三板溪水库南孟溪堆积体演化机制与稳定性评价.pdf
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1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:柏威伟.三板溪水库南孟溪堆积体演化机制与稳定性评价J.安全与环境工程,2023,30(3):161-170.Ba i W W.Ev o lut io n mec h a nis m a nd s t a bilit y ev a lua t io n o f Na nmengxi c o lluv ia l depo s it in Sa nba nxi Res erv o ir J.Safety and En
2、vironmental Engineering,2023,30(3):161-170.三板溪水库南孟溪堆积体演化机制与稳定性评价柏威伟(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063)摘 要:水库运行过程中库水位频繁变化是导致库岸边坡变形失稳的重要因素之一。以我国西南地区三板溪水 库南孟溪堆积体岸坡工程为研究对象,在前期现场调查、地质勘察和室内试验的基础上,分析了南孟溪堆积体成因 机制及形貌演化过程,并结合岸坡渗流场分析,通过极限平衡分析方法对该堆积体在不同工况条件下的稳定性进 行了评价。结果表明:南孟溪堆积体是斜坡表层岩体在两组陡倾节理、顺坡向缓倾层面和顺坡向断裂的不利组合 作用下产生
3、崩塌破坏的结果,其形成过程大致可分为6个阶段;正常运用条件下,库水位下降过程中,该堆积体边 坡稳定性系数呈先降后升的趋势,且在库水位约为464.9 m时边坡稳定性系数达到最小值,而在水库蓄水期,边坡 稳定性系数呈先保持基本稳定后逐步下降的规律;非正常运用条件下,在库水位降低20%30%时边坡稳定性系 数达到最小值;堆积体边坡在部分工况下不满足规范要求的边坡最小安全系数标准,设置重要构筑物时需要采取 加固措施。关键词:库区堆积体;库水位变化;边坡稳定性评价;堆积体成因;三板溪水库中图分类号:X43;P642.22 文章编号:1671-1556(2023)03-0161-10 收稿日期:2022-
4、11-01DOI:10.13578/ki.issn.1671-1556.20221443 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Evo lutio n Mech anism and Stability Evaluatio n o f Nanmengxi Co lluvial Depo sit in Sanbanxi Reservo irBAI Weiw&Ch ina Railway Siyuan Surv e y and Desig n Gro up Co.,L td.9Wuh an 430063Abst r ac t:Th e f requent f luc t ua t io n o f
5、 wa t er lev el during res erv o ir o pera t io n is o ne o f t h e impo rt a nt f a c t o rs lea ding t o t h e def o rma t io n a nd ins t a bilit y o f ba nk s lo pe Ta k ing t h e Na nmengxi c o lluv ia l depo s it o f Sa nba nxi Res erv o ir in So ut h wes t Ch ina a s a n exa mple,ba s ed o n
6、t h e prelimina ry f ield inv es t iga t io ns9geo lo gic a l explo ra t io ns a nd la bo ra t o ry t e s t s,t h e f o rma t io n mec h a nis m a nd mo rph o lo gic a l ev o lut io n pro c es s o f t h e depo s it a re a na lyzed.Co mbined wit h t h e a na lys is o s eepa ge f ield o f t h e ba nk
7、s lo p,t h e s lo p s t a bilit y under diff erent wo rk ing c o ndit io ns is ev a lua t e d by t h e limit equilibrium a na lys is met h o d Th e res ult s s h o w t h a t t h e Na nmengxi c o lluv ia l depo s it is f o rmed by t h e c o lla ps e f a ilure o f t h e s lo p s urf a c e ro c k ma s
8、s under t h e a dv ers e c o mbina t io n o f t wo gro ups o f s t eep jo int s,a lo ng-s lo pe gent ly inc lined la yers a nd a lo ng-s lo pe f a ult s,a nd t h e f o rma t io n pro c es s c a n be ro ugh ly div ided int o s ix s t a ges Under no rma l o pera t ing c o ndit io ns,t h e s lo pe s t
9、a bilit y c o ef f ic ient t ends t o dec re a s e f irs t a nd t h en inc re a s e during t h e dec line o f res erv o ir wa t er lev el,a nd rea c h es t h e minimum v a lue a t t h e wa t er lev el o f a bo ut 464.9 m.During t h e wa t er s t o ra ge perio d,t h e s lo pe s t a bilit y c o ef f i
10、c ient f irs t ma int a ins s t a ble a nd t h en gra dua lly dec rea s es.Under a bno rma l o pera t ing c o ndit io ns,t h e s t a bilit y c o ef f ic ient rea c h es t h e lo wes t v a lue a s t h e wa t er lev e l dec lines by a bo ut 20%30%.Th e c o lluv ia l depo s it s lo pe in res erv o ir b
11、a nk do es no t meet t h e s a f e t y s t a nda rd under s o me wo rk ing c o ndit io ns,a nd reinf o rc ement mea s ures s h o uld be t a k en wh en s et t ing impo rt a nt s t ruc t ures.Key wo r ds:c o lluv ia l depo s it a ro und re s e rv o ir;f luc t ua t io n o f res erv o ir wa t er lev el;
12、s lo pe s t a bilit y ev a lut io n;基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB2600400)冲铁第四勘察设计院科技研发重点项目(2020K114)作者简介:柏威伟(1984),男,硕士,高级工程师,主要从事不良地质体及特殊性岩土体处治方面的研究工作。E-mail:286820133qq.c o m162妥全与猱就工程 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷genes is o f c o lluv ia l depo s it;Sa nba nxi Res erv o ir库岸边坡稳定问题是我国西南地区基础设施建 设中经常遇到的难题,特别
13、是在库水位运行变化期 间,极易诱发既有滑坡堆积体复活和边坡失稳等严 重地质灾害口。许多学者对库水位变化引起的库 岸边坡失稳现象开展了大量的研究工作,取得了一 系列重要的研究成果。女口:刘吉页通过对三峡库区 张飞庙滑坡现场多年监测数据的研究,分析了治理 前后滑坡及抗滑桩对库水位变化的响应特征;周永 强等以付家坪子高陡滑坡为例,分析了库水位不 同升速、降速以及不同降雨强度下滑坡稳定性的变 化规律;张旭等采用极限平衡法结合有限元法,研 究了龚家坊堆积层滑坡中孔隙水压力差消散的变化 规律以及浸润线滞后库水的时间效应;向家松等 基于柴湾滑坡监测数据,分析了该滑坡对库水位的 响应特征,发现滑坡活动具有分层
14、分块的特点;冯文 凯等口0以青杠坪滑坡体为例,结合渗透试验和干湿 循环试验数据,采用数值模拟方法分析了库水循环 升降作用下滑坡堆积体变形的演化趋势;周永健 等口口基于三峡木鱼包滑坡长期的监测数据,分析了 滑坡位移与库水位高程、降雨量之间的相关性,认为 滑坡变形对库水位变动的响应较为明显且存在一定 的滞后期。综上研究可知,现有的研究成果GW主要集中 在天然不稳定库岸边坡且多偏重于定量分析,针对 大幅度库水位变动条件下设置有重要永久构筑物岸 坡工程的系统研究相对较少。为此,本文以三板溪 水库南孟溪特大桥堆积体岸坡工程为研究对象,采 用定性分析和定量计算相结合的方法,对该堆积体 成因机制、形貌演化过
15、程及模式展开分析,研究大幅 度库水位变动条件下堆积体边坡稳定性的变化规 律,为工程建筑物布置提供可靠依据,同时为今后类 似工程提供借鉴。1堆积体地质环境背景条件南孟溪堆积体位于三板溪水库上游,受地形、控 制点等因素限制,某高速公路特大桥(160 m+360 m+160 m双塔双索面混凝土梁斜拉桥)4井、5井主桥 墩布设于该堆积体上(图1),桥墩的开挖扰动、水库 的长期库水位升降对该堆积体边坡均存在一定的影 响,堆积体的稳定性评价是决定桥址方案是否可行 的关键。图1三板溪水库南孟溪堆积体全貌Fig.1 Overview of Nanmeng xi colluvial depositin Sanb
16、anxi Reservoir1.1地形地貌及地质条件南孟溪堆积体位于贵州省剑河县南加镇南孟溪 东岸,地处贵州高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带,属 于侵蚀-剥蚀低中山地貌口刃。南孟溪堆积体的地层岩性为上覆第四系人工堆 积素填土、崩坡积块石土、坡洪积碎石土夹粉质黏 土,下伏基岩为元古界板溪群番招组第二段(Pt bnb/2)凝灰质板岩,岩层产状为335Z209为缓 倾顺层边坡。1.2地质构造及新构造运动从区域地质上来看,南孟溪堆积体位于文斗背 斜西翼临近核部区域,附近发育有区域断裂上高洋 平推断层,该堆积体位于上高洋平推断层的西侧约 1.8 k m处,受区域断裂构造的影响,项目区还发育 有一条次级断裂地
17、质构造,临近钻孔均有揭示,其延 伸长度约1.7 k mo该断裂呈NE至SW走向,倾向 NWW,倾角约为2540,破碎带宽27 m,地表 可见断层谷及断层鞍。研究区新构造运动为大面积间歇性抬升并伴有 断裂的微弱活动,形成了多级剥夷面及河谷阶地。南孟溪堆积体区地震动峰值加速度为0.05g,地震 动反应谱特征周期为0.35 s,地震基本烈度区划分 为W度区。区域未发现其他明显的活动断裂地质构 造,总体上南孟溪堆积体所在区域地壳基本稳定。1.3水文条件南孟溪堆积体坡脚前缘位于三板溪水库上游库 第3期柏威伟:三板溪水库南孟溪堆积体演化机制与稳定性评价163尾部分,该水库为河道型水库,水库正常蓄水位为 4
18、75.00 m,水库死水位为425 m,库水位变动幅度达 到50 m,具有多年调节性能。水库蓄水期为410 月份,供水期为11月份至次年3月份,水库多年平 均运行水位为452.68 m,相应保证率约为58%。三 板溪水电站2008年开始试运行,2008年1月至 2018年5月三板溪水库长序列月均运行水位变化 过程曲线,见图2。日/wtt衬少卅讣叫胛辟亠护妙9妙时间(年-月)图2 2008年1月至2018年5月三板溪水库长序列月均 运行水位变化过程曲线Fig.2 Av era ge mo nt h ly wa t er lev el o f Sa nba nxi Res erv o ir f r
19、o m Ja nua ry 2008 t o Ma y 20182堆积体特征分析2.1堆积体边界、规模及形态特征南孟溪堆积体沿NW方向呈扇形展布,宽度约 为240 m,长约为300 m(图3),总体地形起伏较大,地表坡度为10。40。根据现场调查,该堆积体前 缘高程约为431.5 m,略高于水库最低通航水位,堆 积体整个前缘段纵向长约140 m,平均坡度约为 30,宽约240 m;堆积体中部存在一处缓平台,平台 高程约为510 m,纵向长为2530 m,横向宽约为 170 m;堆积体后缘稍陡,前边界以平台为界,后边 界高程约为606 m,后方为农耕地,堆积体后段纵向 长约180 m,平均坡度约
20、为33,后缘部分基岩出露;堆积体左侧边缘以冲沟为界,可见基岩出露,岩性为 灰色凝灰质板岩,缓倾坡外节理裂隙较发育;堆积体 右侧存在一冲沟,未见基岩出露,但该冲沟将堆积体 进行了一定程度的分割,以此作为堆积体右侧边界。根据勘探成果,南孟溪堆积体厚度为1733 m,结合现场调查,测得整个堆积体面积约为6.88X 104 n?,堆积体平均厚度约为19 m,堆积体体积约 为130.7X104 m3,为一大型堆积体。图3三板溪水库南孟溪堆积体平面示意图Fig.3 Sc h ema t ic pla n o f Na nmengxi c o lluv ia l depo s it in Sa nba nx
21、i Res erv io r164妥全与猱境工翟 ht t p:/水t aq c bpt.c 第30卷2.2堆积体物质组成与结构特征从南孟溪堆积体剖面上看(图4),基覆界面呈 阶梯形,呈上陡中缓下陡趋势,堆积体后缘基岩面较 陡,角度为30。40。,堆积体中部基岩面较平缓,角 度为14。15。,堆积体下缘基岩面变陡,角度为 2426。590550510470430390350310粉质黏土中风化凝灰质板岩强风化凝灰质板岩碎石土块石土断层角砾岩图4三板溪水库南孟溪堆积体典型剖面图Fig.4 Typical profile of Nanmeng xi colluvial deposit in San
22、banxi Reservior根据现场调查及钻探资料,南孟溪堆积体结构 较复杂,堆积体物质组成大致可分为三大部分,即粉 质黏土层、块石土层、碎石土层,下伏基岩主要为元 古界板溪群番招组凝灰质板岩。堆积体前缘段主要 为碎石土,部分夹粉质黏土及块石土透镜体;堆积体 中部平台主要为碎石土,钻探揭示部分夹粉质黏土 透镜体;堆积体下部基岩未见强风化界面(图5),且 根据形态来看,基覆界面为一缓平台。堆积体后缘 段表层见部分粉质黏土,下部主要为块石土夹少量 碎石土、粉质黏土透镜体,部分钻探揭示断层破碎 带,断裂产状为320/2540,倾向河谷,空间上 从堆积体后缘坡体穿过。根据现场调查,南孟溪堆积体在后缘
23、及左缘有 基岩出露,岩性为深灰色中厚层凝灰质板岩,产状为 335Z20,见两组节理发育:节理产状为 207Z87,节理面平直,延伸约5080 c m,间距为 0.61.2 m;节理产状为109Z86,节理面粗糙,延伸约1.21.6 m,间距为3080 c m0基岩节理 较发育,受缓倾坡外层面及两组近宜立结构面切割 易形成倾倒破坏。图5三板溪水库南孟溪堆积体基覆界面钻孔照片Fig.5 Borehole core photos of the overburden interface of Nanmeng xi colluvial deposit in Sanbanxi Reservior2.3堆积
24、体地下水特征松散层孔隙潜水赋存于上部第四系的松散堆积 体中,岩性多为粉质黏土和碎石土,普遍含有较多的 第3期柏威伟:三板溪水库南孟溪堆积体演化机制与稳定性评价165黏粒,其透水、赋水性一般,主要受地表径流及大气 降水补给,顺地形向地势低洼处径流,堆积体右侧冲 沟见地下水出露。仅在堆积体下缘堆积体04号及 堆积体01号两个钻孔中见地下水出露,其余钻孔中 均未见地下水岀露,两个钻孔中地下水实际系包气 带中水。基岩裂隙水主要赋存于基岩强风化带及裂隙 中,受大气降水及地下水侧向径流补给,顺地形向低 处排泄。因汇水面积小,补给源降水量多集中于雨 季条件下,地表水入渗量小,基岩裂隙水总体贫乏。2.4堆积体
25、变形破坏特征南孟溪堆积体自2008年三板溪水电站蓄水试 运行至今已经历十余次库水位周期涨落,目前仍处 于基本稳定状态,走访周边群众均反映近几十年来 未见滑动迹象。现场调查也表明,堆积体整体未出 现变形破坏迹象,未见马刀树、醉汉林、大规模地裂 缝等明显变形迹象,仅堆积体坡表前缘临水侧受水 浸泡出现局部浅层溜塌。综上,南孟溪堆积体边坡处于基本稳定状态,未 见大规模破坏变形迹象。3堆积体成因机制及形貌演化过程分析斜坡岩土体稳定性系统工程地质分析理论指 出,变形破坏机制及过程分析能为堆积体边坡稳定 性评价提供有关发育条件及发育过程、边界条件、失 稳破坏方式等信息,是正确评价堆积体目前的稳定 状况并预测
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