武都水库下游右岸变形体裂缝成因分析及处理方法

2017-08-16刘爱娟毛增产

四川水利 2017年4期

关键词：变形体武都大坝

张全，刘爱娟，毛增产

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，成都，611731)

武都水库下游右岸变形体裂缝成因分析及处理方法

张全，刘爱娟，毛增产

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，成都，611731)

武都水库下游右岸护堤工程存在一定厚度的覆盖层。由于处于大坝泄流产生的雾化降雨区范围内，大坝泄流期间覆盖层上出现了多条近平行于岸坡的拉裂缝，变形现象严重。通过分析可知裂缝形成的内因是覆盖层土体内存在工程性状较差的软弱面；外因是水库泄洪雾化降雨软化土体，水位抬升导致的下滑力、渗透力增大。稳定性计算表明，变形体在正常运用条件下较稳定；在非常运用条件Ⅰ和非常运用条件Ⅱ下不稳定。建议对变形体采用表层封闭、排水以及支挡、锚固等工程处理措施。

武都水库变形体裂缝雾化降雨软弱面

1 工程概况

武都水库工程位于四川省江油市涪江干流上游4km处。水库设计库容5.72亿m3，正常蓄水位658m，最大坝高120m，坝顶长736m，坝体为碾压混凝土重力坝，坝后式电站装机3台，总容量为15万kW。水库下游右岸护堤工程存在一定厚度的覆盖层。2011年9月至11月，武都水库大坝进入蓄水、底孔泄流时期。大坝下游一定范围内雾化作用强烈，右侧位于雾化降雨区内的覆盖层岸坡出现多条平行或近平行于岸坡的拉张裂缝，裂缝长达17m～110m，宽约3cm～40cm，裂缝两侧高差达2cm～40cm，可见深度达1m，开裂变形现象严重，在一定区域内形成变形体。随着泄洪停止，变形体的变形逐渐趋于平缓，该变形体若失稳将严重影响武都水电站正常运行和下游两岸边坡的安全[1]。变形体位置如图1所示。

2 变形体地质条件

2.1 基本地质条件

变形体位于唐王寨向斜南东翼，龙门山断层苦竹沟断裂(F7)与望乡台断裂(F9)之间。该处岩层走向为N54°E、倾角为NW∠70°，局部岩层褶曲比较严重。变形体内岩石软硬相间，顺层方向发育层间软弱夹层，岩体内发育6组构造裂隙。

图1 武都水库右岸变形体位置

变形体大致以F7断层和下游冲沟边缘为边界，后缘至597m高程R2公路内侧附近，前缘至580m高程公路外侧坡体处。变形体所处位置为斜坡坡脚地带，斜坡坡角为15°～20°，原始地形呈台阶状。高程575m以下为一级阶地、漫滩堆积，坡前缘较陡，坡角为25°～28°、坡高为5m～6m。

变形体及其邻近范围内岩土体成因多样，物质组成复杂，主要出露地层如下：

(1)第四系全新统人工堆积的块碎石夹粉质粘土(Q4s)，分布于坡体表层，厚1m～5m，结构松散，局部架空；

(2)第四系坡积粘土夹块碎石(Q4dl)，块碎石以灰岩为主且分布极不均匀，在平面及垂直方向均有变化，含量一般为5%～22%，在变ZK1和变ZK2处局部含量较高，可达35%～60%。坡积粘土以可塑状为主，土体局部发育有网纹裂隙，沿裂隙面存在黑色铁锰质膜，坡积粘土具有孔隙比大于1、干密度小、粘粒含量高、塑性指数高的物理特点，具有抗剪强度低、压缩性中等、透水性弱～中等的力学特征。该地层厚3m～5.9m；

(3)第四系残积粉质粘土(Q4el)，颜色一般较深，含钙质泥质粉砂岩、泥灰岩等，为软岩全风化产物。该层下部碎屑颗粒增多，可塑状为主，厚约2.26m～6.70m，以变ZK1～变ZK3一线较厚；

(4)第四系近代河流冲积弱胶结砂砾卵石层(Q41al)，结构密实，厚约1m～4m。河床及漫滩堆积物(Q42al)内叠于近代河流冲积层上部，为砂砾卵石层，结构稍密，透水性强；

(5)变形体前缘坡脚地带的块碎(卵)石层，冲积、人工弃渣崩垮形成的混合堆积物(Q4)，厚约4.6m～6.6m，块碎石含量40%～70%，块碎石构成的骨架间充填黄色粘土、中粗砂、砾、少量红色砖屑等，粘土多为可塑状，层内组成物质均一性差，结构松散，局部架空。

变形体所处地带岩体风化卸荷作用强烈，强风化带厚1.5m～13m，变ZK2处厚度最大，变ZK4、变ZK3处较薄为1.5m～3m，强风化岩体为镶嵌碎裂结构。弱风化带厚约8.3m～14.9m，弱风化、新鲜岩体为中～薄层状岩体结构。

变形体下伏基岩有三叠系下统、中统的钙质泥质粉砂岩、泥灰岩夹灰岩、结核状灰岩、结核状白云质灰岩、中～薄层状白云质灰岩、灰质白云岩等。

变形体内未见承压水，地下水以覆盖层及基岩孔隙潜水为主，局部可溶岩沿裂隙、溶隙富存有岩溶水。覆盖层渗透系数K=3.8×10-5cm/s～3.7×10-4cm/s，属弱～中等透水层。强风化岩体渗透系数K=1.1×10-4cm/s～7.2×10-3cm/s，属中等透水岩体，局部可溶岩中溶隙发育，为强透水，随着基岩埋深加大，透水性逐渐减弱，至弱透水、微透水层。

2.2 变形范围及其特征

变形体组成物质与成因比较复杂，从上至下分别为人工堆积、坡积、残积等，前缘下部有近、现代河流冲积堆积分布，各土层界面缓倾江心。下伏基岩以碎屑岩为主，风化、卸荷较严重，可溶性岩石呈夹层状分布，其岩溶不发育，基岩层理构造发育，层面较陡，倾山内及上游，岩体结构特征对基岩坡体稳定起控制作用。取样试验表明，坡积土层中的粘土夹块碎石抗剪强度最低。钻探成果显示，坡积土层底部局部存软塑状，并见局部剪切蠕滑迹象，变形体蠕动变形的底界面位于坡积物底部附近。

受变形特征控制，变形拉张裂缝的分布区域即为变形体的范围，上游以F7断层为边界，下游近于原冲沟边缘附近，后缘为597m高程以上R2公路内侧排水沟附近，前缘至580公路外侧坡体。变形体长83m～100m、宽92m～117m，厚约5m～10.6m，变形体方量约7.29万m3。

变形体上的拉张裂缝多分布于地形台阶的内、外侧附近，以597m高程以下R2公路、580公路内、外侧变形较大。长大裂缝延伸方向N3°～13°E、N5°～22°W，与其垂直方向的裂缝延伸较短，长大裂缝端部有斜向裂缝分布，延伸也较短，变形体变形方向与长大裂缝近于垂直。据测线变形观测成果，右岸雾化变形体整体有向东南位移的趋势，变形体主变形方向为向东略偏南。

公路内侧的浆砌块石部位出现大量拉张裂缝，局部块石外凸。坡积土体底部局部含水量增大，土体呈可塑～软塑状，并发生局部剪切蠕滑，钻孔揭示蠕滑带最大厚度约1.04m。变形体的主要变形特征为地表出现拉张裂缝、浆砌块石拉裂局部外凸、土层底部蠕变滑移等，地表未见崩塌、垮塌及滑塌现象发生。

3 裂缝成因分析

钻探资料显示，变形体覆盖层厚约7.6m～15.2m，可分为三层土体。中层坡积粘土夹块碎石的上、下界面在580公路外侧有临空面，坡积物底部界面为蠕变带的位置。变形体前缘坡积、残积土体内及分界面上未见明显变形迹象，变形体中部与后部的坡积物底部形成了局部滑动面或剪切塑性变形带。因此，从变形体的物质组成及各岩土体分界面推断，坡积物顶部和底部与残积物底界面易失稳变形。

泄洪与监测记录都表明裂缝与位移的增长与泄洪雾化有关。2011年9月至11月武都水库大坝泄洪，11月初，580公路与R2公路内侧浆砌块石护坡相继产生开裂与外凸变形，11月底，580公路与R2公路597m以上高程处的外边缘裂缝已达40cm宽，局部裂缝可见深度可达40cm～100cm，变形体变形特征非常明显。2011年12月武都水库大坝停止泄流，此后变形体的变形量逐渐减少，但局部变形仍在缓慢发展。因此，大坝泄流产生的雾化降雨是覆盖层坡体产生裂缝的主要原因。

总之，变形体裂缝的形成内因是覆盖层土体内存在工程性状较差的软弱面，主要位于坡积粘土夹碎块石土层内以及其与上下土体的交界面处。外因是水库泄洪产生的雾化降雨软化了土体，地下水位升高，变形体内渗透力与下滑力均有增大，最后导致裂缝与变形的发生、发展。

4 稳定性评价

4.1 变形范围

变形体地表变形特征主要是拉张裂缝，变形体的平面范围与其变形特征相适应，上游以F7断层为界，下游近冲沟附近，后缘为高程597m以上公路，前缘至580公路外侧坡体处。铅直剖面上坡积土层的工程性状(如各种含水状态下抗剪强度)较其上、下土层差，且土层界面临空。因河水冲淘作用，临涪江侧坡脚处的坡度较大。钻探成果表明坡积土体底部附近含水量较大，呈可塑～软塑状，有蠕滑所产生的擦痕及泥膜光面出现，变形体下部控制面为坡积土层底部。

现场调查表明，580公路外侧未见剪出口，也未见地下水浸润或集中渗水点，580公路勘探孔钻进过程中也未见植物胶等从坡脚渗出。变形体仅于中、后部与坡积土层底部形成塑性剪切带，局部有向江边推挤、压缩的现象，地表土体被拉裂，产生变形，坡积土层底部未形成贯通性剪切带，变形体处于蠕动变形阶段。

4.2 反演分析

沿变形较大方向布置变Ⅰ与变Ⅱ两条剖面，剖面上布钻孔、触探孔和探坑并在勘探点处取岩土试样进行物理力学性质试验，查明了变形体岩土体的物质组成和界面形态。变形体的潜在滑动面应位于过变ZK1、变ZK3的残积、坡积土层中。根据岩土体含水与固结状态，将残余强度指标折算并考虑均一性等情况综合确定残积与坡积土层的抗剪强度参数(见表1)。将勘探期间的河水位及钻孔终孔水位作为地下水位线的位置。利用Slide5.0计算程序，分毕肖普法和詹布法两种方法模拟潜在滑动面。

表1 力学参数表

模拟结果显示：变形体整体稳定系数界于1.026～1.169之间，潜在滑面过变ZK1、变ZK3坡积物底部，见图2与图3。根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)，变形体蠕动滑移阶段取稳定系数为1～1.05。模拟图及规范均表明，表1所列力学参数可作为变形体稳定性分析的地质参数，建议使用该表中的数值作为变形体物理力学参数建议值进行工程整治设计，潜在滑动面为过变ZK1、变ZK3坡积底部的非圆弧滑面。

图2 天然工况变Ⅰ剖面潜在圆弧滑面位置及稳定系数

图3 天然工况变Ⅱ剖面潜在圆弧滑面位置及稳定系数

4.3 稳定性计算与分析

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)对水利水电工程边坡级别的划分标准，将武都水库下游右岸变形体划分为5级边坡。利用河海大学的Autobank7.0计算程序对变形体进行稳定性计算，计算采用毕肖普方法。变形体潜在滑动面位置位于过变ZK1、变ZK3坡积底部的非圆弧滑面。采用正常运行条件、非常运行条件Ⅰ、非常运行条件Ⅱ三种工况进行稳定性计算。岩土体力学参数选自表1，地震动峰值加速度取0.15g，计算结果如表2。

由计算结果可知，变形体天然状态工况安全系数为1.03～1.08，该工况下相对较稳定；正常+雾化及正常+地震条件下安全系数分别为0.99、0.91～0.956，均小于规范值，表明武都水库泄洪雾化及地震条件下变形体处于不稳定状态。且由于变形体稳定模拟计算中未考虑变形体表部拉张裂缝充水等不利影响，需对变形体进行加固处理才能确保进场公路安全，避免变形体失稳堵塞河道，影响武都水库安全行洪。

表2 变形体稳定性计算成果

定性及定量分析、近几年临时观测、浅部拉张裂缝统计等均表明：变形体在天然工况下整体较稳定；在武都水库泄洪雾化及地震时稳定系数小于规范值，处于不稳定状态。因每年汛期泄洪雾化作用，如今变形体的变形仍在继续发展，塑性剪切带的范围还在持续扩大。随着时间推移，在大坝反复泄洪雾化降雨作用下，变形体前缘土体不断被冲淘，变形体坡体后退，塑性剪切带扩大从而形成可能贯通的潜在滑动面，坡体会以滑坡形式失稳。