张峰水库下伯候不稳定岸坡稳定性分析

1 张峰水库下伯候不稳定岸坡稳定性分析张峰水库下伯候不稳定岸坡稳定性分析 陈世伟 水利部山西水利水电勘测设计研究院 太原 030024 摘要摘要 库区周边不稳定岸坡在水库蓄水运行后 当遇到特殊外力作用时 经常出现大规模滑塌 对水库运行甚至大坝安全造成一定影响 文中对张峰水库库区下伯候不稳定岸坡沿其软弱夹层的 滑动进行了定性分析和定量计算 并提出了相应处理建议 关键词关键词 不稳定岸坡 软弱夹层 赤平投影图 地震 安全系数 中图分类号 TV222 文献标识码 B 1 1 工程概况工程概况 张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村北约 2km 的沁河干流上 工程包 括枢纽工程和输水工程两部分 属大 2 型 等工程 枢纽工程主要建筑物等级为 2 级 包括拦河坝 导流泄洪洞 溢洪道 供水发电洞 渠首电站及渠首输水泵站等 坝顶高程 763 8m 最大坝高 72 2m 正常蓄水位 759 0m 总库容 3 94 亿 m3 坝型为 黏土斜心墙堆石坝 输水工程为 等工程 包括总干 一干 大阳联接段 二干 三 干 由隧洞 渠道 倒虹吸 渡槽 扬水站及压力管道等组成 2 2 不稳定岸坡工程地质条件不稳定岸坡工程地质条件 该不稳定岸坡位于张峰水库库区左岸下伯候村至上伯候村之间 为岩质岸坡 河 水在此处走向为 N6 11 E 距大坝约 5 5km 不稳定岸坡高程 850 890m 河床高 程约 715m 顺河方向长约 300m 垂直河流方向宽约 100m 岸坡坡向为 NW 坡度为 20 50 不稳定岸坡上下游分别发育一沟 沟宽 80 150m 延伸较远 出露地层 上覆第四系中更新统洪积 坡残积紫红色低液限黏土和混合土碎石层 厚 10 20m 其中混合土碎石具架空结构 岸坡及冲沟两侧出露中生界三迭系下统刘家沟组灰紫红 色厚层细粒长石砂岩夹紫红色薄层砂质泥岩 该岸坡所处区地震动峰值加速度值 0 10g 地震烈度为 7 度 地震动反应谱 0 45s 基岩岩层产状为 N13 31 E NW 6 12 据现场节理裂隙统计 主要发育两组剪性节理裂隙为 N20 30 E SE 50 70 N60 80 E SE 60 80 节理面平直光 滑 宽 0 5 5mm 延伸较长 裂隙间距 0 5 2m 属较发育 多无充填 地下水类型 为碎屑岩类裂隙水 主要接受大气降水补给 向右侧河流排泄 水力坡度 3o 5 2 由于位于砂页岩区 砂岩与泥页岩互层性较发育 故该岸坡局部存在上层滞水 3 3 不稳定岸坡稳定性分析和计算不稳定岸坡稳定性分析和计算 3 1 不稳定岸坡稳定性分析 3 1 1 定性分析 不稳定岸坡存在的三要素为临空面 滑面和后缘 而岩质岸坡的地形地貌 岩层 产状 岩性 节理裂隙发育程度及外力作用 库水 地震 又成为上述三要素的子要 素 首先 该不稳定岸坡上下游发育两条近乎垂直河流的冲沟 上游冲沟高程 725 830m 沟宽 20 50m 延伸长约 140m 下游冲沟高程 720 820m 沟宽 15 30m 延伸长约 120m 由以上两冲沟和河床可构成不稳定岸坡的侧向切割面和临 空面 使该岩坡具双沟同源性 其次 该不稳定岸坡坡向为 NW 坡度为 25 50 岩层倾向也为 NW 向 与地形坡向一致 而倾角为 6 12 其倾角小于不稳定岸坡 坡角 另据现场勘察资料 岸坡由粉砂岩 砾岩 细砂岩夹砂质泥岩组成 在 727 55m 高程以上岩层中夹 5 层厚分别为 2 65m 0 99m 0 40m 0 50m 0 35m 的紫 红色泥岩 这 5 层泥岩在河床之上的岸坡也有出露 可视为不稳定岸坡的滑面 再次 该岸坡基岩中节理裂隙较为发育 其相互切割可构成不稳定岸坡的侧向切割面和拉裂 面 后缘 据滑面为单一结构面的岩质滑坡经验 当滑面倾角大于 10 地面坡度大于 25 且坡向与岩层倾向一致时 不稳定岸坡较易产生滑动 该不稳定岸坡完全符合 上述条件 当水库蓄水后 该不稳定岸坡部分将被库水长期冲刷和淘蚀 不但导致部 分岩体物理力学性质降低 如内摩擦角 抗剪强度 增加不稳定岸坡重度和下滑力 同时也消弱了岸坡岩层的支撑力 在雨季 大量雨水将沿第四系松散的低液限粉黏土 和具架空结构的混合土碎石等透水通道渗至基岩面 然后再顺基岩中拉裂的结构面渗 至高程约 730m 相对隔水层砂质泥岩后停止 从以上分析不难看出 水库正常蓄水后 该不稳定岸坡中砂质泥岩夹层将被库水 和雨水长期浸泡软化形成较为稳定的滑面 在特定的外力作用下 如洪水或地震等 该岸坡极易失稳产生局部松动 坍滑 甚至整体滑动 对水库产生不利影响 3 1 2 赤平投影图解法分析 据野外勘察时所收集的原始资料 对该不稳定岸坡边坡 岩层产状 节理裂隙绘 3 制赤平投影图 见图 1 图 1 各结构面赤平投影图 由图 可知 两组节理裂隙在赤平投影图上的投影弧位于岩层产状及坡面投影弧 的另一侧 说明两组节理裂隙倾向与岩层产状及不稳定岸坡坡面倾向相反 两组节理 裂隙投影弧的交点也位于岩层产状及坡面投影弧的另一侧 说明该两组节理裂隙的组 合交线倾向也与岩层产状及不稳定岸坡坡面倾向相反 由上分析可知这两组节理裂及 其组合对该不稳定岸坡不构成任何不利影响 节理 在赤平投影图上的投影弧与岩层产状及坡面的投影弧呈大角度相交 两交 点与圆心的连线与岩层倾向呈小角度相交 说明该不稳定岸坡的两侧可能受节理 的 切割而形成侧向切割面 另外不稳定岸坡在卸荷裂隙和两组节理裂隙切割的共同作用 下 也极易形成后缘的拉裂面 其次 岩层产状在赤平投影图上的投影弧落于边坡产 状在赤平投影图上投影弧的外侧 两投影弧端点的连线又呈小角度相交 说明该不稳 定岸坡岩层 软弱夹层 的倾角小于其坡面 临空面 的倾角 且倾向基本相同 由 以上分析不难看出 该不稳定岸坡存在一定的不利因素 当遇地震等特殊外力作用时 有可能产生失稳 3 2 不稳定岸坡稳定性计算与误差分析 3 2 1 稳定性计算 该不稳定岸坡上覆第四系低液限粉黏土和具架空结构的混合土碎石 下伏基岩节 理裂隙较为发育 总体渗透性较好 故不会产生太大水头的静水压力 因此在计算时 4 不考虑静水压力作用 针对该不稳定岸坡在水库运行期间的实际状态 现按其受力情 况分基本组合和特殊组合两种状态对其进行稳定性计算 基本组合状态 在水库正常蓄水位条件下 不稳定岸坡处于部分饱水状态 无其 他任何因素影响 稳定系数采用式 1 进行计算 1 sin sectancos ss ss hh chh K 特殊组合状态 按较不利组合状态考虑 即在水库正常蓄水位条件下 不稳定岸 坡处于部分饱水状态并考虑地震力影响 稳定系数采用式 2 式 3 进行计算 2 Fhh chh K ss ss sin sectancos 3 g ha F 式中K为稳定系数 为不稳定岸坡的天然重度 kN m3 s为不稳定岸坡饱和重度 kN m3 h为不稳定岸坡的垂直厚度 m hs为不稳定岸坡饱和部分的厚度 m C为不稳 定岸坡滑面的凝聚力 kPa 为不稳定岸坡滑面的内摩擦角 为不稳定岸坡滑面的真 倾角 F为不稳定岸坡所受地震力 kN m a为地震加速度 m s2 g为重力加速度 m s2 不稳定岸坡的天然重度 取其试验平均值 26 4kN m3 不稳定岸坡饱和重度 s 取其试验平均值 26 6kN m3 水的重度 w取 10kN m3 不稳定岸坡的垂直厚度h取正 常蓄水位范围内泥岩夹层以上高度 按 20m 考虑 hs取正常蓄水位以下至泥岩层的厚 度 按 15m 考虑 不稳定岸坡滑面的真倾角 取 9 滑面C 值按照 水利水电 工程地质勘察规范 GB50287 99 附录 D 中所列结构面 软弱夹层的抗剪断强度取 值范围 并参考本次试验资料进行确定 滑面摩擦系数f tan 取 0 29 滑面的 凝聚力C取 20kPa 地震加速度a与重力加速度g的比值在 7 度地震区为 0 1 安全系数Ks参照相关规范 可采用 1 10 1 25 考虑到该不稳定岸坡未曾滑动 过 其侧缘 后缘存在一定的摩阻力 故安全系数按 1 25 考虑 经计算 不稳定岸 坡处于基本组合状态 即在水库正常蓄水位条件下 不稳定岸坡处于部分饱水状态 无其他任何因素影响时 稳定系数为 1 31 大于安全系数Ks 处于稳定状态 不稳 定岸坡处于特殊组合状态 即在水库正常蓄水位条件下 不稳定岸坡处于部分饱水状 态并考虑地震力作用 稳定系数为 0 86 小于安全系数Ks 处于滑动状态 3 2 2 计算误差分析 5 计算时假设滑面为高程约 730m 的砂质泥岩层 且沿其产状这一稳定结构面滑 动 但在实际失稳时 滑面极其复杂 故计算结果存在一定误差 计算不稳定岸坡 受力时 仅考虑了其自重 部分饱和自重和地震力 未考虑水压力 动水压力和静水 压力 扬压力 渗透压力 泥沙压力 浪压力 冰压力及温度等其他作用力的影响 计算结果也存在一定误差 在计算时 各参数取值也存在一定误差 如不稳定岸坡 重度取值就只考虑基岩值而忽略了覆盖层的作用 也影响计算结果的准确性 4 4 不稳定岸坡工程处理建议不稳定岸坡工程处理建议 针对该不稳定岸坡的具体工程地质特点 现提出开挖 固结灌浆 排水及防渗三 点工程处理建议 开挖 将该不稳定岸坡临河部位上覆低液限粉黏土及碎石混合土 部分清除 后缘部位的全部清除 以减轻其下滑力 对不稳定岸坡安全有利 固结 灌浆 开挖后对岩基进行固结灌浆处理 灌浆孔深入高程 730m 附近砂质泥岩夹层以 下 5m 这样一方面可以增加滑面与不稳定岸坡的整体性 另一方面也可增加滑面的 抗剪强度 对不稳定岸坡安全有利 排水及防渗 在不稳定岸坡后缘及侧缘修筑浆 砌石排水渠 减少雨水对不稳定岸坡的入渗量 降低滑面中砂质泥岩的软化泥化程度 对不稳定岸坡安全有利 5 5 结语结语 库区不稳定岸坡的稳定性是大坝工程中较重要的工程地质问题之一 尤其是在水 库正常蓄水运行后 当受到不可抗拒的外力作用时 如地震等突发性事件时 极有 可能大面积产生快速的滑塌 对大坝安全甚至人民财产造成不可估量的威胁 本文对 张峰水库库区下伯候不稳定岸坡的稳定性进行了较为详实的分析和计算 并提出了相 应的处理建议 为类似工程地质问题的评价和处理提供了宝贵的工程经验 作者简介 陈世伟 男 1975 年生 1999 年毕业于河北地质学院 工程师 收稿日期 2008 02 26 6 AnalysisAnalysis onon StabilityStability ofof XiabohouXiabohou UnstableUnstable ShoreShore SlopeSlope inin ReservoirReservoir AreaArea ofof ZhangfengZhangfeng ReservoirReservoir CHEN Shi wei Abstract Abstract When the reservoir is impounded and the particular external forces are encounterd usually the sliding on a large scale may occur on the unstable shore slope in reservoir area It will produce certain influence on reservoir running and dam safety The article carries out the qualitative analysis and quantitative assessment on s