大海子地震坝稳定性分析.doc

岷江叠溪大海子地震堰塞坝稳定性分析段启忠(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 611731)摘要：岷江叠溪大海子地震堰塞坝的稳定性对下游天龙湖水电站工程建筑物能否正常运行有直接影响。本文通过对1933年叠溪地震堰塞坝的形成与溃垮分析，重点对大海子地震堰塞坝的现状、坝体物质组成、结构特征及渗透特性等进行了论证，并对大海子地震堰塞坝的稳定性进行了定性及定量分析。关键词：叠溪地震；大、小海子；堰塞坝；稳定性；天龙湖水电站中图分类号： 文献标识码： 文章编号：天龙湖水电站即是利用小海子天然堰塞湖引水至下游发电，其大坝即为1933年叠溪地震所形成的小海子天然堰塞坝。小海子上游库尾紧接大海子堰塞坝，因此，论证大海子地震堰塞坝的稳定性及其对下游天龙湖水电站工程建筑物的影响具有重要的现实意义。1 叠溪地震堰塞坝群的形成与溃垮1933年8月25日15时50分30秒，叠溪发生了一次Ms=7.5级的强烈地震，震中烈度达到度，震中区山崩城陷，人畜伤亡惨重，且河谷溪涧多处堵断，堰塞成坝，积水为湖，岷江绝流；46天后，10月9日下午7时，岷江干流上的堰坝溃决，特大洪水沿江而下，直达都江堰，又造成了惨烈的次生灾害。地质学家常隆庆教授于当年10月在现场草测了一幅地形图(图1)，标出了岷江干流上三座堰塞坝的位置。这次地震中，在岷江干流上，自下而上形成叠溪海子、小海子和大海子三个堰塞湖。大海子、小海子和叠溪海子三个堰塞坝形成之后，岷江干道断流四十余日，至1933年10月9日湖水决坝溃下，酿成巨灾。此后，直到1986年的五十余年间，未再见有大、小海子堰塞坝溃垮的报导。1986年6月15日和1992年6月28日，在天然洪水和人工导漂工程的综合影响下，大海子堰塞坝上又发生了局部被冲刷的情况，并引起一定规模的溃垮洪水。2 大海子地震堰塞坝的稳定性2.1 大海子堰塞坝的现状大海子坝的横断面，1960年和1988年各有一个资料，列于表1。大海子水库形成之初，库长最大可能曾达10km，目前回水长度已不足3.5km，五十余年间，库尾淤积部位下移了6km以上。大海子堰塞坝横断面尺寸数据表1坝高(m)坝顶宽(m)坝底宽(m)上 游 坝 坡下 游 坝 坡资料提交年 份水上部分平均坡度值水下部分平均坡度值平均最陡水上部分平均坡度值水下部分平均坡度值平均最陡1559015301:4.51:7.01:6.61:3.291:6.71:3.71:5.21:1.861960年1307515001:3.01:9.11:7.01:3.01988年在天龙湖水电站初设阶段勘测过程中，四川省水利水电勘测设计研究院于2000年5月对大海子堰塞坝进行了现场测绘，根据地质测绘资料(见图2)及大海子水下地形测量资料，大海子目前库水位2221.5m，与小海子水位(2148.0m)高差73.5m。库水最大水深57m，库容2508104m3，大海子堰塞坝坝高约150m，坝长780800m，坝顶宽100150m，底宽1700m左右。上游坝坡水上部分平均坡比1:2.9，水下部份平均坡比1:9.2，下游坝坡水上部分平均坡比1:6.8，水下部分平均坡比1:2.8。其坝坡形态与1988年实测资料基本一致。坝体中部靠左侧有一天然溢洪道，溢洪道平面上呈弧线不规则分布，水深23m，溢洪道底宽3040m，顶宽80100m，坡高1020m，左侧边坡坡度3040，右侧边坡坡度4050，局部在70以上。二十世纪八十年代在溢洪道冲刷段修建了一些岷江导漂(木)堤坝，以保护溢洪道岸坡的稳定。目前大海子堰塞坝天然状态整体稳定，未见垮塌现象。值得指出的是，现存堰塞坝相当于坝面溢流的土石坝，由于堆积体中不同程度地含有巨大孤石，在洪水多年反复的冲刷下，地面上细颗粒被冲走，粗颗粒和巨石逐渐富集，对坝面特别是天然溢洪道起到了一种自我保护作用。2.2 堰塞坝体物质组成和结构特征2.2.1 母岩大海子坝由三叠系的变质砂岩岩块组成，间夹少量石英云母片岩、石榴子石片岩和大理岩。岩石坚硬，抗风化能力较强，即使是云母片岩块体，在堰塞坝形成后的几十年中，也没有明显的风化现象。2.2.2 块度和颗粒组成基岩崩塌形成的堰塞坝，其表面往往富集有大量巨型岩块，在大海子堰塞坝的坝面上，块径510m，重量数百至千余吨的巨石比比皆是；现场观察到的岩块，最大块径可超过2030m，重量当在数千至万吨以上。坝面天然溢洪道中，巨石更为集中。沿途很多跌水常由这些巨石组成，起到稳定坝面和消减水能的作用。2.2.3 岩块形状及风化影响大海子堰塞坝的岩块，均以等轴块体或厚层状块体的形状为主，棱角分明，没有磨圆现象，是内磨擦角最大的一种块碎石形状。堆积体中的岩块，岩质坚硬，虽经历了60年酷暑严寒的磨练，风化作用表现得却并不强烈。表层的风化在某种程度上保护了岩块的内核，由风化岩块构成的坝体，经受了60余年洪水漫坝的考验而屹立不动。2.2.4 堆积体的结构特征和密实度中科院南水北调综合考察队根据现场观察和少量物探资料，认为大海子坝由第四系细粒物质和基础崩石两部分组成，第四系有湖相粘土，坡积碎屑物质等，主要分布在坝体的下部，而且从上游到下游逐渐加厚；基岩崩石则覆压其上。四川省水利勘测设计院1971年提交的工程地质勘察报告，在天然堆石坝纵、横剖面图中，推测堰塞坝中部的地震崩塌体厚度约160m，其下在原河谷底部伏有一层现代河流冲积层，厚2025m，估计向上、下游很快尖灭，形似被包埋在崩塌体中的透镜体。地震崩塌体的块碎石堆积物具有不均匀的结构特征，主要表现在两个方面：一是块碎石的粒度组成在空间上是不均匀的，二是大块石之间常可见到架空现象。从现场观察和少量勘探资料看，这种不均匀性往往呈团块状随机地散布在坝体中，没有明显的成层成片分布的情况。综合上述论述，大海子坝的整体结构主要由右岸银屏崖垮塌物组成，也有一部分崩塌物质来自左岸观音崖。在崩塌过程中，把位于谷坡中、高部残留的部分第四系新、老堆积挟裹于其中，并把原在谷坡下部和谷底的第四系松散堆积物裹埋于其下，从而以巨大块碎石为主的崩塌体中及其底部，形成一些不规则、颗粒相对较细、结构相对松软的第四系团块或透镜体。但看来它们并没有成为堰塞坝体内连片成层的软弱夹层，更不可能形成下部为第四系物质，上面盖着一顶大块碎石组成的“帽子”那样的两层结构。基岩陡壁崩塌而成的地震堰塞坝，其堆积过程可与人工定向爆破坝作某种程度上的类比。从已建的国内外一些定向爆破坝的实际情况看，岩块的最大坠落高度不过200300m，在定向爆破的过程中，岩体被炸药爆裂抛出后，在空中互相撞击破碎，再由高处坠下，起到了强力压实的作用，致使爆破堆石体中下部的压密程度很高，据实测资料，干密度一般在2.0g/cm3以上。大海子坝的主要物质来源是银屏崖，大量岩块的坠落高度可达10001500m，远大于定向爆破的高度，因此，其压密作用应该大于定向爆破坝，也就是说，崩塌体物质的干密度总体上应该大于2.0g/cm3，坝体的沉降过程应该早已结束。2.3 堰塞坝的渗透特性及抗渗变形特征考察资料表明，大海子坝下游坡的水上部分，于天然溢洪道出口的右侧，发现有11个渗流孔，总流量为238 l/s，用盐溶液作试验，证明其中60%由溢洪道渗入，仅40%为从库区渗来。四川省水利勘测设计院还在大海子坝体上的两个钻孔中进行抽水试验，渗透系数一般7.110-22.110-1cm/s，最大值为2.610-1cm/s，最小值9.910-3cm/s，具有浅部渗透系数较大，向深部递次减小的趋势。钻孔的深度分别为28m和34m，上述结果代表了堰塞坝左岸上部的渗透特性。可见，大海子堰塞坝上部是有一定渗透性的(属强至中等透水层)，水的来源主要是由常年过水的天然溢洪道中渗入，经短途运移，在小海子库尾复又排出地面。1960的中国科学院南水北调综合考察队曾对大海子的入库流量和天然溢洪道的出库流量进行测定，两者基本相等，变差在5%以内。同年，在坝面上进行的物探工作，测得坝体结构可分为上、下两个部分，根据资料分析，认为上段为2530%的大孔隙度区，而下段则是2025%的小孔隙度区，说明下段的物质粒径较上段为细，结构更为紧密。这些资料分别从震后观察、流量平衡和坝体结构的角度，证明大海子堰塞坝作为一个整体，透水性不强。大海子坝没有人工设置的防渗体。然而，有许多事实说明其抗渗稳定性是良好的。叠溪地震之后，岷江断流40余天，在大海子蓄水的20天中，大海子坝承受的最大水头达到160170m，没有出现严重的渗漏和渗透稳定问题。叠溪海子溃决后，大海子坝上下游水位差为3040m，1936年小海子坝局部溃垮后，两海子间的水位差增大到6065m，50多年来安全挡水，说明即使当初存在局部管涌现象，也早已达到平衡状态，而没有影响坝体的稳定性。而且，正由于没有人工防渗体，大地震中坝体自然不可能出现防渗体裂缝或错开而造成的渗透稳定问题。综上分析认为，大海子坝上部(2834m以上)，由于组成坝体物质以粗粒为主，透水性较强，属强至中等透水性，中下部组成物质细粒含量较高，透水性向深部依次减弱，以中至弱透水层为主。堰塞坝经历次洪水冲刷，目前大、小海子水位天然坡降仅0.080.09，缓于天然坝体允许水力坡降，且坝体大的孤块石形成了骨架作用。因此，天然堰塞坝抗渗透变形能力强。2.4 堰塞坝的稳定性评价2.4.1 大海子堰寒坝稳定性的定性评价2.4.1.1 堰塞坝的抗冲能力大海子堰塞坝自1933年8月25日形成之后，经受过一次溃坝、三次漫坝冲刷，即同年9月14日漫坝、10月9日溃坝，1986年6月15日和1992年6月28日漫坝冲刷。其中以1933年10月9日溃坝洪水造成的影响最大。1933年10月9日叠溪海子和小海子相继溃决，引动大海子坝顶以上超高部分的水体同时下泄，大海子水库中水位消落为1215m。这样，可粗略地估算，在两、三个小时内，大海子坝面上过水的洪峰流量，当在10000m3/s以上（约为万年一遇洪水流量的6倍）。然而，如此猛烈的洪水翻坝而过，并没有将堰坝冲垮，实际刷深仅1214m，不到当时坝高的十分之一，不能不说是一大奇迹。这一情况充分说明，由基岩大岩块从高空砸落堆砌而成的地震堰塞坝，实在是具有超凡的抗冲刷能力。大海子堰塞坝经过四次特大洪水冲刷情况表明，由基岩大岩块从高空堕落堆砌而成的地震堰塞坝，具有超强的抗冲力。近期实测表明，溢洪道入口和出口之间水平距离约750m，大、小海子水面高73.5m，平均坡降9.8%。目前新溢洪道已布满了大小不等的巨石，出现多级小跌坎，具有相对稳定的急滩河槽的形态。客观上阻止了进一步冲刷下切的可能性。对于大海子坝来说，再次遇到1933年10月的情况，是绝无可能的。从1986年局部溃垮的情况分析，今后大海子坝再遇较大洪水的袭击，水流仍将限制在现今溢洪道的槽谷内，不会出现沿大坝背水坡漫溢的情况。即使再遇上超过万年一遇的洪水，只要溢洪道口门和上段的巨石不受人为破坏，洪水影响将主要表现为槽底略有刷深，背水坡的冲刷不会超过本次水平。1992年的局部冲宽拉深事件，再次证明只要人们在开发利用大海子之时，妥善处理人类工程建设与自然条件之间的关系，把眼前利益与长远的环境、生态改善很好的结合，大海子坝抗天然洪水的能力是很高的。2.4.1.2 堰塞坝的抗震能力 (1)大海子堰塞坝的组成物质以变质砂岩为主，夹少量结晶片岩和大理岩，块体主要是等轴棱角状，极少见到片状、针状颗粒。块径大小参杂，岩质坚硬，风化微弱。这是内摩擦角最大的一种松散土石料，使堰塞坝体中易于形成由大块石组成的坚固而稳定的骨架，对保障坝体的稳定性极为有利。(2)大海子坝体形成之前，河床底部可能有不厚的现代冲积层，右岸也有残留的第四系阶地沉积物和坡积物，以及过去大规模岩崩形成的崩积物。按照四川省水利勘测设计院1971年现场地质测绘资料，这些沉积物分布范围比较零星，厚度有限，除少量湖相粘土外，均为粗粒的碎、块石或卵砾石夹亚砂土。估计它们在地震崩塌过程中呈团块状、透镜状包裹在基岩块碎石中，不可能形成连贯成层的夹层或集中在坝体的某一部分。(3)定向爆破筑坝的经验告诉我们，当岩块从岩坡爆落，其抛掷下坠的巨大动能，使岩块互相撞击破碎，大小不等的石块岩屑冲向谷底，挤压得十分密实。大海子堰塞坝岩体的崩落高度达到1000m以上，比定向爆破筑坝的抛掷高度要大得多，后者一般不超过200300m。可以认为，大海子坝体堆积物的物性和力学指标，至少不会低于人工定向爆破坝。(4)大海子坝的实测坝坡值(表1)，可以看到，大海子坝上、下游坝坡的坡度，远远小于抗震设计所要求的最低值，甚至远远小于一般土坝采用的数值。因此，大海子坝断面的安全度是极高的。这样，大海子坝坝体的各项性能指标均优于或至少相当于人工建造的堆石坝和定向爆破坝，而它已具有的断面又远远缓于堆石坝抗震设计的数值。据分析认为，在发生特大地震时，大海子坝体不会有明显的沉降和位移，坝面局部地段可能出现少量裂缝，也不排除天然溢洪道的右壁有可能产生一些局部垮塌，但这些小的变化不会影响大海子坝的整体稳定性。通过以上分析，可以得出这样的结论：即使本地区再次发生叠溪1933年地震那样的强烈地震(震级7.5，震中烈度度)，大海子坝不会受到明显的破坏，出现坝体突然溃垮的灾害性变故的可能性极小。2.4.2 大海子堰塞坝的稳定性计算从上述定性分析可知，大海子坝稳定状况较好。为进一步评价大海子坝的稳定性，本次进行了简略的计算，以期对大海子坝有一个较为定量的评价。(1) 计算方法及参数采用摩根斯顿-普赖斯法，此法将滑动体分成若干的条块，并对每一土条的力和力矩的平衡方程联解，求出滑动面的安全系数。计算参数见表2。堰塞坝物理力学指标建议值表2名 称密 度抗剪强度渗透系数干天然饱和CMPacm/sg/cm3天然饱和天然