堆积体在前缘开挖、上部加载、暴雨及爆破震动等同时影响和作用下,表现为综合诱导型特征,不少大型堆积体的变形失稳属于此种类型。如金沙江梨园水电站念生垦堆积体。下面以梨园念生垦堆积体为例加以分析。
1.基本地质条件
念生垦堆积体分布于坝址上游右岸念生垦沟内,分布高程从江边1500.00~1700.00m,横河方向长度约1000m,面积约0.6km2,厚度一般30~60m,总方量约2000万m3。高程1700.00m以上分左、右耳(图6.24)。堆积体前缘地形相对较陡,为20°~45°;高程1540.00~1610.00m左右为一较宽缓的堆积台地地形,平均地形坡度小于4°;高程1610.00~1660.00m左右为一斜坡地形,坡度约15°左右;高程1660.00m以上为缓坡或台地地形,坡度一般小于10°。从宏观上大致以高程1610.00m为界分为两级台地。
图6.24 念生垦堆积体地貌
念生垦堆积体组成物质较为复杂,是在宽缓沟谷内由冲积、洪积、坡积、崩塌堆积、碎屑流堆积、泥石流堆积及远距离搬运的加积物(冰水堆积)等综合成因的大型混合堆积体。垂直方向分为底部的残积层和中上部混合堆积层。底部的残积层为玄武岩类岩石全风化的产物,多呈土状,颗分表明多属黏土质砂或黏土质砾;中上部的混合堆积层由坡积、洪积、崩塌堆积和冰水堆积等混合堆积而成,大致可分为前、后两个区域:前部分布高程从河边至1560.00m左右,靠下游部位约50~100m宽的条带为冲洪积成因的粉土、粉细砂等细颗粒物质(颗分定名为黏质土砾和黏质土砂)为主,部分具水平韵律特征,靠山坡边缘夹有崩塌块石,往上游主要为坡崩积成因的块、碎石土,局部地段碎、块石相对富集,成分主要为玄武岩,中部见有宽度约2~5m且结构中等密实的冰水堆积物呈条带状分布;高程1560.00m以上的后部区域主要为坡积和崩塌等混合堆积。黏土或粉土层在堆积体中厚度较小,连续性差。堆积体以下原始地貌形态为一沟谷地形,总体上底界面较为平缓。地下水埋深一般15~43m,平均水力坡降与地形坡度基本一致。由于堆积体的物质组成的不均一性,局部地段存在上层滞水。
2.变形特征
念生垦沟堆积体变形过程主要有以下几个阶段:
(1)施工前。堆积体无明显变形迹象。
(2)局部变形至出现强烈变形。2008年6月初开始开挖导流洞进口明渠,2008年8月发现局部裂缝;在堆积体前缘(导流洞进口明渠)开挖、后缘堆渣、连续降雨等因素作用下,从2008年9月开始堆积体出现了大面积的变形和滑移现象,2008年12月底至2009年1月初,堆积体出现加速滑动。
(3)削坡减载和局部压脚,变形趋缓。2009年1月开始对念生垦中部存土场卸载,至2月下旬堆积体变形得到基本控制。
(4)变形再次启动,出现整体加速变形。2009年3月中旬,明渠下游段局部恢复施工,强烈变形区最大切深至69m,堆积体变形再次加速,并逐渐演变为整体性变形。
(5)综合治理措施实施,变形再次趋缓。2009年4月下旬,在采取压脚、卸载、排水、支挡等应急处理措施后,堆积体变形再次得到控制。
(6)明渠最终开挖,变形速率短期增加后趋稳。2009年12月底,导流洞进口明渠恢复开挖施工,并于2010年2月开挖至设计高程,堆积体变形经短期小幅增加后于2月底逐步减小趋稳。
(7)2010年7—9月主汛期,受降雨影响,堆积体中上部变形速率小幅增长,增幅呈上大下小的特点,且导流洞进口明渠右侧前缘基本不动。
根据念生垦沟堆积体的变形机制、变形特征等,整体上可大致分为主滑区(Ⅰ区)及蠕动变形拉裂区(Ⅱ区)(图6.25)。
图6.25 念生垦堆积体变形分区图
主滑区(Ⅰ区)根据变形机制不同自下而上细分成3个亚区,下部牵引区(Ⅰ-1区)、中部牵引-推移区(Ⅰ-2)、上部推移区(Ⅰ-3);蠕动变形拉裂区(Ⅱ区)根据变形迹象不同分为变形牵引区(Ⅱ-1)和相对稳定区(Ⅱ-2)两个亚区。
牵引区(Ⅰ-1区):主要为1号、2号支沟间,高程1610.00m以下滑动速率较快区域,该区在前缘切脚的环境下,沿已有软弱面滑动变形,进而牵动中部地形较陡地段的堆积物的变形。该区变形速率最大,表现为前缘出现多级剪切面、后部出现拉张裂缝,两侧伴有剪切、拉张裂缝;牵引-推移区(Ⅰ-2):分布高程1610.00m以上的主沟中,后缘至1号承包商营地,受下部变形的牵引,出现拉裂变形,进而推动Ⅰ-1区。该区变形速率相对较小,以一系列的拉张裂缝为主;推移区(Ⅰ-3):分布于上部支沟中,该区地形相对较陡,受下部变形影响,土体自然向下推移。前端出现挤压凸起,1号承包商营地大量的剪切隆起反映该部位受到强烈的挤压。中、后部出现拉裂缝。
变形牵引区(Ⅱ-1):紧临主滑区下游侧,受主滑区变形牵引,与主滑区产生联动,产生一系列张裂缝;相对稳定区(Ⅱ-2):受变形牵引影响较小,远离主滑区,变形迹象较少,在地形较陡部位偶有拉张裂缝产生。
堆积体发生变形后,对现场进行了大量的调查及分析工作,同时有针对性地布置了勘探和监测(深部和表观结合)。从堆积体发生的拉裂缝和剪切变形的分布、发展情况来看,变形在整个沟内都有发生,总体上沟内沿N70°~80°W方向位移,两侧向冲沟中位移,变形范围四周受控于基岩接触面,深部受控于较完整基岩。不同部位变形特征见图6.26~图6.29。
图6.26 念生垦堆积体后缘边坡剪切变形
图6.27 念生垦堆积体排水沟错移变形
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图6.28 念生垦堆积体侧缘变形开裂
图6.29 念生垦堆积体前缘变形开裂
受纵横交错的公路开挖及前缘堆积体变形等综合因素影响,左耳变形高程至1800.00m,右耳变形高程至1850.00m。从钻孔揭露的岩土性状分析,主滑区内无明显的、成层的软弱面,结合导流明渠开挖面存在多级剪出口分析。该滑体不具沿某一个面变形,而是沿多级潜在滑动面组成一个主滑条带的变形。该滑动变形带影响下限为残积层与强风化接触的土石界面,一般深约50~68m。
2009年3月下旬,伴随导流明渠的进一步开挖,念生垦堆积体变形再次启动加速,且变形范围扩大,由仅上游侧强烈变形演变为整体变形,灾害险情加剧,见图6.30。具体表现有以下几方面。
图6.30 念生垦堆积体再次启动加速为整体变形
(1)强烈变形区范围已经明确扩大至下游基覆界面,2号进水塔部位及其右侧边坡滑裂分界明显、明渠左侧原开裂部位继续发展;原来的弱变形区已经不复存在,整体变形加速。
(2)前缘明渠底部(围堰附近)抬升达2.3m。
(3)堆积体上游侧边界更加清晰。
(4)水平位移速率持续增大。2009年3月13日至4月11日,每天0.8mm→8mm→23mm→58mm→110mm→240mm→310mm→380mm,与明渠底部局部恢复开挖关联密切。
(5)堆积体后缘右耳区域和沟两侧日均位移速率也开始反弹,量级在10~30mm区间变化。
(6)后缘右耳区域的进厂公路K0+880~K1+050区段上边坡出现一处明显开裂,两处已喷混凝土支护边坡开裂。
2008年汛期至2009年汛期,念生垦堆积体从经历大规模施工开挖、持续降雨以至较大范围的变形滑移,最大变形速率440mm/d,累计滑移变形大于30m。变形监测成果见图6.31。
图6.31 念生垦堆积体监测水平位移-时间累积曲线(横向位移)
3.变形机理分析
梨园水电站念生垦堆积体变形的主要原因有如下几个方面:
(1)导流明渠开挖、施工弃渣后缘堆载。一方面,明渠开挖主要位于堆积体前缘抗滑段,开挖导致抗滑力下降;另一方面,施工渣料和工程建设的堆载对堆积体稳定性也产生了一定的影响。
(2)降雨和地下水作用。工程建设导致堆积体原有地形地貌发生了较大改变,表部植被基本被破坏,加之未形成系统的排、挡水措施,为雨水和施工、生活等废水的下渗提供了有利条件,同时工程区遭遇了多年不遇的持续降雨,降雨量大且集中,本身堆积体就处于三面环山的低凹地带,开挖、回填、堆载等形成的平台使得大量的雨水集中下渗,地表水下渗对堆积物的结构、物理力学性质产生了一定程度的恶化作用。
(3)堆积体岩土体结构较松散。从堆积物自身物质组成和结构密实度而言,由于堆积物以粉质黏土、粉细砂等细颗粒物质居多,堆积体在地下水的作用下土体易于软化,力学强度大为降低。此外,该类物质渗透性弱(两组渗透试验K为3.42×10-4cm/s及4.32×10-8cm/s),大量地表水下渗后由于排泄缓慢,一段时间内将在堆积体内形成水位壅高,反映出部分地段堆积体表面、开挖明渠边坡有渗水或集中股状流水,导致水文地质条件改变,对土体产生恶化作用,使堆积体的稳定条件有所改变。
其中,念生垦沟堆积体的变形与导流明渠开挖具有较强的相关性:
(1)2009年1月以前,随着主滑区(强烈变形区)变形增大,“牵动”堆积体后缘和侧缘局部斜坡,导致沿表部覆盖层出现多处滑塌;同时受主滑区滑动挤压,导流明渠中、下游侧顶部和底部的岩土体发生了隆起变形。
(2)2009年1月上旬,针对上述情况,采取了削方减载和简易排水措施,加之进入枯季,降雨量减少,坡体变形趋缓,由加速变形再次过渡至低速蠕滑变形。
(3)2009年3月中旬,应急治理工程还未见成效,明渠下游段局部恢复施工,主要开挖明渠底板和围堰基础部位;至3月底,明渠对应的主滑区部位最大切深至69m;至4月14日,1号新进水塔部位最大切深至68m。2009年3月下旬,伴随导流明渠的进一步开挖,现局部已经开挖至高程1495.00m附近,念生垦堆积体由仅上游侧的强烈变形演变为整体同步变形,再次启动加速。
(4)念生垦沟堆积体再次启动加速后,启动应急处置措施:在卸载和排水洞不间断施工的同时,在导流明渠内结合土石围堰施工,用卸载方量全断面回填到1510.00m高程左右时,监测资料显示:至2009年4月29日,念生垦堆积体变形逐渐趋缓,变形速率已减缓至毫米级,变形再次得到基本控制。
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