金沙江乌东德水电站金坪子滑坡稳定性分析

金沙江乌东德水电站金坪子滑坡稳定性分析

乌德水库遗址的右岸为云南禄职县，左岸为四川省会东县。它是金沙江下游四个水库中最上游的一个，也是一个一流（1）工程的一部分。电站上距攀枝花213.9km、下距白鹤滩水电站182.5km,正常蓄水位975m、防洪限制水位952m,水库总库容74.08亿m3,具有季调节功能;电站装机容量10200MW、多年平均发电量389.3亿kW·h;主要由混凝土双曲拱坝、左岸3条泄洪洞、两岸对称布置的各6台发电机组的地下厂房等建筑物组成;以坝身泄洪为主,左岸泄洪为辅;施工期则在两岸靠山侧分别布置2条和3条隧洞进行导流。1工程地质特征乌东德水电站地处我国地势第一阶梯的川、滇山地与第二阶梯的过渡段地貌区,区内山顶高程达2000~3000m,属强烈构造侵蚀作用为主的中山峡谷地貌;金沙江河谷深切,岸坡高陡,临江高差多在1000m以上。区域地层岩性复杂,具基底和盖层双层结构,基底多褶皱强烈,盖层平缓。坝址区位于川滇菱形块体内部,场址区无活动断裂,活动断裂距坝址16km以远,6级以上地震震中距坝址45km以远,7级以上地震震中距坝址50km以远,地震影响至坝址的烈度均不超过Ⅶ度。坝址两岸地形基本对称,河谷狭窄、陡峻,为典型的“V”形谷,部分河段呈峡谷套嶂谷的形态特征:左右岸谷肩高程分别约为1836m和1630m(以河床地面计),左右岸自然高边坡分别高达1036m和830m;高程1050~1200m以上岸坡坡度总体相对稍缓,坡角约43°~45°,以下则岸坡陡立,坡角一般60°~75°,局部近直立;在两岸缓、陡交接部位局部有宽缓的平台。坝址区所处河段长约1.8km,河道基本顺直,流向SE160°,至金坪子滑坡前缘弧形拐弯后以225°方向流向下游;枯水期江水位约815m,相应水面宽100~150m,水深15~20m;河床地面高程约800m(图1)。坝址区地层为中元古界古老地层,由盖层和褶皱基底组成。盖层包括震旦系澄江组Z1c、观音崖组Z2g、灯影组Z2d和二叠系梁山组P1l、阳新组P2y和峨嵋山组P3em;褶皱基底包括会理群因民组Pt2y、落雪组Pt2l和黑山组Pt2hs。盖层和褶皱基底之间为角度不整合接触,盖层内震旦系与二叠系之间缺失寒武系~石炭系地层,为平行不整合接触。上部盖层缓倾左岸,下部褶皱基底是枢纽建筑物的建基岩体。褶皱基底一般横穿河谷,陡倾下游,由灰岩、白云岩、大理岩化白云岩等组成,局部地层受断层等影响产状和单层厚变化较大(图2)。枢纽布置区出露的地层有因民组和落雪组,因民组分为2段,主要为大理岩化白云岩;落雪组分为10段,由灰岩、白云岩、大理岩化白云岩等组成;落雪组第3段中厚层~厚层灰岩、白云岩等是坝址区工程地质性状最好的岩体。坝址区河床覆盖层深厚,一般厚55~65m。断层不发育,共有4条相对较大的断层,即红沟断层F3、白沟断层F14、花山沟断层F6、雷家湾沟断层F15,裂隙总体上不发育。岩溶总体弱发育,在右岸见一个规模相对较大的K25岩溶斜井,其它一般为规模不大的小溶洞或溶缝。地应力水平不高,为低~中地应力水平。2金平子大倾角研究与论证2.1金坪子斜坡概述在乌东德水电站预可行性研究勘测设计招标文件中,曾以遥感解译成果为依据,将坝址右岸下游约900m的金坪子斜坡全部定义为体积约6.2亿m3的巨型滑坡。该滑坡的规模和稳定性是关乎到枢纽如何布置或坝址能否成立、甚至是关系到乌东德梯级水电站是否可行的重大地质问题,必须在预可研阶段作出明确回答。为此,长江勘测规划设计研究院(下简称长江设计院)进行了专题研究。2.2不同技术方案的独立不同指导路径与勘察布置对该“巨型滑坡”,经过反复分析,决定采取综合技术与手段按“整体布局、突出重点、动态调整”的思路进行勘察,具体研究路径与勘察布置参见图3、4。2.3金坪子斜坡专题研究成果表明,金坪子斜坡不是一个具有统一滑面的滑坡,而是可划分为5个区,其中两个区为完整基岩,其它3个区是形成机制不同、稳定性差异较大的第四系堆积体。其中Ⅴ区和Ⅳ区是连续、完整、稳定的基岩;Ⅲ区是深嵌于古河床的、稳定的、体积约1.08亿m3的古滑坡堆积体;Ⅱ区是稳定性差、体积约2700万m3的蠕滑坡体;Ⅰ区是总体稳定性较好、体积约6050万m3的崩塌堆积体。因此,金坪子斜坡不影响乌东德水电站梯级的成立,更不影响该坝址的选择,但枢纽布置时需考虑尽可能减少对Ⅲ区前缘的冲刷。另外,对Ⅲ区前缘、Ⅱ区滑坡、Ⅰ区堆积体,需采取适当的措施进行处理并加以监测,设计根据地质建议确定了相应的治理方案。3影响布局关键地质条件的主要地质条件3.1大坝坝段地质位置及坝线研究乌东德水电站枢纽布置的关键是选好坝线和厂房三大洞室的位置,受坝址峡谷河段不长的特殊地形地质条件限制,坝线和厂房位置的选择可以分别单独考虑。前面已述,坝址区相对最好的岩体是中元古界会理群落雪组第三段Pt32l中厚层~厚层灰岩、白云岩等,其分布的范围不大,且受多期构造活动的影响,产状和层厚变化较大。大坝和厂房布置时如何充分利用坝址区最好的岩体,准确查明落雪组第3段岩体所处空间位置是关键(见图2)。另外,坝线的选择还需考虑岸坡形态、坝肩所处岸坡岩体卸荷情况、河床基岩顶面高程及风化情况、坝肩以上自然边坡稳定性、抗力体稳定性、K25岩溶斜井对右坝肩稳定性的影响等。为此,在距Ⅰ坝线上、下游分别约63,70m处,共拟定了3条坝线进行比选。由于构造复杂、岩组厚度变化大、岩体质量差异大,特别是右岸好岩体分布范围十分狭窄,地下厂房选择的地质工作难度很大,需采取一切可能的勘察手段,准确查明各岩组岩体特别是好岩体的空间分布及其性状。3.2水库-土地测量研究技术路径坝线选择及厂房三大洞室位置确定的专项勘察研究技术路径见图5,6。3.3推动大坝地质解释明确规定坝线选择专项勘察研究表明,上坝线两岸坝肩因地层岩性差别较大,存在明显的两坝肩不均匀变形稳定问题;下坝线因距K25岩溶斜井太近,右坝肩存在明显的变形稳定问题;而Ⅰ坝线不仅充分利用了坝址区最好的岩体,而且没有明显的地质缺陷,综合地质条件相对最优,地质推荐Ⅰ坝线为最优坝线。设计最终亦采纳了地质建议,在Ⅰ坝线进行大坝布置。两岸厂房位置选择勘察研究表明,右岸适宜布置厂房三大洞室的落雪组第三段岩体分布范围狭小,在平面上呈三角形,设计需在狭窄的范围并结合地层产状情况进行精心布置;左岸适宜布置厂房三大洞室的落雪组第三段岩体分布范围相对较广,落雪组第二段互层大理岩化白云岩工程地质性状亦较好,可布置地地下厂房,考虑到该层单层厚度较第3段岩体薄,且层间多夹有千枚岩薄膜,地质人员建议在满足结构要求的情况下,尽可能将左岸厂房布置在落雪组第三段岩体内;另外,两岸厂房的布置需考虑开挖期江水可能产生的渗漏倒灌影响。设计人员最后根据地质建议,经综合考虑后将两岸地下厂房布置在导流洞靠山内侧,右岸地下厂房全部利用落雪组第三段岩体,左岸则大部分利用了落雪组第三段岩体,少部分位于落雪组第二段互层大理岩化白云岩中。4工程期间和运营期间的安全分析包括4.1参与程序工程及地质条件从前述坝址区基本地质条件可知,可能影响枢纽建筑物施工期和运行期安全的关键工程地质条件是高位自然边坡的稳定、局部边坡稳定和大坝基坑围堰堰基稳定以及河床深厚覆盖层的稳定问题。坝段附近左岸自上游红崖湾沟至下游彪水沟、右岸自上游大红沟至下游船房沟,为顺河流长约2.0km的峡谷段,河谷横断面为典型的“V”形,以河床地面计,两岸为高达1036m和830m的超高自然边坡,这段高陡自然边坡的稳定性不仅关系到各枢纽建筑物及施工人员施工期的安全,还关系到整个电站后期能否有效运行与管理。因此,自然高边坡的稳定性是事关枢纽建筑物施工期和运行期安全的关键之一。为此,对坝址区超高自然边坡的稳定性进行了专题研究。坝址区河床覆盖层深厚,一般厚达55~65m;上、下游围堰堰体高度分别约72,41m,基坑形成后的上、下围堰内侧边坡将高达109~137m,其稳定性关系到大坝基坑内能否安全、顺利施工。因此,河床深厚覆盖层的稳定性是施工期另一个关键地质条件。为此,亦进行了专题研究。4.2整体稳定和局部稳定问题研究技术路径坝址区枢纽建筑物范围内超高自然边坡稳定问题包括整体稳定和局部稳定问题,其研究技术路径见图7;河床深厚覆盖的特征及其构成的围堰堰基稳定性勘察研究技术路径见图8。4.3主要成就4.3.1边坡局部稳定问题(1)坝址区超高自然边坡基本地质条件地质宏观分析和数值计算成果皆表明,其整体稳定性好。(2)边坡存在的局部稳定问题主要是块体和潜在不稳定倾倒岩体,地质对这类局部稳定问题的空间位置、结构面组合情况、结构面产状和性状、稳定性等皆进行了定位和详细说明,为设计处理措施的确定提供了关键的和根本的依据。另外,边坡局部还存在基岩变形体的稳定问题。对右岸坡顶灯影组白云岩盖层构成的缓倾顺向坡、左右岸分布的钱窝子堆积体和梅子坪堆积体的稳定性亦进行了地质宏观分析、数值计算和监测,结果皆表明,它们的稳定性较好。地质建议在加强监测的同时,对前缘可能存在的局部稳定问题,需采取适当措施进行处理。为此,设计根据地质建议皆确定了相应的措施。4.3.2堰基河口覆盖层土体或级配样(1)上、下游围堰堰基河床覆盖层一般厚55~65m,最厚约73m。(2)组成物质多为粗颗粒,自下而上可分为三大层:第Ⅰ层是古河床冲积形成的砾卵石夹碎块石;第Ⅱ层主要是碎块石;第Ⅲ层是现代河床冲积形成的卵砾石夹少量碎块石。不存在连续分布、细颗粒组成的软弱土层。(3)原位试验、室内土常规试验、级配样室内模拟等试验成果皆表明,堰基河床覆盖层三大层土体呈中密状,抗剪强度较高、压缩变形模量较大,土体力学性状较好。(4)各种分析计算成果皆表明,堰基河床覆盖层不存在抗滑稳定和变形稳定问题,不存在震动液化问题,但存在渗透破坏稳定问题,需采取适当措施进行处理,设计采取了增设反滤层等处理措施。5混凝土人工骨料的研究5.1混凝土骨料初查和资料课程的确定乌东德水电站人工骨料的勘察过程比较复杂。首先根据1∶50000地质图及其综合地层柱状图,在近坝区50km范围内进行普查,广泛搜索分析有可能成为混凝土骨料的地层岩性及其分布情况;然后在坝址20km范围内进行现场复核,对初步确定有可能作为混凝土骨料的料场进行初查;再在初查的基础上确定几个可作为骨料的料场进行1∶2000地质测绘和钻孔、平硐勘探及各类试验等详查,准确确定骨料质量、储量、剥离层厚度等。经过普查、初查后,基本确定乌东德坝址枢纽建筑物开挖料、观音岩料场、马鹿塘料场可作为混凝土人工骨料并进行详查。初步详查结果表明,坝址区开挖料可作为混凝土人工骨料,而观音岩料场、马鹿塘料场存在因溶蚀或运距等原因而利用率低、投资太大等明显缺陷。2008年在坝址区下游6km处右岸施期陡崖上的勘探小路修好后,地质人员对其附近“白云岩”料场进行探索性普查,发现该部位地表岩性表现为白云岩,而在低高程同一层位的该层(处于陡崖部位,前期无法达到,只有修筑专门的勘探小路才能前去查看部位)的岩性却是灰岩。经进一步勘察,确定施期是较为理想的混凝土人工骨料场。5.2混凝土人工骨料的研究和技术路径乌东德水电站混凝土人工骨料勘察与研究技术路径见图9。5.3大理岩化白云岩人工骨料(1)坝址区枢纽建筑物开挖的落雪组灰岩、白云岩、互层大理岩化白云岩可作为混凝土人工骨料。(2)施期料场落雪组受地质环境条件的影响,上部灰岩已白云岩化,同一层位的中下部灰岩质量、储量皆可满足大坝用混凝土人工骨料要求。6枢纽布置时应注意的问题经过系统、艰难的地质综合分析与研究,乌东德水电站勘察过程中遇到的、目前水电工程中少见的关键或重大地质条件已经查明。(1)综合勘察分析研究查明了金坪子巨型滑坡不是一个具有统一滑面的滑坡。因此,该滑坡不影响乌东德水电站梯级的成立,亦不影响坝址的选择,但枢纽布置时需考虑减少或尽可能避免对Ⅲ区前缘的冲刷,以利Ⅲ区的整体稳定;另外对Ⅲ区前缘、Ⅱ区蠕滑体和Ⅰ区堆积体,需采取措施进行处理。(2)根据不同高程的平硐和钻孔结合声波等综合勘察手段分析,准确查明了坝址区相对最好的落雪组第三段