阿拉溝水庫邊坡變形機理分析及治理措施研究

彭 明

(吐魯番市阿拉溝水庫運行調(diào)度中心，新疆 吐魯番 838100)

1 項目概況

阿拉溝水庫樞紐位于新疆托克遜縣阿拉溝河上，是一座綜合防洪、供水、灌溉功能的Ⅲ等中型控制性樞紐工程。主要由水庫大壩、右岸開敞式溢洪道、導(dǎo)流洞和左岸輸水隧洞組成，壩址以上流域面積為1842 km2，總庫容4450萬m3，最大壩高105.26 m，為吐魯番市建成的最高的瀝青混凝土心墻堆石壩，壩前最大水深84.50 m，水庫正常蓄水位944.50 m、設(shè)計洪水944.60 m、校核洪水位947.80 m。

工程于2009年11月開工，2014年11月下閘蓄水,至2016年10月水位逐步升高至942.00 m 后下降，其間大壩左岸上游邊坡向庫面邊坡發(fā)生小規(guī)模崩岸塌坡；此后庫水位在916.00～932.00 m 間變動，邊坡變形增大明顯，臨水坡面崩塌持續(xù)發(fā)生；2018年8月水庫以1.2～1.5 m/d泄水，9月中旬起水庫空庫運行至今。

2 邊坡變形機理分析

2.1 邊坡變形體現(xiàn)狀

邊坡變形體下游邊界距大壩約600 m，順河向長約425 m，垂直河流方向?qū)捈s375 m，鉛直方向上高程在1100 m以下。左庫岸邊坡變形體前緣臨水坡面已形成連續(xù)的崩塌區(qū)，變形體所處山坡表部拉裂縫縱橫交錯，后緣拉裂明顯，后緣下游側(cè)垂直錯距一般3～5 m，變形體存在整體失穩(wěn)的可能。

邊坡變形體上、下游各見有一條破裂面分界線，上游邊界面受J2節(jié)理控制，下游邊界面受F1斷層控制；底界面為一不連續(xù)變形剪切破碎帶，延伸方向受J3節(jié)理面控制，厚2～3 m，在邊坡前緣的出露高程介于917～940 m，上游略高于下游。界線以內(nèi)巖體拉裂變形嚴重，裂縫縱、橫交錯，部分已解體，與變形體外差別明顯，分界線以外巖體較完整。上游破裂邊界線上游受強烈變形區(qū)影響，有一變形影響區(qū)，地表亦出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，并逐漸過渡到正常山體。

2.2 邊坡變形體分區(qū)及變形特征

左庫岸邊坡處于擠壓變形階段，變形體前端抗滑部分受擠壓后產(chǎn)生破裂、崩塌，中后部剪切面貫通，后緣出現(xiàn)弧形拉裂，局部出現(xiàn)塌滑現(xiàn)象，滑坡的微地貌特征相繼出現(xiàn)，外力作用下可能過渡到整體滑動失穩(wěn)階段。采用平行剖面法計算，邊坡變形體體積約為3.94×106m3，包含變形影響區(qū)的總體積約為5.66×106m3。假定在水庫放空工況下，進行上游節(jié)理面和前緣結(jié)構(gòu)面級參數(shù)反演，反演斷面采用縱1～縱5。根據(jù)變形破壞特征，邊坡變形體可以分為①崩塌堆積區(qū)、②崩塌坍落區(qū)、③中部拉裂區(qū)、④后緣沉陷區(qū),以及⑤變形影響區(qū)，分區(qū)如圖1所示。

圖1 邊坡變形體分區(qū)、觀測點及地質(zhì)縱剖面示意圖

2.3 邊坡變形模式分析

水庫上游左庫岸變形邊坡體后緣結(jié)構(gòu)面較陡，沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生較大的下滑力，前緣結(jié)構(gòu)面較平緩，是相對阻滑段；后緣已產(chǎn)生明顯垂直位移，而前緣垂直位移相對較??；在邊坡變形初期，邊坡右前方首先出現(xiàn)沉降，邊坡左下游側(cè)則出現(xiàn)普遍抬升，表明該部位出現(xiàn)明顯的擠脹變形，發(fā)生擠脹變形的推動力主要來自邊坡后緣的重力作用；變形邊坡體周邊變形較中部更嚴重。綜上，阿拉溝水庫左岸變形體蓄水前變形不顯著；在邊坡變形初期(蓄水至925 m左右)由于變形體前緣巖體及結(jié)構(gòu)面被庫水浸泡發(fā)生軟化，導(dǎo)致在邊坡前緣出現(xiàn)向水庫一側(cè)的崩塌及牽引式變形，并因此降低了邊坡前緣的抗滑力；邊坡變形后期(水庫蓄水至940 m高程時)變形體在后緣下滑力的持續(xù)推動及各種外因(如地震、雨水浸潤、庫水突降導(dǎo)致動水壓力增加等)綜合作用下，位移發(fā)生突變，表現(xiàn)為邊坡中部變形大兩端逐漸減小的邊坡整體滑移模式。目前后緣上、下游邊界面已經(jīng)貫通并產(chǎn)生了明顯位移，變形體處于擠壓變形階段。

2.4 邊坡變形體穩(wěn)定性計算

左岸變形邊坡本屬塊體結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡，由于變形開裂，中上部巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)、塊裂結(jié)構(gòu)、碎塊結(jié)構(gòu)等，對水下的變形體前緣內(nèi)部順坡向的緩傾角節(jié)理面 J3進行參數(shù)反演，采用不平衡推力傳遞法進行穩(wěn)定性計算，如式(1)～式(5)，成果如表1。

(1)

(2)

Ti=(Wi+Vi)sinαi+Qicosαi

(3)

(4)

(5)

表1 邊坡變形體穩(wěn)定性系數(shù)計算成果

可知該變形邊坡在水庫放空時平均穩(wěn)定性系數(shù)為1.05；在正常蓄水位及不考慮地震影響時穩(wěn)定系數(shù)為1.00；考慮6度地震影響時穩(wěn)定系數(shù)為0.97，兩種工況下均不滿足巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性要求，存在整體滑動的可能。

3 邊坡治理方案研究

在邊坡變形體上設(shè)置五個觀測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，位置如圖1所示(▲標志處)，根據(jù)各監(jiān)測點累計位移變化和相對位移變化，可知水庫放空后邊坡變形幅度趨緩，直至處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但未收斂。繼續(xù)蓄水，變形體邊坡將繼續(xù)加劇變形甚至局部或整體失穩(wěn)的可能。

3.1 邊坡處理設(shè)計方案

邊坡變形解體嚴重，坡高面陡，潛在結(jié)構(gòu)面深埋，交通條件和施工作業(yè)環(huán)境惡劣，錨固、阻滑等措施實施條件差。采用削坡減載的治理措施，將開挖棄渣置于邊坡坡腳，形成自然休止坡面，減小變形邊坡下滑力。擬定削坡減載范圍考慮基本包含已產(chǎn)生拉裂縫的區(qū)域，削坡減載區(qū)域上游及頂部邊界位于變形影響區(qū)邊界線與嚴重變形區(qū)邊界線之間；下游邊界位于嚴重變形區(qū)邊界線附近；底部設(shè)置平臺。底部平臺高程根據(jù)變形體底部邊界及現(xiàn)狀地貌擬定三個方案進行比選，各方案上部削坡方式相同,各方案正常水位工況變形邊坡穩(wěn)定計算成果見表2。

表2 各方案正常水位工況變形邊坡穩(wěn)定計算成果

3.2 二維抗滑穩(wěn)定計算分析

邊坡底滑面出露高程較高，開挖渣料在坡腳難以對邊坡形成有效壓重，故邊坡穩(wěn)定計算時不考慮開挖渣料的壓重作用。三方案經(jīng)過剖面法計算后所得安全系數(shù)見表3。計算表明，不考慮開挖渣料的壓重作用下，方案一各種工況均滿足3級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求；方案二最不利工況正常水位+8度地震下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)略小于規(guī)范要求；方案三安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，方案一較方案二多出2%～3%的安全冗余?？紤]該變形邊坡距離大壩等樞紐建筑物距離近，邊坡失穩(wěn)危害大，選定方案一。

表3 三方案組合工況下邊坡安全系數(shù)

續(xù)表3

3.3 三維有限元穩(wěn)定計算復(fù)核

利用BIM軟件Microstation和GEOPAK完成了左岸邊坡三維幾何模型的建立，有限元計算模型如圖2所示。

圖2 邊坡變形體三維幾何模型及有限元計算模型

采用有限元強度折減法對阿拉溝水庫工程左岸現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性進行分析，得到三維整體邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，削坡減載后左岸邊坡在各工況下的安全系數(shù)隨位移突變關(guān)系如圖3所示。

圖3 各工況下邊坡變形體安全系數(shù)隨位移突變關(guān)系

可知8度地震工況下水平位移在安全系數(shù)為1.08附近發(fā)生突變，此時邊坡的塑性貫通區(qū)貫通，可認定此時邊坡發(fā)生破壞，即該工況下邊坡的安全系數(shù)為1.08，各工況的安全系數(shù)如表4所示。計算結(jié)果表明，本變形邊坡在擬定的方案一削坡減載措施下邊坡穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。

表4 削坡減載后邊坡各工況安全系數(shù)

3.4 邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，增加開挖、壓腳和水庫蓄水過程的模擬，對以下11個工況進行了模擬分析：天然工況，模擬邊坡自重應(yīng)力場；邊坡開挖至1100 m高程；開挖至1080 m；開挖至1060 m；開挖至1040 m；開挖至1020 m；開挖至1000 m；蓄水至925 m高程；蓄水至930 m；蓄水至935 m；蓄水至940 m。

開挖模擬結(jié)果表明：①現(xiàn)狀變形體上拉應(yīng)力區(qū)范圍主要分布于1050～1100 m高程，隨著原有拉應(yīng)力區(qū)被挖除，在開挖底面與自然邊坡相交附近又出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)。②由開挖引起回彈變形，開挖至不同高程位移分布規(guī)律基本一致，量值有所變化，開挖至1100 m、1080 m、1060 m、1040 m高程最大位移分別為3.46 cm、7.74 cm、12.10 m、14.43 cm；結(jié)構(gòu)面對變形分布有較大影響，在F1斷層及底滑面附近出現(xiàn)明顯變形不連續(xù)；整體而言邊坡位移場分布模式符合一般規(guī)律。③塑性區(qū)主要分布于邊坡表面、F1斷層和J3底滑面，隨著邊坡開挖原有塑性區(qū)被挖除，在新的開挖底面靠近自然邊坡一側(cè)會出現(xiàn)新的塑性屈服區(qū)。

蓄水模擬結(jié)果表明：①邊坡蓄水后對邊坡應(yīng)力分布規(guī)律影響較小，量值略有變化，拉應(yīng)力分布范圍略有擴大。②蓄水后邊坡位移分布形式與開挖至1000 m工況基本一致，蓄水對邊坡整體變形影響不大，處理措施對變形起到了良好控制作用。③蓄水后邊坡塑性區(qū)分布規(guī)律與開挖至1000 m工況基本一致,蓄水后部分底滑面位于水下，參數(shù)降低，導(dǎo)致開挖底面與自然坡面相交處附近的塑性區(qū)范圍擴大，蓄水對塑性區(qū)分布范圍有一定影響，并隨著蓄水高程增高逐漸增大。

4 結(jié) 論

(1)左庫岸邊坡變形體后緣上下游邊界面已經(jīng)貫通，并產(chǎn)生了明顯位移，變形體處于擠壓變形階段；邊坡穩(wěn)定不滿足巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性要求；上游左庫岸變形邊坡體規(guī)模大，邊坡存在整體滑動失穩(wěn)的問題；邊坡變形體距離大壩樞紐等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)較近，滑坡導(dǎo)致涌浪可能越過壩頂，危及大壩安全。

(2)經(jīng)二維抗滑穩(wěn)定計算和三維有限元穩(wěn)定計算復(fù)核，可知上述邊坡治理方案對邊坡整體應(yīng)力、變形和塑性區(qū)分布均有良好控制作用。施工中原有拉應(yīng)力、塑性區(qū)集中區(qū)的挖出，在開挖底面和自然坡面交匯處附近有新的拉應(yīng)力、塑性區(qū)集中區(qū)出現(xiàn)，應(yīng)注重該部位的加固與監(jiān)測。