金沙江上游旭龙水电站库区滑坡堵江及涌浪风险研究

2023-02-28王周萼蔡耀军

长江科学院院报 2023年1期

王周萼，蔡耀军，2

(1.水利部长江勘测技术研究所，武汉 430011； 2.长江设计集团有限公司，武汉 430010)

1 研究背景

旭龙水电站位于金沙江上游，电站正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，最大坝高213 m，装机容量2 400 MW，为Ⅰ等大(1)型工程。库区为高山峡谷地形，岸坡陡峻，河谷深切。电站蓄水后，岸坡上分布的滑坡体、变形体和堆积体等不良地质体可能发生滑坡造成堵江，也可能产生涌浪影响水库上下游库岸稳定。如果滑坡发生于近坝地段，涌浪可能威胁大坝安全，如果浪高超过坝顶高程，库水涌向下游，可能造成巨大损失。这方面的著名事例为意大利瓦依昂水库，该水库左岸近坝地段发生巨型滑坡[1-2]，岩土体滑入水库，致使坝前约1.8 km长的库段成为“石库”，水库功能丧失，库水越过大坝冲向下游，损失巨大；2018年金沙江上游发生山体滑坡形成堰塞湖[3]，其后堰塞湖自然溃决，洪水迅速下泄对下游造成严重损失；唐家山堰塞湖为地震导致山体滑坡的典型事例，“5·12”汶川大地震发生后，唐家山山体滑坡堵塞坡底河道形成堰塞坝，其上游形成巨大的堰塞湖[4-5]，一旦溃决，损失无法估量，经全力排险，消除了隐患。因此，对库区不良地质体进行稳定性分析，对可能滑坡的不良地质体进行堵江和涌浪风险预测，对保证工程正常运行意义重大。

国内学者广泛采用瑞典圆弧法、简化毕肖普法、不平衡推力法等基于刚体极限平衡理论的计算方法开展滑坡稳定性分析[6-7]，采用潘家铮法[8-9]对滑速及滑坡后的堆积形态进行预测。近年来研究者越来越重视数值模拟法，如蔡耀军等[10]采用离散元颗粒流软件模拟了白格滑坡残留体失稳堵江过程。

滑坡涌浪十分复杂，目前涌浪计算的常用方法主要有潘家铮法和中国水利水电科学研究院经验公式法，对涌浪特征的研究多集中于数值模拟和物理试验等方面。谭海等[11]以DEM-SPH耦合模型为基础，研究了松散堆积体滑坡的涌浪特点；丁军浩等[12]在滑坡涌浪物理试验的基础上，提出了滑坡初始浪高的计算方法；黄筱云等[13]采用计算仿真工具Flow-3D，探究了“V”型河道的涌浪特征；韩林峰等[14]基于浅水滑坡淹没率条件，提出了岩质滑坡最大波幅的计算方法。

本文在对旭龙水电站库区不良地质体开展详细工程地质测绘的基础上，基于基本地质特征和稳定条件对不良地质体的破坏模式进行了分析。库区不良地质体均为第四系堆积体，目前没有变形和破坏迹象，处于稳定状态，不会堵江。水库蓄水后，不受蓄水影响的堆积体不会失稳入库；受库水影响的堆积体有8处，其中7处堆积体的破坏模式以塌岸为主，不会发生堵江，16#堆积体的破坏模式为滑坡，存在堵江及涌浪风险。利用GeoStudio软件的SLOPE/W边坡稳定性计算模块对16#堆积体进行了稳定分析，并采用分析模拟法和潘家铮法对滑坡堵江风险进行了预测，最后利用滑坡涌浪经验公式分析了涌浪对滑坡对岸、水库上下游岸坡和大坝的影响。

2 库区地质概况与堆积体基本特征

2.1 库区地质概况

库区为干热河谷气候，降水量小、蒸发量大，年降水量多在380 mm以内，年蒸发量1 600 mm以上。库区地形陡峻，河谷深切(图1)，岸坡平均坡度30°以上，部分地段可达40°～60°，少数地段形成悬崖峭壁。基岩多出露，岩性主要为变质岩，其次为岩浆岩。变质岩以云母石英片岩为主，部分地段有石英千枚岩分布；岩浆岩成分复杂，以蛇绿混杂岩为主，岸坡外围出露有石英闪长岩及花岗闪长岩。第四系厚度小，分布零散，主要成因类型有冰积、崩坡积及滑坡堆积。库区构造复杂，南北向断裂构造十分发育。库区地震基本烈度为Ⅷ度，水平向地震动峰值加速度为0.20g。岸坡稳定性方面，无论是岩质岸坡还是土质岸坡，整体均稳定，局部岩质岸坡存在小规模崩塌、掉块现象。

图1 库区典型地貌形态Fig.1 Typical landform of reservoir area

2.2 堆积体基本特征

通过工程地质测绘，库区不良地质体类型均为第四系堆积体，共18处，分布情况如图2所示，主要沿金沙江干流两岸零散分布，格亚顶地段相对集中，基本地质特征见表1。

图2 堆积体分布Fig.2 Distribution of accumulation bodies

表1 库区堆积体基本地质特征Table 1 Basic characteristics of accumulation bodies in reservoir area

堆积体成因类型多样，主要有崩坡积、冰积、滑坡堆积等。据堆积体地质特征分析，目前均没有变形破坏迹象，处于稳定状态，不会堵江。工程运行期间，水位抬升，位于库水位以上的堆积体不受蓄水影响，稳定状态不会变化，不会堵江；部分淹没的堆积体稳定状态可能发生变化，存在失稳入库导致堵江及涌浪的风险，这样的堆积体有8处：2#、4#、7#、10#、11#、12#、14#、16#。其中冰积或冲洪积成因的堆积体，破坏模式以塌岸为主；崩坡积成因的堆积体，破坏模式为塌岸或滑坡。经工程地质分析研判，16#堆积体的破坏模式为滑坡，存在堵江风险，并可能诱发较大涌浪，距坝址也较近(3.9 km)，涌浪可能对滑坡区、水库上下游岸坡及大坝造成影响；其他7处堆积体的破坏模式以小规模塌岸为主，不会发生堵江。故16#堆积体为工作重点，需针对其开展堵江及涌浪风险研究。

3 16#堆积体基本地质特征与稳定性分析

3.1 基本地质特征

16#堆积体前缘高程约2 186 m，宽约390 m，后缘高程约2 650 m，总面积约29.8×104m2。地形平均坡度约34°，中上部地表较顺畅，中下部有一定起伏。根据工程地质测绘、钻探与物探测试，堆积体平均厚度约34 m，体积约1 000×104m3(图3)。

图3 16#堆积体工程地质平面图和典型地质剖面图Fig.3 Engineering geological plan and typical geological profile of accumulation body 16#

堆积体物质以粗颗粒为主，尤其是碎石、块石含量高，岩性多为石英闪长岩等坚硬岩。现场开展了3组颗分试验(编号GYD2-1、GYD2-2、GYD2-3)，试验中剔除了较大颗粒，以满足试验要求。成果如图4所示，堆积体物质以碎石、角砾、块石为主，三者平均含量达90%左右，砂粒及细粒土含量低。不均匀系数Cu>5，曲率系数平均值Cc约1.7，表明级配连续且良好。

图4 16#堆积体现场颗分试验曲线Fig.4 Particle gradation curves of accumulation body 16#

堆积体下伏基岩有两类，以F6-1断层分隔。一类为雄松群第三段(Pt2x3)云母片岩，分布于高程2 400 m以下；另一类为晚三叠纪(T3δo)石英闪长岩，分布于高程2 400 m以上。

3.2 稳定性分析

据现场调查，堆积体物质来源于后缘高陡岩质边坡不断崩塌堆积，目前没有变形迹象，整体稳定；工程运行期，水位抬升，堆积体中下部被淹，被淹段地形较陡，加之后缘仍有加载条件，可能因局部坍塌而引发上部解体式变形破坏，存在失稳入库发生堵江的风险。稳定性计算采用GeoStudio软件的SLOPE/W边坡稳定性分析单元模块进行，对现状、自重+2 302 m库水位、自重+2 302 m库水位降至死水位2 294 m以及自重+2 302 m库水位+Ⅷ度地震4种工况进行稳定性分析计算。

计算前，首先要确定地下水位和滑面抗剪强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)，两者是影响计算结果的关键因子。滑坡区为陡峻斜坡地形，加之降雨量小，堆积体物质多为碎石、块石等粗颗粒，渗透性强，难以保持较高地下水位。经钻孔水位观测，一般仅略高于江水位或与其一致。基于此，正常蓄水位2 302 m时，库水位以上的土体按无地下水考虑；2 302 m库水位降至2 294 m时，土体中地下水位也同步降至2 294 m。滑面抗剪强度根据堆积体的物质组成和参考坝址区类似堆积体的现场剪切试验结果、反演分析及工程经验综合确定。2 302 m库水位以上，c按10 kPa取值，φ按28°取值；2 302 m库水位以下，c按8 kPa取值，φ按26°取值。稳定性计算结果如表2所示。

表2 稳定性计算结果Table 2 Stability calculation results

计算表明，16#堆积体现状基本稳定，不会失稳；水库蓄水后稳定系数<1.0，可能失稳；2 302 m库水位时的稳定系数与该水位降至死水位时的稳定系数基本相同，说明水位降落对堆积体的稳定性几乎无影响；工况4表明水库运行期若发生Ⅷ度地震，堆积体很可能失稳。

4 堵江风险预测

采用两种方法进行堵江风险预测：一是蔡耀军等[15]提出的分析模拟法，即根据堆积体稳定条件及其所处河道的几何参数，预测堵江规模，然后按照堵江风险分级准则进行分级(表3)。若分级为高风险，则采用离散元颗粒流软件如PFC颗粒流程序对滑坡堆积形态开展进一步模拟研究；二是采用潘家铮法[16]预测正常蓄水位工况下滑坡滑速和滑坡堆积形态。

表3 堵江风险分级准则Table 3 Classification criteria for river blockage risk

4.1 分析模拟法

根据堆积体地质特征，现状无明显变形迹象，处于基本稳定状态，不会失稳入库造成堵江；蓄水后，因堆积体主体在中前部，前缘抵河床，重心低，可能发生低速滑动，存在堵江风险。预测堆积形态如图5所示，滑坡堆积物所占库水断面不大，对水库过流影响小，不会造成堵江。按堵江风险分级准则(表3)，属低风险，由此对滑坡堆积形态无需开展进一步模拟研究。

图5 失稳后堆积形态预测Fig.5 Prediction of accumulation shape after instability

4.2 潘家铮法

4.2.1 滑速预测

预测参数包括堆积体重度和滑面抗剪强度，天然重度取19.5 kN/m3，饱和重度取20.5 kN/m3；滑面抗剪强度：水上和水下黏聚力c均为0，内摩擦角φ分别为28°和26°。堆积体滑速过程曲线见图6，滑动过程类似一条开口朝下的抛物线。堆积体由静止开始滑动后，速度越来越快，到达抛物线顶点时滑速最大为3.98 m/s，此后滑速开始下降并最终停止。