度差异较大，相应地各层结构差异较大，各层干密度在 1.28～1.71g/cm3之间，这种较大的差异正是各层粒度及结构差异的的反映。按各堰塞沉积层压缩系数划分，第②层砂壤土为低压缩，第③、④层壤土及粉质粘土属于中等压缩性土；各土层具有一定的抗剪能力。

为研究堰塞沉积层作为闸坝基础持力层的承载能力，对第②层砂壤土和第③层壤土进行了现场标准贯入及静力触探测试。表3 及表4 的测试成果表明各土层具有一定的承载能力，第②层砂壤土承载力标准值fk=173～175KPa，第③层壤土承载力标准值土fk=132KPa。

表3 第②层堰塞沉积物N63.5 标准贯入测试成果统计表

表4 第②、③层堰塞沉积物静力触探测试成果统计表

表5 闸坝基础沉降计算成果表

4 堰塞沉积物工程地质问题分析

4.1 地基压缩变形

鉴于河床堰塞堆积层厚度约50～90m，本工程闸坝设计坝高仅17m，全部将其对其进行挖出换填，在技术上存在松散堆积层深基边坡稳定，基坑涌水等问题；在投资方面显然也不经济。因此，需要考虑利用堰塞沉积层作为闸坝基础。由前述可知，闸坝地基为工程特性各异的堰塞沉积层组成，属层状结构软基，在上部荷载作用下，存在压缩变形问题。据各持力层土的物理力学特性指标，计算地基沉降变形时各土层的压缩模量分别为：第②层砂壤Es＝11.5MPa，第③、层壤土Es＝10.3MPa，第④层粉质粘土Es＝7.7MPa。地基沉降计算采用分层总和法计算地基最终沉降量，计算成果见表5。

表5 的计算结果表明：在完建和正常蓄水位两种工况下，闸室的沉降量大于《水闸设计规范》（SL265-2001）要求的地基最大沉降量小于15cm、沉降差小于5cm 的要求，需进行基础处理。

4.2 渗透及渗透变形问题

据钻孔抽（注）水试验，第②层砂壤土渗透系数K=（4～30）×10-4cm/s，属中等透水层；第③层壤土渗透系数K=1.9×10-6～2.6×10-5cm/s，属微透水层。埋藏于右岸河床岸坡的Q4col+dl孤块碎石土层（见图2）渗透系数K=（4.6～65）×10-2cm/s，属强透水层，强透水带厚度20～55m。因此河床坝基存在坝基渗漏和渗透稳定问题，其中右岸坝基的孤块碎石土层为集中渗漏的强透水带。

4.3 地震液化问题

工程区地震基本烈度为Ⅶ度，按照相关规范，对各堰塞沉积层地震液化问题论述如下：

第②层砂壤土的粘粒含量为7.4%，小于《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）N.0.3 条第3款16%之规定，可能发生液化；又据标贯资料，第②层砂壤土N63.5＝7～9＜Ncr=11.3～14，故第②层砂壤土在Ⅶ度地震条件下将产生地震液化。

第③层壤土的粘粒含量分别及23.3%，大于《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）N.0.3 条第3 款16%之规定，Ⅶ度地震条件下不存在地震液化问题。

第④层、第⑤层及第⑥层位于地面29.5m 以下，远大于《建筑物抗震设计规范》（GB50011-2001）规定的地震液化判别范围0～20m，故不需要研究其地震液化特性。

综上所述第②砂壤土层在Ⅶ度地震条件下存在地震液化问题，需要采取相应的抗液化处理措施；其余各堰塞沉积层不存在地震液化问题。

5 结论及认识

1）堰塞沉积物的形成与山体崩滑堵江事件总是相关的，而崩滑堵江事件的发生一般又与陡峻的地形、复杂的岩性和构造组合、以及地震等因素关系密切；5.12 地震形成大量的堰塞湖，随着时间的推移，在其天然水库中也会形成堰塞沉积物，水电工程实践中常常需要研究堰塞沉积物作为坝基的工程特性及相关工程地质问题，本文有一定的借鉴意义。

2）堰塞沉积物是河流岸坡岩体发生崩滑堵江形成天然堆石坝及水库之后，在地质历史时期于天然水库静水环境下沉积的河流固体径流物质，其颗粒级配一般以砂粒～粘粒等细粒为主。由于当时气候及河流水动力条件的变化，堰塞沉积物也表现出不同的颜色、粒度结构及相应的工程特性分层变化。

3）各堰塞沉积层的结构变化在物性参数上表现为不同的干密度指标，并对应不同的力学特性。

4）堰塞沉积层作为低闸坝基础，需要对压缩变形、渗漏及地震液化等方面的工程适宜性作出分析评价，并进行相应的工程处理。

[1]黄润秋，王士天，张倬元，等.中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应研究[M].成都：四川大学出版社，2001

[2]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理（第二版）[M].北京：地质出版社，1994

[3]DL／T5335-2006，水电水利工程区域构造稳定性勘察技术规程[S]