大华桥水电站库区岸坡类型分析及塌岸预测

孙凯辉, 张永辉, 杨须宁

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

大华桥水电站库区岸坡类型分析及塌岸预测

孙凯辉, 张永辉, 杨须宁

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

介绍大华桥水电站库岸岸坡结构类型,分析岸坡变形破坏特征。根据地质特征及所属岸坡结构类型将库区分为四段,并评价其稳定性;根据工程特点,选择合适的塌岸预测方法,预测塌岸范围,为水库影响区范围的界定提供地质依据。

库岸岸坡;结构类型;变形破坏;塌岸预测

1 工程概况

大华桥水电站坝址位于云南省怒江州兰坪县境内的澜沧江干流上,系澜沧江上游河段规划推荐开发方案7个梯级电站的第6级,上接黄登水电站,下邻苗尾水电站。坝型为混凝土重力坝,最大坝高106 m,电站装机容量920 MW。水库正常蓄水位1 477 m,干流回水至黄登水电站下游,回水河道长约38.5 km,水库库容2.93亿m3[1]。

2 库区工程地质条件

水库区内澜沧江河道总体呈近SN向延伸,两岸山顶高程多在2 700～3 600 m左右,相对高差1 300～2 500 m。库区段河谷多遭受深切而呈“V”型谷,为高中山峡谷型地貌,河道蜿蜒曲折,两岸坡度一般为25°～50°。营盘镇上游河谷狭窄,两岸地形陡峻,河床宽一般为40～75 m;营盘镇—坝址河段较为开阔,左岸以营盘镇所在地面积最大,右岸以金满村、拉古村所在地面积最大,仅在较大冲沟沟口或崩塌错落堆积地段存在小型的平缓台地,河床宽一般为60～100 m。库区两岸山体雄厚,无低洼的地形分水岭,属狭长型河道水库。

水库区出露岩性主要为二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系等,其中侏罗系紫红色板岩最为发育,仅在库尾及库首段分别出露三叠系火山碎屑岩和白垩系板岩、砂岩。

水库区位于澜沧江断裂带以东,库区两岸除大华桥上游1 km河段范围内岩层揉皱剧烈以外,其他河段多以单斜层产出,产状走向近南北向,多倾向右岸,库区周边岩体内褶皱发育程度不均一,主要有大华村以南偏左岸和大华村以北偏右岸的复式背斜。库区岩层内断裂构造分布较少,规模较大者有两条F26、F27,其中F26断层展布于库区中下游地段,总体走向近SN向,断裂带由多条断裂组成,沿走向一波三折,并多次被近东西向断裂切错,连续性不强。F27断裂展布于库区中部青吾甸—营盘一带,走向近南北,库内长度约14 km。走向线呈舒缓波状,由2～3条断层组成,发育于中、上侏罗统地层内。其它断裂多顺岩层发育,贯通性较差。库区岩体裂隙基本可以分为四组:①NE10°NW∠75°～80°;②NW280°～290°NE∠80°;③NE5°～20°NW∠5°～25°;④NW275°～300°SW∠5°～25°。裂隙一般延伸短小,以第①组层面裂隙、②组垂直层面裂隙组最为发育,③、④组缓倾角裂隙组发育较少。库区物理地质现象较发育,主要表现为滑坡、泥石流及岩体的风化、倾倒、卸荷、崩塌等,尤以崩塌堆积体最为发育。规模较大的滑坡主要发育有三个,均为古滑坡堆积体,滑面位于基岩与覆盖层交界处,基本以土质滑坡为主,现状下滑坡基本处于蠕滑状态。

水库区内有大小冲沟25条,支流多以大角度交汇于澜沧江,构成“丰”字状水系,河口均可见冲洪积物堆积。水库区内阶地分布不多,可见Ⅰ-Ⅵ级,其中Ⅰ-Ⅲ级台面保持相对完整,Ⅳ级以上阶地以残留体形态分布在高处,并可见到岸坡崩塌、错落掩埋的砂卵砾石层。

3 库岸结构类型及变形破坏特征

根据 《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》(DL/T 5337—2006),结合岸坡岩(土)性质、变形特征分为层状结构边坡、倾倒变形结构边坡、土质边坡和滑坡堆积物边坡四大类型。

3.1 层状结构岩体边坡

主要分布于斜向谷与横向谷的两岸。依据岩层与岸坡的关系又分为以下四类:横向岸坡、顺向岸坡、逆向岸坡、斜向岸坡。其中横向及逆向岸坡出露岩体以弱风化为主,呈陡立层状结构,岩体完整性差—较完整,倾倒变形不发育或不强烈,自然边坡整体稳定。边坡主要结构面为层面及层内错动带,缓倾角结构面多短小,无倾向坡外连通性较好的结构面分布,蓄水后边坡整体稳定性较好。陡立岸坡中,局部有破碎岩体分布,蓄水后破碎岩体可能产生崩塌,但影响范围较小。顺向库岸岸坡一般岩层倾角大于自然坡脚,其稳定条件较好,但倾角陡时,易产生倾倒变形破坏;斜向库岸岸坡稳定性一般较好。该类型岸坡约占库岸总长的43.5%。

3.2 倾倒变形结构岩体边坡

主要分布于纵向谷的一岸或两岸,由岩体倾倒变形而形成,边坡稳定性差,稳定坡角取决于层状碎裂岩块间的镶嵌情况及其咬合力,表层岩体的稳定性较差,水库蓄水后,在库水的作用下倾倒变形加剧,从而导致边坡表层产生崩塌。该类型岸坡约占库岸总长的36.5%。

3.3 土质边坡

主要有冲积、洪积、崩坡积堆积物形成的岸坡,水库蓄水后受地表水的冲刷及库水波浪的淘刷作用,库岸再造比较强烈、速度快,是主要的塌岸地段。该类型岸坡约占库岸总长的13.5%。

3.4 滑坡堆积物边坡

库区滑坡主要为土质滑坡,组成物为含碎石粘土、碎块石。滑坡稳定性受土体结构、滑面特征及地下水位的控制。水库蓄水后,边坡水文地质条件的变化及前缘局部塌岸,均可能改变滑坡体的稳定状态而导致滑坡复活或变形加剧,产生牵引式浅表层滑移失稳。该类型岸坡约占库岸总长的6.5%。

4 库段划分及稳定性评价

根据河谷地貌形态、岩土体性质和结构类型、地质构造特征、河谷和岸坡结构类型、水文地质条件、库岸稳定性现状及对枢纽建筑物的影响程度等因素,将大华桥库区分为四段,主要包括下坝址—黄龙场河段、黄龙场河—玉龙河段、猴子岩河—玉龙河段、猴子岩河—库尾段。综合分析,稳定及基本稳定的库段占总库长的一半,其中库尾—玉龙河段(营盘镇)除甸尾桥、甸尾堆积体外均属此类岸坡;稳定性较差、稳定性差的占总库长的一半,玉龙河—坝址段均以此类岸坡为主,期间发育大华滑坡、拉古滑坡、沧江桥滑坡等规模较大的滑坡体,迤场、拉巴铁、扎局、拉古河、松柏矿场、风塔等规模较大的堆积体,部分稳定条件较差。水库库岸分段特征及稳定性评价见表1。

5 水库塌岸预测

5.1 水库塌岸预测方法

根据有关文献资料,水库塌岸预测方法概括起来有二大类:一类为工程地质类比法,另一类为极限平衡搜索法。工程地质类比法是建立在水库塌岸调查基础上的分析方法,其中有代表的预测方法有佐洛塔寥夫预测法、手册法、二段法等。

(1) 佐洛塔寥夫预测法:该方法认为水库岸坡再造,波浪的作用是主要的,库岸再造后的岸坡形态由以下五个特征边坡组成,分别为浅外缘陡坡、堆积浅堆坡、冲蚀浅滩坡、爬升带斜坡以及水上坡等。塌岸预测时,通过调查选取各特征坡段的坡度和水下堆积浅滩的堆积系数,采用平衡剖面法确定塌岸线。此方法较好地考虑了水下堆积浅滩和浪蚀的作用,理论上符合水库最终塌岸边坡的坡形特征,但在实际使用时由于待定参数多,加之堆积系数的确定较为困难,应用不方便。

(2) 手册法:该方法是指《水利水电工程地质手册》提出的短期和长期预测法。短期预测法认为水库蓄水初期的岸坡再造,主要表现为库岸岩土受库水作用下,因强度降低产生坍滑,而波浪冲蚀与堆积浅滩的作用可相互抵消,塌岸边坡可近似地认为由水上、水下稳定边坡组成。塌岸预测时,通过调查选取河道最高洪水位和正常蓄水位之间的水下稳定坡角、正常蓄水位以上的各土层的水上稳定坡角,利用图解法确定水库蓄水库蓄水初期塌岸宽度。此方法对塌岸边坡的坡形进行了概化处理,预测结果与实际塌岸宽度基本吻合。

(3) 二段法:预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时,水上稳定岸坡线的起点,所对应的同高度的原始岸坡点与该线终点之间的水平距离,即为预测的塌岸宽度Sk。水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位h及倾角α确定,水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度H′及倾角β确定。此方法与手册的短期预测法相似,作为水库影响区预测结果偏于不安全。

表1 库岸分段特征及稳定性评价表

5.2 本工程预测方法的确定

本工程可能产生塌岸的边坡岩土主要有崩积层、冲积层、洪积层和倾倒变形岩体边坡。土质岸坡的物质组成、密实程度和稳定坡角决定其塌岸程度。

土质岸坡库岸再造比较强烈,短期塌岸和长期塌岸相差较大,蓄水后边坡破坏形式以崩坍和波浪冲蚀为主,塌滑面为近直线型,手册法的短期预测法符合本工程塌岸破坏特征,塌岸边坡概化处理易于操作,可作为本工程土质边坡的短期预测方法。从塌岸的形成过程来看,长期塌岸是在短期塌岸基础上的岸坡变形和破坏,以短期预测为基础进行长期预测是可行的。手册法中的长期预测方法采用通过坡形修正可以消除存在的问题,但由于短期塌岸后的坡形难以预计,实际操作不现实,因此,采用《水利水电工程地质手册》提出的图解法作为本工程的短期预测方法;长期预测方法中考虑了水下堆积浅滩的作用、浪蚀的作用,增加了浅滩坡角。实际计算过程中,需要对短期预测与长期预测法进行对比。

5.2.1 短期预测

土质边坡和倾倒变形边坡塌岸高程和塌岸宽度根据计算图解法求得。计算图解法如图1所示。

其计算公式如下:

图1 非均质岸坡塌岸短期预测示意图Fig.1 Schematic diagram of short-term prediction of heterogeneous bank collapse

式中:S0为水库蓄水库蓄水初期塌岸宽度(m);Hi为正常蓄水位以上第i层土的厚度(m);hi为第i层土的厚度(m);αi为第i层土的水下稳定坡角,为静水作用下的岩土稳定坡度;βi为第i层土的水上稳定坡度;γ为原始岸坡坡度。

5.2.2 长期预测

土质岸坡塌岸高程和塌岸宽度根据计算图解法求得。计算图解法如图2所示。

两种方法预测时,如果岸前有梯级阶地或河漫滩,且阶地或河漫滩高于原河道最高洪水位时,则以阶地或河漫滩的后缘高程代替原河道最高洪水位值,作为塌岸起算点;当边坡下部有基岩出露且基岩面高于原河道最高洪水位值时,以基岩面作为塌岸起算点。

图2 非均质岸坡塌岸长期预测示意图Fig.2 Schematic diagram of long-term prediction of heterogeneous bank collapse

其计算公式如下:

式中:St为塌岸带最终宽度(m);Hi为正常蓄水位浪爬高以上第i层土的厚度(m);hb为浪爬高度,大体为0.1～0.8倍波高,hb取1 m;hp为波浪冲刷深度,大体为1～2倍波高,hp取1.5 m;hi为第i层土的厚度(m);αi为第i层土的水下稳定坡角,为静水作用下的岩土稳定坡角(°);θi为水位变动带第i层土的冲磨蚀坡角,为动水作用下的岩土稳定坡度;βi为第i层土的水上稳定坡度;γ为原始岸坡坡度。

5.3 预测成果

为了获取大华桥库区比较真实、客观的塌岸预测参数,对库区内库岸的天然岸坡进行调查,并结合上、下游梯级电站的调查成果,最终确定库区塌岸预测边坡特征参数建议值如表2。在各库段塌岸预测中,结合边坡岩土性质选择预测参数,其中水下稳定坡脚一般取22°,浪击带取12°～14°。

由于本工程天然岸坡较陡,死水位较高,浅滩堆积上升速度较慢,且水库中前段水深较大,土质岸坡塌岸起算点采用河道最高洪水位,倾倒变形边坡塌岸起算点采用倾倒边坡变形发育下限高程。各水位的选取标准如下:

(1) 根据库区调查,河水位最大变幅为4～5 m。河道最高洪水位以现在河水位增加5 m计。

(2) 水库正常蓄水位1 477 m,死水位1 472 m。对于有居民点分布地段,塌岸预测水位按水库正常蓄水位并考虑20年一遇(P=5%)洪水回水位计算成果选取;对于有耕地、林地分布的库段,塌岸预测水位按水库正常蓄水位并考虑5年一遇(P=20%)洪水回水位计算成果选取;对于一般库岸,塌岸预测水位按照水库正常蓄水位选取。

表2 库区主要岩(土)层建议坡角

表3 库区塌岸范围一览表(部分)

根据以上原则,对库区塌岸进行了预测,部分地段的预测成果见表3。

6 结语

通过对大华桥水电站水库库岸稳定性分析研究,初步掌握了各库段岸坡变形破坏特征,并合理选用适合本工程的水库塌岸预测方法、岩土体物理力学参数,提出了库区塌岸的位置及范围,为最终水库影响区范围的界定提供了地质依据。

[1] 张永辉,王永彬,郭松.大华桥水电站库岸稳定性及水库影响区范围界定专题报告[R].北京:北京勘测设计研究院有限公司,2010.

(责任编辑：于继红)

Type Analysis of Bank Slope and Prediction of Bank Collapse for Reservoir Areaof Dahuaqiao Hydropower Station

SUN Kaihui, ZHANG Yonghui, YANG Xuning

(PowerChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

This paper describes the slope structure type of reservoir bank for Dahuaqiao hydropower station,and analyzes the deformation failure characteristics of bank slope. The reservoir area is divided into four sections based on the geological characteristics and structure type of bank slope,and then to evaluate the stability. According to the project characteristic,the suitable predication method of bank slump which may predict the scope of bank collapse is selected to provide the geological basis for defining the reservoir-affected area.

bank slope; structure type; deformation failure; prediction of bank collapse

2016-04-22;改回日期:2016-05-15

孙凯辉(1984-),男,工程师,水文与水资源工程专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:sunkh@bhidi.com

TV697.3+3

A

1671-1211(2016)03-0369-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.029

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.022.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31