岷江疊溪大海子地震堰塞壩穩(wěn)定性三

PAGE42PAGE11岷江疊溪大海子地震堰塞壩穩(wěn)定性分析岷江疊溪大海子地震堰塞壩的穩(wěn)定性對下游天龍湖水電站工程建筑物能否正常運(yùn)行有直接影響。本文通過對1933年疊溪地震堰塞壩的形成與潰垮分析，重點(diǎn)對大海子地震堰塞壩的現(xiàn)狀、壩體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及滲透特性等進(jìn)行了論證，并對大海子地震堰塞壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性及定量分析。天龍湖水電站即是利用小海子天然堰塞湖引水至下游發(fā)電，其大壩即為1933年疊溪地震所形成的小海子天然堰塞壩。小海子上游庫尾緊接大海子堰塞壩，因此，論證大海子地震堰塞壩的穩(wěn)定性及其對下游天龍湖水電站工程建筑物的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1疊溪地震堰塞壩群的形成與潰垮1933年8月25日15時(shí)50分30秒，疊溪發(fā)生了一次Ms=7.5級的強(qiáng)烈地震，震中烈度達(dá)到Ⅹ度，震中區(qū)山崩城陷，人畜傷亡慘重，且河谷溪澗多處堵斷，堰塞成壩，積水為湖，岷江絕流；46天后，10月9日下午7時(shí)，岷江干流上的堰壩潰決，特大洪水沿江而下，直達(dá)都江堰，又造成了慘烈的次生災(zāi)害。地質(zhì)學(xué)家常隆慶教授于當(dāng)年10月在現(xiàn)場草測了一幅地形圖(圖1)，標(biāo)出了岷江干流上三座堰塞壩的位置。這次地震中，在岷江干流上，自下而上形成疊溪海子、小海子和大海子三個(gè)堰塞湖。大海子、小海子和疊溪海子三個(gè)堰塞壩形成之后，岷江干道斷流四十余日，至1933年10月9日湖水決壩潰下，釀成巨災(zāi)。此后，直到1986年的五十余年間，未再見有大、小海子堰塞壩潰垮的報(bào)導(dǎo)。1986年6月15日和1992年6月28日，在天然洪水和人工導(dǎo)漂工程的綜合影響下，大海子堰塞壩上又發(fā)生了局部被沖刷的情況，并引起一定規(guī)模的潰垮洪水。2大海子地震堰塞壩的穩(wěn)定性2.1大海子堰塞壩的現(xiàn)狀大海子壩的橫斷面，1960年和1988年各有一個(gè)資料，列于表1。大海子水庫形成之初，庫長最大可能曾達(dá)10km，目前回水長度已不足3.5km，五十余年間，庫尾淤積部位下移了6km以上。大海子堰塞壩橫斷面尺寸數(shù)據(jù)表1壩高(m)壩頂寬(m)壩底寬(m)上游壩坡下游壩坡資料提交年份水上部分平均坡度值水下部分平均坡度值平均最陡水上部分平均坡度值水下部分平均坡度值平均最陡1559015301:4.51:7.01:6.61:3.291:6.71:3.71:5.21:1.861960年1307515001:3.01:9.11:7.01:3.01988年在天龍湖水電站初設(shè)階段勘測過程中，四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院于2000年5月對大海子堰塞壩進(jìn)行了現(xiàn)場測繪，根據(jù)地質(zhì)測繪資料(見圖2)及大海子水下地形測量資料，大海子目前庫水位2221.5m，與小海子水位(2148.0m)高差73.5m。庫水最大水深57m，庫容2508×104m3，大海子堰塞壩壩高約150m，壩長780~800m，壩頂寬100~150m，底寬1700m左右。上游壩坡水上部分平均坡比1:2.9，水下部份平均坡比1:9.2，下游壩坡水上部分平均坡比1:6.8，水下部分平均坡比1:2.8。其壩坡形態(tài)與1988年實(shí)測資料基本一致。壩體中部靠左側(cè)有一天然溢洪道，溢洪道平面上呈弧線不規(guī)則分布，水深2~3m，溢洪道底寬30~40m，頂寬80~100m，坡高10~20m，左側(cè)邊坡坡度30~40°，右側(cè)邊坡坡度40~50°，局部在70°以上。二十世紀(jì)八十年代在溢洪道沖刷段修建了一些岷江導(dǎo)漂(木)堤壩，以保護(hù)溢洪道岸坡的穩(wěn)定。目前大海子堰塞壩天然狀態(tài)整體穩(wěn)定，未見垮塌現(xiàn)象。值得指出的是，現(xiàn)存堰塞壩相當(dāng)于壩面溢流的土石壩，由于堆積體中不同程度地含有巨大孤石，在洪水多年反復(fù)的沖刷下，地面上細(xì)顆粒被沖走，粗顆粒和巨石逐漸富集，對壩面特別是天然溢洪道起到了一種自我保護(hù)作用。2.2堰塞壩體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征2.2.1母巖大海子壩由三疊系的變質(zhì)砂巖巖塊組成，間夾少量石英云母片巖、石榴子石片巖和大理巖。巖石堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，即使是云母片巖塊體，在堰塞壩形成后的幾十年中，也沒有明顯的風(fēng)化現(xiàn)象。2.2.2塊度和顆粒組成基巖崩塌形成的堰塞壩，其表面往往富集有大量巨型巖塊，在大海子堰塞壩的壩面上，塊徑5~10m，重量數(shù)百至千余噸的巨石比比皆是；現(xiàn)場觀察到的巖塊，最大塊徑可超過20~30m，重量當(dāng)在數(shù)千至萬噸以上。壩面天然溢洪道中，巨石更為集中。沿途很多跌水常由這些巨石組成，起到穩(wěn)定壩面和消減水能的作用。2.2.3巖塊形狀及風(fēng)化影響大海子堰塞壩的巖塊，均以等軸塊體或厚層狀塊體的形狀為主，棱角分明，沒有磨圓現(xiàn)象，是內(nèi)磨擦角最大的一種塊碎石形狀。堆積體中的巖塊，巖質(zhì)堅(jiān)硬，雖經(jīng)歷了60年酷暑嚴(yán)寒的磨練，風(fēng)化作用表現(xiàn)得卻并不強(qiáng)烈。表層的風(fēng)化在某種程度上保護(hù)了巖塊的內(nèi)核，由風(fēng)化巖塊構(gòu)成的壩體，經(jīng)受了60余年洪水漫壩的考驗(yàn)而屹立不動(dòng)。2.2.4堆積體的結(jié)構(gòu)特征和密實(shí)度中科院南水北調(diào)綜合考察隊(duì)根據(jù)現(xiàn)場觀察和少量物探資料，認(rèn)為大海子壩由第四系細(xì)粒物質(zhì)和基礎(chǔ)崩石兩部分組成，第四系有湖相粘土，坡積碎屑物質(zhì)等，主要分布在壩體的下部，而且從上游到下游逐漸加厚；基巖崩石則覆壓其上。四川省水利勘測設(shè)計(jì)院1971年提交的工程地質(zhì)勘察報(bào)告，在天然堆石壩縱、橫剖面圖中，推測堰塞壩中部的地震崩塌體厚度約160m，其下在原河谷底部伏有一層現(xiàn)代河流沖積層，厚20~25m，估計(jì)向上、下游很快尖滅，形似被包埋在崩塌體中的透鏡體。地震崩塌體的塊碎石堆積物具有不均勻的結(jié)構(gòu)特征，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是塊碎石的粒度組成在空間上是不均勻的，二是大塊石之間?？梢姷郊芸宅F(xiàn)象。從現(xiàn)場觀察和少量勘探資料看，這種不均勻性往往呈團(tuán)塊狀隨機(jī)地散布在壩體中，沒有明顯的成層成片分布的情況。綜合上述論述，大海子壩的整體結(jié)構(gòu)主要由右岸銀屏崖垮塌物組成，也有一部分崩塌物質(zhì)來自左岸觀音崖。在崩塌過程中，把位于谷坡中、高部殘留的部分第四系新、老堆積挾裹于其中，并把原在谷坡下部和谷底的第四系松散堆積物裹埋于其下，從而以巨大塊碎石為主的崩塌體中及其底部，形成一些不規(guī)則、顆粒相對較細(xì)、結(jié)構(gòu)相對松軟的第四系團(tuán)塊或透鏡體。但看來它們并沒有成為堰塞壩體內(nèi)連片成層的軟弱夾層，更不可能形成下部為第四系物質(zhì)，上面蓋著一頂大塊碎石組成的“帽子”那樣的兩層結(jié)構(gòu)?；鶐r陡壁崩塌而成的地震堰塞壩，其堆積過程可與人工定向爆破壩作某種程度上的類比。從已建的國內(nèi)外一些定向爆破壩的實(shí)際情況看，巖塊的最大墜落高度不過200~300m，在定向爆破的過程中，巖體被炸藥爆裂拋出后，在空中互相撞擊破碎，再由高處墜下，起到了強(qiáng)力壓實(shí)的作用，致使爆破堆石體中下部的壓密程度很高，據(jù)實(shí)測資料，干密度一般在2.0g/cm3以上。大海子壩的主要物質(zhì)來源是銀屏崖，大量巖塊的墜落高度可達(dá)1000~1500m，遠(yuǎn)大于定向爆破的高度，因此，其壓密作用應(yīng)該大于定向爆破壩，也就是說，崩塌體物質(zhì)的干密度總體上應(yīng)該大于2.0g/cm3，壩體的沉降過程應(yīng)該早已結(jié)束。2.3堰塞壩的滲透特性及抗?jié)B變形特征考察資料表明，大海子壩下游坡的水上部分，于天然溢洪道出口的右側(cè)，發(fā)現(xiàn)有11個(gè)滲流孔，總流量為238l/s，用鹽溶液作試驗(yàn)，證明其中60%由溢洪道滲入，僅40%為從庫區(qū)滲來。四川省水利勘測設(shè)計(jì)院還在大海子壩體上的兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)一般7.1×10-2~2.1×10-1cm/s，最大值為2.6×10-1cm/s，最小值9.9×10-3cm/s，具有淺部滲透系數(shù)較大，向深部遞次減小的趨勢。鉆孔的深度分別為28m和34m，上述結(jié)果代表了堰塞壩左岸上部的滲透特性?？梢姡蠛Ｗ友呷麎紊喜渴怯幸欢B透性的(屬強(qiáng)至中等透水層)，水的來源主要是由常年過水的天然溢洪道中滲入，經(jīng)短途運(yùn)移，在小海子庫尾復(fù)又排出地面。1960的中國科學(xué)院南水北調(diào)綜合考察隊(duì)曾對大海子的入庫流量和天然溢洪道的出庫流量進(jìn)行測定，兩者基本相等，變差在5%以內(nèi)。同年，在壩面上進(jìn)行的物探工作，測得壩體結(jié)構(gòu)可分為上、下兩個(gè)部分，根據(jù)資料分析，認(rèn)為上段為25~30%的大孔隙度區(qū)，而下段則是20~25%的小孔隙度區(qū)，說明下段的物質(zhì)粒徑較上段為細(xì)，結(jié)構(gòu)更為緊密。這些資料分別從震后觀察、流量平衡和壩體結(jié)構(gòu)的角度，證明大海子堰塞壩作為一個(gè)整體，透水性不強(qiáng)。大海子壩沒有人工設(shè)置的防滲體。然而，有許多事實(shí)說明其抗?jié)B穩(wěn)定性是良好的。疊溪地震之后，岷江斷流40余天，在大海子蓄水的20天中，大海子壩承受的最大水頭達(dá)到160~170m，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏和滲透穩(wěn)定問題。疊溪海子潰決后，大海子壩上下游水位差為30~40m，1936年小海子壩局部潰垮后，兩海子間的水位差增大到60~65m，50多年來安全擋水，說明即使當(dāng)初存在局部管涌現(xiàn)象，也早已達(dá)到平衡狀態(tài)，而沒有影響壩體的穩(wěn)定性。而且，正由于沒有人工防滲體，大地震中壩體自然不可能出現(xiàn)防滲體裂縫或錯(cuò)開而造成的滲透穩(wěn)定問題。綜上分析認(rèn)為，大海子壩上部(28~34m以上)，由于組成壩體物質(zhì)以粗粒為主，透水性較強(qiáng)，屬強(qiáng)至中等透水性，中下部組成物質(zhì)細(xì)粒含量較高，透水性向深部依次減弱，以中至弱透水層為主。堰塞壩經(jīng)歷次洪水沖刷，目前大、小海子水位天然坡降僅0.08~0.09，緩于天然壩體允許水力坡降，且壩體大的孤塊石形成了骨架作用。因此，天然堰塞壩抗?jié)B透變形能力強(qiáng)。2.4堰塞壩的穩(wěn)定性評價(jià)2.4.1大海子堰寒壩穩(wěn)定性的定性評價(jià)2.4.1.1堰塞壩的抗沖能力大海子堰塞壩自1933年8月25日形成之后，經(jīng)受過一次潰壩、三次漫壩沖刷，即同年9月14日漫壩、10月9日潰壩，1986年6月15日和1992年6月28日漫壩沖刷。其中以1933年10月9日潰壩洪水造成的影響最大。1933年10月9日疊溪海子和小海子相繼潰決，引動(dòng)大海子壩頂以上超高部分的水體同時(shí)下泄，大海子水庫中水位消落為12~15m。這樣，可粗略地估算，在兩、三個(gè)小時(shí)內(nèi)，大海子壩面上過水的洪峰流量，當(dāng)在10000m3/s以上（約為萬年一遇洪水流量的6倍）。然而，如此猛烈的洪水翻壩而過，并沒有將堰壩沖垮，實(shí)際刷深僅12~14m，不到當(dāng)時(shí)壩高的十分之一，不能不說是一大奇跡。這一情況充分說明，由基巖大巖塊從高空砸落堆砌而成的地震堰塞壩，實(shí)在是具有超凡的抗沖刷能力。大海子堰塞壩經(jīng)過四次特大洪水沖刷情況表明，由基巖大巖塊從高空墮落堆砌而成的地震堰塞壩，具有超強(qiáng)的抗沖力。近期實(shí)測表明，溢洪道入口和出口之間水平距離約750m，大、小海子水面高73.5m，平均坡降9.8%。目前新溢洪道已布滿了大小不等的巨石，出現(xiàn)多級小跌坎，具有相對穩(wěn)定的急灘河槽的形態(tài)?？陀^上阻止了進(jìn)一步?jīng)_刷下切的可能性。對于大海子壩來說，再次遇到1933年10月的情況，是絕無可能的。從1986年局部潰垮的情況分析，今后大海子壩再遇較大洪水的襲擊，水流仍將限制在現(xiàn)今溢洪道的槽谷內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)沿大壩背水坡漫溢的情況。即使再遇上超過萬年一遇的洪水，只要溢洪道口門和上段的巨石不受人為破壞，洪水影響將主要表現(xiàn)為槽底略有刷深，背水坡的沖刷不會(huì)超過本次水平。1992年的局部沖寬拉深事件，再次證明只要人們在開發(fā)利用大海子之時(shí)，妥善處理人類工程建設(shè)與自然條件之間的關(guān)系，把眼前利益與長遠(yuǎn)的環(huán)境、生態(tài)改善很好的結(jié)合，大海子壩抗天然洪水的能力是很高的。2.4.1.2堰塞壩的抗震能力(1)大海子堰塞壩的組成物質(zhì)以變質(zhì)砂巖為主，夾少量結(jié)晶片巖和大理巖，塊體主要是等軸棱角狀，極少見到片狀、針狀顆粒。塊徑大小參雜，巖質(zhì)堅(jiān)硬，風(fēng)化微弱。這是內(nèi)摩擦角最大的一種松散土石料，使堰塞壩體中易于形成由大塊石組成的堅(jiān)固而穩(wěn)定的骨架，對保障壩體的穩(wěn)定性極為有利。(2)大海子壩體形成之前，河床底部可能有不厚的現(xiàn)代沖積層，右岸也有殘留的第四系階地沉積物和坡積物，以及過去大規(guī)模巖崩形成的崩積物。按照四川省水利勘測設(shè)計(jì)院1971年現(xiàn)場地質(zhì)測繪資料，這些沉積物分布范圍比較零星，厚度有限，除少量湖相粘土外，均為粗粒的碎、塊石或卵礫石夾亞砂土。估計(jì)它們在地震崩塌過程中呈團(tuán)塊狀、透鏡狀包裹在基巖塊碎石中，不可能形成連貫成層的夾層或集中在壩體的某一部分。(3)定向爆破筑壩的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)巖塊從巖坡爆落，其拋擲下墜的巨大動(dòng)能，使巖塊互相撞擊破碎，大小不等的石塊巖屑沖向谷底，擠壓得十分密實(shí)。大海子堰塞壩巖體的崩落高度達(dá)到1000m以上，比定向爆破筑壩的拋擲高度要大得多，后者一般不超過200~300m?？梢哉J(rèn)為，大海子壩體堆積物的物性和力學(xué)指標(biāo)，至少不會(huì)低于人工定向爆破壩。(4)大海子壩的實(shí)測壩坡值(表1)，可以看到，大海子壩上、下游壩坡的坡度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗震設(shè)計(jì)所要求的最低值，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般土壩采用的數(shù)值。因此，大海子壩斷面的安全度是極高的。這樣，大海子壩壩體的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于或至少相當(dāng)于人工建造的堆石壩和定向爆破壩，而它已具有的斷面又遠(yuǎn)遠(yuǎn)緩于堆石壩抗震設(shè)計(jì)的數(shù)值。據(jù)分析認(rèn)為，在發(fā)生特大地震時(shí)，大海子壩體不會(huì)有明顯的沉降和位移，壩面局部地段可能出現(xiàn)少量裂縫，也不排除天然溢洪道的右壁有可能產(chǎn)生一些局部垮塌，但這些小的變化不會(huì)影響大海子壩的整體穩(wěn)定性。通過以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：即使本地區(qū)再次發(fā)生疊溪1933年地震那樣的強(qiáng)烈地震(震級7.5，震中烈度Ⅹ度)，大海子壩不會(huì)受到明顯的破壞，出現(xiàn)壩體突然潰垮的災(zāi)害性變故的可能性極小。2.4.2大海子堰塞壩的穩(wěn)定性計(jì)算從上述定性分析可知，大海子壩穩(wěn)定狀況較好。為進(jìn)一步評價(jià)大海子壩的穩(wěn)定性，本次進(jìn)行了簡略的計(jì)算，以期對大海子壩有一個(gè)較為定量的評價(jià)。(1)計(jì)算方法及參數(shù)采用摩根斯頓-普賴斯法，此法將滑動(dòng)體分成若干的條塊，并對每一土條的力和力矩的平衡方程聯(lián)解，求出滑動(dòng)面的安全系數(shù)。計(jì)算參數(shù)見表2。堰塞壩物理力學(xué)指標(biāo)建議值表2名稱密度抗剪強(qiáng)度滲透系數(shù)干天然飽和φCMPacm/sg/cm3天然飽和天然飽和上部孤塊石夾亞亞砂土2.002.102.2037~39°34~36°002×10-