金沙江烏東德水電站金坪子滑坡穩(wěn)定性分析

金沙江烏東德水電站金坪子滑坡穩(wěn)定性分析

烏德水庫遺址的右岸為云南祿職縣，左岸為四川省會東縣。它是金沙江下游四個水庫中最上游的一個，也是一個一流（1）工程的一部分。電站上距攀枝花213.9km、下距白鶴灘水電站182.5km,正常蓄水位975m、防洪限制水位952m,水庫總庫容74.08億m3,具有季調(diào)節(jié)功能;電站裝機容量10200MW、多年平均發(fā)電量389.3億kW·h;主要由混凝土雙曲拱壩、左岸3條泄洪洞、兩岸對稱布置的各6臺發(fā)電機組的地下廠房等建筑物組成;以壩身泄洪為主,左岸泄洪為輔;施工期則在兩岸靠山側(cè)分別布置2條和3條隧洞進行導(dǎo)流。1工程地質(zhì)特征烏東德水電站地處我國地勢第一階梯的川、滇山地與第二階梯的過渡段地貌區(qū),區(qū)內(nèi)山頂高程達2000~3000m,屬強烈構(gòu)造侵蝕作用為主的中山峽谷地貌;金沙江河谷深切,岸坡高陡,臨江高差多在1000m以上。區(qū)域地層巖性復(fù)雜,具基底和蓋層雙層結(jié)構(gòu),基底多褶皺強烈,蓋層平緩。壩址區(qū)位于川滇菱形塊體內(nèi)部,場址區(qū)無活動斷裂,活動斷裂距壩址16km以遠,6級以上地震震中距壩址45km以遠,7級以上地震震中距壩址50km以遠,地震影響至壩址的烈度均不超過Ⅶ度。壩址兩岸地形基本對稱,河谷狹窄、陡峻,為典型的“V”形谷,部分河段呈峽谷套嶂谷的形態(tài)特征:左右岸谷肩高程分別約為1836m和1630m(以河床地面計),左右岸自然高邊坡分別高達1036m和830m;高程1050~1200m以上岸坡坡度總體相對稍緩,坡角約43°~45°,以下則岸坡陡立,坡角一般60°~75°,局部近直立;在兩岸緩、陡交接部位局部有寬緩的平臺。壩址區(qū)所處河段長約1.8km,河道基本順直,流向SE160°,至金坪子滑坡前緣弧形拐彎后以225°方向流向下游;枯水期江水位約815m,相應(yīng)水面寬100~150m,水深15~20m;河床地面高程約800m(圖1)。壩址區(qū)地層為中元古界古老地層,由蓋層和褶皺基底組成。蓋層包括震旦系澄江組Z1c、觀音崖組Z2g、燈影組Z2d和二疊系梁山組P1l、陽新組P2y和峨嵋山組P3em;褶皺基底包括會理群因民組Pt2y、落雪組Pt2l和黑山組Pt2hs。蓋層和褶皺基底之間為角度不整合接觸,蓋層內(nèi)震旦系與二疊系之間缺失寒武系~石炭系地層,為平行不整合接觸。上部蓋層緩傾左岸,下部褶皺基底是樞紐建筑物的建基巖體。褶皺基底一般橫穿河谷,陡傾下游,由灰?guī)r、白云巖、大理巖化白云巖等組成,局部地層受斷層等影響產(chǎn)狀和單層厚變化較大(圖2)。樞紐布置區(qū)出露的地層有因民組和落雪組,因民組分為2段,主要為大理巖化白云巖;落雪組分為10段,由灰?guī)r、白云巖、大理巖化白云巖等組成;落雪組第3段中厚層~厚層灰?guī)r、白云巖等是壩址區(qū)工程地質(zhì)性狀最好的巖體。壩址區(qū)河床覆蓋層深厚,一般厚55~65m。斷層不發(fā)育,共有4條相對較大的斷層,即紅溝斷層F3、白溝斷層F14、花山溝斷層F6、雷家灣溝斷層F15,裂隙總體上不發(fā)育。巖溶總體弱發(fā)育,在右岸見一個規(guī)模相對較大的K25巖溶斜井,其它一般為規(guī)模不大的小溶洞或溶縫。地應(yīng)力水平不高,為低~中地應(yīng)力水平。2金平子大傾角研究與論證2.1金坪子斜坡概述在烏東德水電站預(yù)可行性研究勘測設(shè)計招標文件中,曾以遙感解譯成果為依據(jù),將壩址右岸下游約900m的金坪子斜坡全部定義為體積約6.2億m3的巨型滑坡。該滑坡的規(guī)模和穩(wěn)定性是關(guān)乎到樞紐如何布置或壩址能否成立、甚至是關(guān)系到烏東德梯級水電站是否可行的重大地質(zhì)問題,必須在預(yù)可研階段作出明確回答。為此,長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院(下簡稱長江設(shè)計院)進行了專題研究。2.2不同技術(shù)方案的獨立不同指導(dǎo)路徑與勘察布置對該“巨型滑坡”,經(jīng)過反復(fù)分析,決定采取綜合技術(shù)與手段按“整體布局、突出重點、動態(tài)調(diào)整”的思路進行勘察,具體研究路徑與勘察布置參見圖3、4。2.3金坪子斜坡專題研究成果表明,金坪子斜坡不是一個具有統(tǒng)一滑面的滑坡,而是可劃分為5個區(qū),其中兩個區(qū)為完整基巖,其它3個區(qū)是形成機制不同、穩(wěn)定性差異較大的第四系堆積體。其中Ⅴ區(qū)和Ⅳ區(qū)是連續(xù)、完整、穩(wěn)定的基巖;Ⅲ區(qū)是深嵌于古河床的、穩(wěn)定的、體積約1.08億m3的古滑坡堆積體;Ⅱ區(qū)是穩(wěn)定性差、體積約2700萬m3的蠕滑坡體;Ⅰ區(qū)是總體穩(wěn)定性較好、體積約6050萬m3的崩塌堆積體。因此,金坪子斜坡不影響烏東德水電站梯級的成立,更不影響該壩址的選擇,但樞紐布置時需考慮盡可能減少對Ⅲ區(qū)前緣的沖刷。另外,對Ⅲ區(qū)前緣、Ⅱ區(qū)滑坡、Ⅰ區(qū)堆積體,需采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M行處理并加以監(jiān)測,設(shè)計根據(jù)地質(zhì)建議確定了相應(yīng)的治理方案。3影響布局關(guān)鍵地質(zhì)條件的主要地質(zhì)條件3.1大壩壩段地質(zhì)位置及壩線研究烏東德水電站樞紐布置的關(guān)鍵是選好壩線和廠房三大洞室的位置,受壩址峽谷河段不長的特殊地形地質(zhì)條件限制,壩線和廠房位置的選擇可以分別單獨考慮。前面已述,壩址區(qū)相對最好的巖體是中元古界會理群落雪組第三段Pt32l中厚層~厚層灰?guī)r、白云巖等,其分布的范圍不大,且受多期構(gòu)造活動的影響,產(chǎn)狀和層厚變化較大。大壩和廠房布置時如何充分利用壩址區(qū)最好的巖體,準確查明落雪組第3段巖體所處空間位置是關(guān)鍵(見圖2)。另外,壩線的選擇還需考慮岸坡形態(tài)、壩肩所處岸坡巖體卸荷情況、河床基巖頂面高程及風(fēng)化情況、壩肩以上自然邊坡穩(wěn)定性、抗力體穩(wěn)定性、K25巖溶斜井對右壩肩穩(wěn)定性的影響等。為此,在距Ⅰ壩線上、下游分別約63,70m處,共擬定了3條壩線進行比選。由于構(gòu)造復(fù)雜、巖組厚度變化大、巖體質(zhì)量差異大,特別是右岸好巖體分布范圍十分狹窄,地下廠房選擇的地質(zhì)工作難度很大,需采取一切可能的勘察手段,準確查明各巖組巖體特別是好巖體的空間分布及其性狀。3.2水庫-土地測量研究技術(shù)路徑壩線選擇及廠房三大洞室位置確定的專項勘察研究技術(shù)路徑見圖5,6。3.3推動大壩地質(zhì)解釋明確規(guī)定壩線選擇專項勘察研究表明,上壩線兩岸壩肩因地層巖性差別較大,存在明顯的兩壩肩不均勻變形穩(wěn)定問題;下壩線因距K25巖溶斜井太近,右壩肩存在明顯的變形穩(wěn)定問題;而Ⅰ壩線不僅充分利用了壩址區(qū)最好的巖體,而且沒有明顯的地質(zhì)缺陷,綜合地質(zhì)條件相對最優(yōu),地質(zhì)推薦Ⅰ壩線為最優(yōu)壩線。設(shè)計最終亦采納了地質(zhì)建議,在Ⅰ壩線進行大壩布置。兩岸廠房位置選擇勘察研究表明,右岸適宜布置廠房三大洞室的落雪組第三段巖體分布范圍狹小,在平面上呈三角形,設(shè)計需在狹窄的范圍并結(jié)合地層產(chǎn)狀情況進行精心布置;左岸適宜布置廠房三大洞室的落雪組第三段巖體分布范圍相對較廣,落雪組第二段互層大理巖化白云巖工程地質(zhì)性狀亦較好,可布置地地下廠房,考慮到該層單層厚度較第3段巖體薄,且層間多夾有千枚巖薄膜,地質(zhì)人員建議在滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下,盡可能將左岸廠房布置在落雪組第三段巖體內(nèi);另外,兩岸廠房的布置需考慮開挖期江水可能產(chǎn)生的滲漏倒灌影響。設(shè)計人員最后根據(jù)地質(zhì)建議,經(jīng)綜合考慮后將兩岸地下廠房布置在導(dǎo)流洞靠山內(nèi)側(cè),右岸地下廠房全部利用落雪組第三段巖體,左岸則大部分利用了落雪組第三段巖體,少部分位于落雪組第二段互層大理巖化白云巖中。4工程期間和運營期間的安全分析包括4.1參與程序工程及地質(zhì)條件從前述壩址區(qū)基本地質(zhì)條件可知,可能影響樞紐建筑物施工期和運行期安全的關(guān)鍵工程地質(zhì)條件是高位自然邊坡的穩(wěn)定、局部邊坡穩(wěn)定和大壩基坑圍堰堰基穩(wěn)定以及河床深厚覆蓋層的穩(wěn)定問題。壩段附近左岸自上游紅崖灣溝至下游彪水溝、右岸自上游大紅溝至下游船房溝,為順河流長約2.0km的峽谷段,河谷橫斷面為典型的“V”形,以河床地面計,兩岸為高達1036m和830m的超高自然邊坡,這段高陡自然邊坡的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到各樞紐建筑物及施工人員施工期的安全,還關(guān)系到整個電站后期能否有效運行與管理。因此,自然高邊坡的穩(wěn)定性是事關(guān)樞紐建筑物施工期和運行期安全的關(guān)鍵之一。為此,對壩址區(qū)超高自然邊坡的穩(wěn)定性進行了專題研究。壩址區(qū)河床覆蓋層深厚,一般厚達55~65m;上、下游圍堰堰體高度分別約72,41m,基坑形成后的上、下圍堰內(nèi)側(cè)邊坡將高達109~137m,其穩(wěn)定性關(guān)系到大壩基坑內(nèi)能否安全、順利施工。因此,河床深厚覆蓋層的穩(wěn)定性是施工期另一個關(guān)鍵地質(zhì)條件。為此,亦進行了專題研究。4.2整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定問題研究技術(shù)路徑壩址區(qū)樞紐建筑物范圍內(nèi)超高自然邊坡穩(wěn)定問題包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定問題,其研究技術(shù)路徑見圖7;河床深厚覆蓋的特征及其構(gòu)成的圍堰堰基穩(wěn)定性勘察研究技術(shù)路徑見圖8。4.3主要成就4.3.1邊坡局部穩(wěn)定問題(1)壩址區(qū)超高自然邊坡基本地質(zhì)條件地質(zhì)宏觀分析和數(shù)值計算成果皆表明,其整體穩(wěn)定性好。(2)邊坡存在的局部穩(wěn)定問題主要是塊體和潛在不穩(wěn)定傾倒巖體,地質(zhì)對這類局部穩(wěn)定問題的空間位置、結(jié)構(gòu)面組合情況、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和性狀、穩(wěn)定性等皆進行了定位和詳細說明,為設(shè)計處理措施的確定提供了關(guān)鍵的和根本的依據(jù)。另外,邊坡局部還存在基巖變形體的穩(wěn)定問題。對右岸坡頂燈影組白云巖蓋層構(gòu)成的緩傾順向坡、左右岸分布的錢窩子堆積體和梅子坪堆積體的穩(wěn)定性亦進行了地質(zhì)宏觀分析、數(shù)值計算和監(jiān)測,結(jié)果皆表明,它們的穩(wěn)定性較好。地質(zhì)建議在加強監(jiān)測的同時,對前緣可能存在的局部穩(wěn)定問題,需采取適當(dāng)措施進行處理。為此,設(shè)計根據(jù)地質(zhì)建議皆確定了相應(yīng)的措施。4.3.2堰基河口覆蓋層土體或級配樣(1)上、下游圍堰堰基河床覆蓋層一般厚55~65m,最厚約73m。(2)組成物質(zhì)多為粗顆粒,自下而上可分為三大層:第Ⅰ層是古河床沖積形成的礫卵石夾碎塊石;第Ⅱ?qū)又饕撬閴K石;第Ⅲ層是現(xiàn)代河床沖積形成的卵礫石夾少量碎塊石。不存在連續(xù)分布、細顆粒組成的軟弱土層。(3)原位試驗、室內(nèi)土常規(guī)試驗、級配樣室內(nèi)模擬等試驗成果皆表明,堰基河床覆蓋層三大層土體呈中密狀,抗剪強度較高、壓縮變形模量較大,土體力學(xué)性狀較好。(4)各種分析計算成果皆表明,堰基河床覆蓋層不存在抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定問題,不存在震動液化問題,但存在滲透破壞穩(wěn)定問題,需采取適當(dāng)措施進行處理,設(shè)計采取了增設(shè)反濾層等處理措施。5混凝土人工骨料的研究5.1混凝土骨料初查和資料課程的確定烏東德水電站人工骨料的勘察過程比較復(fù)雜。首先根據(jù)1∶50000地質(zhì)圖及其綜合地層柱狀圖,在近壩區(qū)50km范圍內(nèi)進行普查,廣泛搜索分析有可能成為混凝土骨料的地層巖性及其分布情況;然后在壩址20km范圍內(nèi)進行現(xiàn)場復(fù)核,對初步確定有可能作為混凝土骨料的料場進行初查;再在初查的基礎(chǔ)上確定幾個可作為骨料的料場進行1∶2000地質(zhì)測繪和鉆孔、平硐勘探及各類試驗等詳查,準確確定骨料質(zhì)量、儲量、剝離層厚度等。經(jīng)過普查、初查后,基本確定烏東德壩址樞紐建筑物開挖料、觀音巖料場、馬鹿塘料場可作為混凝土人工骨料并進行詳查。初步詳查結(jié)果表明,壩址區(qū)開挖料可作為混凝土人工骨料,而觀音巖料場、馬鹿塘料場存在因溶蝕或運距等原因而利用率低、投資太大等明顯缺陷。2008年在壩址區(qū)下游6km處右岸施期陡崖上的勘探小路修好后,地質(zhì)人員對其附近“白云巖”料場進行探索性普查,發(fā)現(xiàn)該部位地表巖性表現(xiàn)為白云巖,而在低高程同一層位的該層(處于陡崖部位,前期無法達到,只有修筑專門的勘探小路才能前去查看部位)的巖性卻是灰?guī)r。經(jīng)進一步勘察,確定施期是較為理想的混凝土人工骨料場。5.2混凝土人工骨料的研究和技術(shù)路徑烏東德水電站混凝土人工骨料勘察與研究技術(shù)路徑見圖9。5.3大理巖化白云巖人工骨料(1)壩址區(qū)樞紐建筑物開挖的落雪組灰?guī)r、白云巖、互層大理巖化白云巖可作為混凝土人工骨料。(2)施期料場落雪組受地質(zhì)環(huán)境條件的影響,上部灰?guī)r已白云巖化,同一層位的中下部灰?guī)r質(zhì)量、儲量皆可滿足大壩用混凝土人工骨料要求。6樞紐布置時應(yīng)注意的問題經(jīng)過系統(tǒng)、艱難的地質(zhì)綜合分析與研究,烏東德水電站勘察過程中遇到的、目前水電工程中少見的關(guān)鍵或重大地質(zhì)條件已經(jīng)查明。(1)綜合勘察分析研究查明了金坪子巨型滑坡不是一個具有統(tǒng)一滑面的滑坡。因此,該滑坡不影響烏東德水電站梯級的成立,亦不影響壩址的選擇,但樞紐布置時需考慮減少或盡可能避免對Ⅲ區(qū)前緣的沖刷,以利Ⅲ區(qū)的整體穩(wěn)定;另外對Ⅲ區(qū)前緣、Ⅱ區(qū)蠕滑體和Ⅰ區(qū)堆積體,需采取措施進行處理。(2)根據(jù)不同高程的平硐和鉆孔結(jié)合聲波等綜合勘察手段分析,準確查明了壩址區(qū)相對最好的落雪組第三段