官庄水电站库区左岸转角洞堆积体边坡稳定性分析

袁俊陶 姜彦作 喻虎圻

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司水工设计分院 贵州 贵阳 550081)

官庄水电站库区左岸转角洞堆积体边坡稳定性分析

袁俊陶 姜彦作 喻虎圻

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司水工设计分院 贵州 贵阳 550081)

分析了官庄水电站库区左岸转角洞堆积体边坡的成因，采用中国水利科学研究院开发的土质边坡稳定性分析程序STAB对边坡的稳定性进行了计算和分析，考虑了暴雨、水库蓄水、库水骤降等对堆积体边坡稳定性的影响，总结出转角洞堆积体边坡在上述情况下的稳定性特征，并据此提出了转角洞堆积体的防护处理措施，为其他类似工程的边坡稳定性分析和处理提供了借鉴。

堆积体；边坡；稳定性分析；官庄水电站

一、前 言

官庄水电站位于芙蓉江干流中下游河段，地处贵州省遵义市道真仡佬族苗族自治县境内旧城镇官庄坝，距贵阳市376km，距遵义市226km，距道真县城25km，为芙蓉江干流水电梯级开发的第九级，距上游鱼塘水电站约9.6km。官庄水电站正常蓄水位411m，相应库容929万m3，死水位407m，工程任务为发电，装机容量50MW，年平均发电量1.825亿kW.h。

工程所在区域河谷深切，两岸地形不对称，海拔高程376～1581m，相对高差500～1200m，属侵蚀高中～低中山地貌区。地形坡度受岩性影响较大，灰岩分布河段地形多陡峻，主要位于左岸转角洞滑坡下游及右岸，多为陡壁，地形坡度45°～70°；左岸第四系地层及志留系地层分布的河段多为缓坡地形，地形坡度一般10°～30°。区域地层属黔北川南地层分区的遵义小区，区内均为沉积岩分布，除泥盆系缺失外，寒武系至三叠系地层均有出露，第四系较集中分布于山间盆地、岩溶洼地及河流沿岸阶地、谷坡部位。工程区所处构造单元为扬子准地台、黔北台隆、遵义断拱、凤冈北北东向构造变形区，经历了多次构造运动，尤其燕山期以来，西北部盆地内强烈沉降，东南大部隆起，地质构造形迹较为复杂。

转角洞堆积体规模较大，总方量约1072×104m3，堆积体距坝址最近3.5km，距上游旧城镇仅1km，在正常条件下发生整体失稳的可能性较小。转角洞堆积体前缘发育1号、2号滑坡体，方量分别为75×104m3、65×104m3，局部稳定性相对较差，蓄水后在暴雨条件下可能发生局部失稳。由于堆积体分布区河道狭窄，前缘局部失稳可能堵塞河床，导致库水位壅高，影响旧城镇河段覆盖层库岸稳定。本文就转角洞堆积体在蓄水前、后坡体的稳定性进行分析与评价。

二、转角洞堆积体边坡的基本地质条件

转角洞堆积体位于坝址上游3.5km的左岸河段，顺河长约670m，横河宽最大达500m，堆积体分布高程自河床到620m，河流基本顺直，总体流向为N17°W，河水面高程396～402m，枯期河水面宽28～45m，水深1～5m；蓄水后抬高水位9～15m，正常蓄水位高程河谷宽约70～110m。前缘460m高程以下地形略陡，坡度28°～34°；中部460～470m为一缓坡平台，地形坡度一般小于5°，平台顺河方向长约200m，横河方向宽约180m，均为水田分布；上游侧后缘460～500m高程地形坡度约10°，下游侧460～500m高程地形坡度10°～20°；上游侧500m以上高程地形平缓，坡度约10°，下游侧500m以上高程地形变陡，坡度30°～60°。

转角洞前缘发育2个小滑坡堆积体(见图1)，分布于转角洞堆积体上、下游，滑坡地貌明显；钻孔揭露上游侧1号滑坡体厚度9.5～12m，方量75×104m3，下游侧2级滑坡厚度3.0～24.2m，方量65×104m3。上游侧1号滑坡后缘形成10～20m高陡坡，往河方向地形明显较矮，滑坡体前缘向河凸出。下游侧2号滑坡区分布有I、II级阶地，I级阶地高程410～420m为基座阶地；II级阶地高程440～450m为堆积阶地，钻孔揭露I、II级阶地残存河砂，滑坡地貌较为明显，前缘上翘，后缘弧形，滑坡应在I级阶地以后，厚度变化较大。

图1 转角洞堆积体分布位置图

堆积体下伏基岩主要为志留系下统韩家店组(S2h)紫红色、灰绿色薄至中厚层泥岩，强度低，暴露后易风化崩解；北西侧尚有二叠系下统梁山组(P1l)片状灰岩、钙质页岩以及栖霞组(P1q)中厚至厚层灰岩、生物碎屑灰岩夹泥灰岩以及茅口组(P1m)厚层灰岩、泥质灰岩夹燧石团块，下部生物碎屑灰岩夹透镜状灰岩，具眼球状构造。下游2号滑坡区基本上为缓倾斜至顺向坡结构，泥岩内部夹层发育，在雨水入渗后不断软化，堆积体前缘不断崩落的块碎石对坡面有加载作用，使得下部岩体向区域性断裂带产生挤压变形，最终形成一定规模的基岩蠕变体分布于2号滑坡下部。

三、转角洞堆积体成因分析

河谷宽谷期以后，由于地壳强烈抬升，河流急剧下切，形成峡谷地形。该部位峡谷岸坡为上硬下软的顺向坡地质结构，高陡的临空条件及下部泥页岩塑性岩体，使该段岸坡卸荷拉应力高度集中，早期顺河向张性裂隙不断发展，并由于P1q灰岩与下伏P1l及S2h泥岩的差异风化，在P1l及S2h泥岩分布地带形成风化凹槽，加剧了上伏岩层卸荷松动带沿临空面方向产生崩塌、滑移破坏。另一方面，由于危岩体顶部拉裂隙的形成，有利于地表水的入渗，地表水沿后缘拉裂隙入渗，从而加剧了沿拉裂产生的溶蚀作用，使后缘边界不断扩展，峡谷岸坡不断向后推进，详见示意图2。因此，转角洞堆积体应以崩塌堆积性质为主。

图2 转角洞堆积体形成过程示意图

统观堆积体上布置的16个钻孔资料及地质调查测绘成果，仅在堆积体前缘1号、2号滑坡区及2号滑坡区岸边附近揭露有滑带土(粘土含泥岩砾石)成分，其余钻孔未揭露到滑带。因此，推断堆积体前缘如1号、2号滑坡区及局部变形开裂现象系堆积体覆盖层内部的小滑坡，均是在暴雨影响下的堆积体内部局部边坡调整行为。

四、转角洞堆积体边坡稳定性分析

根据转角洞堆积体边坡的特点，选取典型剖面，采用水科院土质边坡稳定分析程序STAB进行边坡稳定分析计算。

(一)堆积体边坡典型剖面选取

由于文章篇幅有限，本文在1号滑坡范围内选取剖面1-1、剖面2-2两个典型剖面，分别见图3、图4；在2号滑坡范围内选取剖面3-3、剖面4-4两个典型剖面，分别见图5、图6。

图3 转角洞堆积体1号滑坡典型剖面(1-1’)

图4 转角洞堆积体1号滑坡典型剖面(2-2’)

图5 转角洞堆积体2号滑坡典型剖面(3-3’)

图6 转角洞堆积体2号滑坡典型剖面(4-4’)

由图所示，转角洞堆积体成分较复杂，内部有1、2号滑坡体、基岩蠕变体、灰岩层状座滑岩体等，底部存在覆盖层-基岩接触带、软弱带。

根据地质评价，转角洞堆积体主要有四种滑动模式：

滑动模式I：沿基岩蠕变体底部软弱带整体滑动；

滑动模式II：沿基岩-覆盖层接触带整体滑动；

滑动模式III：沿古滑坡体底界滑出；

滑动模式IV：前缘局部圆弧滑出。

(二)堆积体物理力学参数取值

边坡稳定计算分析所采用的转角洞堆积体和表层崩坡积物的物理力学参数是电站库区前期勘察工作的成果，见表1、表2。

表1 天然状态下转角洞堆积体物理力学参数综合取值表

表2 饱水状态下转角洞堆积体物理力学参数综合取值表

(三)工况分析

转角洞堆积体位于官庄水电站库区中段，水库正常蓄水位411m。堆积体坡脚在河道内，坡内水位线随库水位的消涨而变化。水库为日调节水库，库水位变化频繁，坡内地下水位是堆积体稳定的重要因素。区域内无活动断裂通过，地震动反应谱特征周期为0.35s，地震动峰值加速度小于0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度，区域构造稳定性较好。本工程主要建筑物级别为3、4级，按《水工建筑物抗震设计规范》(NB35047-2015)，地震设防烈度达不到丁类，可不作抗震计算。查阅天然河道水文相关资料，转角洞堆积体所在的芙蓉江河段河道水位消、涨幅度较大，河道水位落差超过15m。转角洞滑坡体在天然状态下历经正常水位(持久工况)、汛期暴雨(短暂工况)、校核洪水位+水位骤降(偶然工况)等多种工况。因此，计算工况选择堆积体蓄水前、后两种状态的各种水位工况(包括持久、短暂和偶然工况)。

(1)天然边坡状态(蓄水前)：持久工况，短暂工况，偶然工况

①天然工况(持久工况)：天然状态一般情况下堆积体稳定性分析(坡外水位为正常河道水位，坡内地下水位线采用日常浸润线)；

②天然暴雨工况(短暂工况)：天然状态发生暴雨情况下堆积体稳定性分析(坡外水位为正常河道水位，坡内地下水位线抬升采用汛期暴雨浸润线)；

③天然校核洪水+水位骤降工况(偶然工况)：天然状况发生校核洪水+河道水位骤降情况下堆积体稳定性分析(坡外水位从500年一遇水位骤降到正常河道水位，坡内水位从校核洪水浸润线降落到正常浸润线)；

(2)蓄水后边坡状态：持久工况，短暂工况，偶然工况

④正常蓄水位工况(持久工况)：正常蓄水位时堆积体稳定性分析(坡外水位为正常蓄水位411m，坡内地下水位线采用正常蓄水后正常浸润线)；

⑤蓄水后暴雨工况(短暂工况)：蓄水后暴雨工况下堆积体稳定性分析(坡外水位采用正常蓄水位411m，地下水位线按蓄水后汛期暴雨浸润线)；

⑥蓄水后校核洪水+水位骤降工况(偶然工况)：蓄水后发生校核洪水+河道水位骤降情况下堆积体稳定性分析(坡外水位从500年一遇水位骤降到正常蓄水位，坡内水位从洪水浸润线降落到正常浸润线)。

蓄水前各工况河道水位和坡内浸润线是根据现场实测的坡内、外水位资料拟定的，蓄水后各工况河道水位和坡内浸润线根据蓄水前实测资料推测。

(四)边坡安全系数取值

官庄水电站总库容为1410万m3，装机容量50MW，工程等别为三等，工程规模中型，主要建筑物(如挡水坝、泄洪系统等)级别为3级建筑物，根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，可知转角洞堆积体属于库区边坡B类Ⅲ级边坡，由于库区边坡范围内居民已经搬离，不存在因边坡失稳而对居民造成生命财产损失问题，主要考虑工程因素即可，由于控制本工程规模的主要指标均位于三等工程的下限，所以边坡安全系数亦取规范规定范围的下限值，具体设计安全系数见表3所示。

表3 转角洞堆积体边坡设计安全系数表

(五)边坡稳定性计算与分析

采用中国水利水电科学研究院开发的土质边坡稳定分析软件Stab2009对转角洞堆积体蓄水前后各工况进行稳定性分析计算。Stab2009计算软件根据刚体极限平衡法编制、用最优化原理搜索最小安全系数和相应临界滑裂面。在计算过程中，边坡沿折线滑动采用摩根斯顿—普赖斯法，堆积体内部圆弧滑动采用简化毕肖普法。经计算，典型剖面1-1’、2-2’、3-3’、4-4’各工况各滑动模式下稳定安全系数见下表4：

表4 库区转角洞堆积体边坡稳定计算结果

由计算结果可知，转角洞堆积体沿基岩-覆盖层接触带抗滑稳定安全系数均大于规范要求，沿蠕变体底部软弱带滑动的稳定安全系数也均大于规范要求，均有一定的富裕度；沿1号、2号滑坡体稳定基本满足要求，个别工况计算安全系数略低于规范要求；沿河边坡前缘圆弧滑动安全系数大多满足规范要求，局部由于边坡稍陡，安全系数略低于规范要求。

由各剖面天然工况(工况①)和正常蓄水位工况(工况④)计算结果可知，水库蓄水后对边坡的稳定有一定的影响，安全系数有所降低，但降低幅度较小，边坡安全度处于同一水平内。根据对蓄水前后暴雨工况(工况②、⑤)和水位骤降工况(工况③、⑥)计算结果对比分析可知，暴雨工况对边坡的稳定性影响较小，水位骤降时对边坡的稳定性影响相对较大，但边坡稳定性大多位置仍然可满足规范要求。

水位骤降工况稳定性较低的部位为1号滑坡体，1号滑坡体上部局部已经出现了拉裂错开的情况，因此计算结果与边坡实际基本相符。由于稳定性相对较差的区域面积较小，方量不大，边坡的滑动势能也较小，可能发生失稳的边坡规模有限，不会因局部的稳定问题引起边坡的整体失稳而堵塞河道的情况。由于边坡上部为水田，下部土体长期处于饱和状态，边坡滑动界面受地下水位的影响较小，在运行期边坡整体稳定性不会出现起伏。因此边坡稳定及其影响整体可控。

(六)边坡防护处理措施

根据边坡现状及计算分析成果，边坡整体处于稳定状态，由于受外界条件的影响，堆积体沿河前缘局部有蠕变现象，对堆积体主要采取简易防护和监测为主：

(1)在堆积体沿河前缘堆砌大块石压脚，同时可防止水流掏刷库岸。

(2)为掌控边坡的整体安全状态，在边坡布设4组监测仪器，对边坡稳定性进行监测。

五、结论

通过对转角洞堆积体边坡进行稳定性计算和分析，可以得出以下结论：

(1)转角洞堆积体坡体前缘出现的裂缝是由于坡体受外界条件影响，堆积体前缘局部蠕变导致的拉裂，边坡整体是稳定的。

(2)转角洞堆积体稳定性相对较差的区域较小，可能发生失稳的边坡规模有限，不会因局部的稳定问题引起边坡的整体失稳而堵塞河道的情况，因此转角洞堆积体边坡采取简易大块石压脚防护为主，辅以安全监测，实时掌握堆积体整体稳定动态，为后期是否增加防护治理措施提供依据。

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袁俊陶(1987.02-)，男，汉族，江西省丰城人，工程师，硕士，中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，主要从事水利水电工程及岩土工程勘测设计工作。