汶川80級地震對紫坪鋪邊坡穩(wěn)定性影響分析

1紫坪鋪控制紫坪壩壩上大壩安全問題研究根據中國地震臺網的地震，2008年5月12日上午4點04分，四川省綿川區(qū)英秀市（北緯31.0，東經103.4）發(fā)生了8.0級偉大地震。次震具有高度地震、震源平坦、破壞嚴重、次生災害嚴重等特點。它造成了多起重大崩塌、滑坡和排水溝等自然災害，以及距發(fā)震斷裂越近的區(qū)域地震[2.5]。該次地震對距離震中僅17km的紫坪鋪水利樞紐工程產生了較大程度的影響,樞紐區(qū)地震烈度高達Ⅸ~Ⅹ度,引起了社會各界的廣泛關注。紫坪鋪水利樞紐工程位于岷江上游映秀—都江堰河段,距都江堰市9.0km、距成都市67.0km,是一座以灌溉和供水為主,兼有發(fā)電、防洪、環(huán)保等綜合效益的大(I)型水利工程。樞紐工程壩址以上控制流域面積22.662×103km2,壩型為面板堆石壩,最大壩高為156.0m,正常蓄水位為877.0m,總庫容為11.12×108m3。左岸壩前堆積體位于庫首沙金壩以上,規(guī)模巨大,處于引水系統(tǒng)進水口正前方,經多方論證[7~9],認為堆積體在蓄水后存在潛在失穩(wěn)的可能,故采取了堆碴反壓前緣坡體和坡腳的治理方案。汶川8.0級地震發(fā)生后,壩前堆積體成為抗震救災的生命通道。堆積體在地震后的變形特征及穩(wěn)定性將直接影響到大壩安全和水庫正常運行,并可能危及下游人民的生命財產安全。因此,有必要對其震后的穩(wěn)定性進行研究。堆積體內埋設的監(jiān)測儀器記錄了汶川地震對坡體變形的影響,分析其變形特征對地震作用下堆積體類斜坡的穩(wěn)定性研究具有較高的參考價值。2堆棧的基本結構和管理措施2.1堆積體結構及巖石學特征紫坪鋪壩前堆積體發(fā)育于岷江河谷左岸,距離大壩618.0m,距離右岸引水系統(tǒng)進水口最近處僅250.0m;上游界線在湯家林溝至桃子坪一線,下游邊界止于賈家溝,后緣分布接近分水嶺,前緣直抵岷江,順坡長1600.0m,寬300.0~870.0m,平面分布約1.0km2;空間展布特征為前緣窄、向山內變寬,后緣為基巖陡壁,陡壁下方由數個不同高程的平臺和連結其斜坡構成(見圖1)。堆積體厚度一般為24.9~103.0m,總方量為(3.50~4.50)×107m3。紫坪鋪堆積體在平面上具有明顯的分區(qū)性,上部I區(qū)由基巖座落體構成,Ⅱ–1區(qū)土體沿岷江向下游無臨空面,水庫運行期間均不會產生失穩(wěn)滑動。Ⅱ–2區(qū)位于觀音坪、燈盞坪和葫豆坪一帶,最大厚度達128.0m,方量為(2.50~3.00)×107m3,該區(qū)上游側為湯家林溝,下游側為賈家溝,前緣直抵岷江,三面臨空且燈盞坪前緣曾產生過數次次生蠕滑。水庫蓄水后葫豆坪和燈盞坪前緣將淹沒在正常水位以下,水庫運營條件下整體安全裕度甚少。堆積體典型地質剖面(見圖2)呈臺階狀,坡體中后部相對較厚,基覆界面上陡下緩。基巖底座主要由中生界上三疊統(tǒng)須家河組(T33xj)含煤系的砂頁巖含煤地層組成,堆積體物質在垂向上具有明顯的分層性,從新至老依次為:Q(7)(塊碎石夾黏土),Q(6)(黏土夾少量塊碎石),Q(5)(塊碎石夾黏土),Q(4)(塊碎石夾黏土),Q(3)(塊碎石土),Q(2)(塊碎石夾黏土)以及Q(1)(土夾少量塊碎石)。其中,Q(1)層處于塊碎石與基巖接觸部位,該層始于燈盞坪下部基巖接觸面,向前緣延伸直達葫豆坪前緣,工程性狀很差,是控制堆積體穩(wěn)定性的關鍵層位。2.2壓重體及平臺的設計經綜合前人研究結果[7~10],堆積體的治理措施采用堆碴反壓前緣坡體和坡腳的方案,并保留上游圍堰進行壓重體布置與設計(見圖2),以加強支擋效果,從而確保堆積體、壓重體和上游圍堰的整體穩(wěn)定性。壓重體長度約為470m,底寬最大為330m,頂寬為60m,最大高程為845m,在垂直河流方向分為3個臺階:高程845,815和790m,臺階與臺階之間按3.0∶1(高度∶長度)的坡度設計;在沿河流方向按2.5∶1(高度∶長度)的坡度設計壓重體的形態(tài)。估計壓重體總方量為90.0×104m3。治理后,堆積體的穩(wěn)定性得到了較大的提高。3監(jiān)測儀器的配置和地震前變形特性3.1in–1in-7為監(jiān)測堆積體的整體穩(wěn)定性動態(tài)變化特征,共布置了7個測斜孔(編號為IN–1~IN–7),皆穿過基覆界面,其中IN–1孔在蓄水前改造為固定式傾斜儀進行遙測(見圖3);同時,為監(jiān)測地下水位的變動情況,在7個測斜孔底部各安裝了1支滲壓計(編號為PD–1~PD–7)。3.2地表變形與孔深關系自2003年12月開始,各儀器逐次安裝,2005年9月30日水庫蓄水,截至2008年5月12日地震前,各測孔的孔口累計合位移均較小(見圖4以及表1),位移隨時間有少量波動增加,最大值為46.24mm(IN–6部位),平均位移速率最大值為0.038mm/d。從位移與孔深的關系看,累計合位移隨高程的增加而增加,這主要是誤差累積的結果(傾斜儀觀測誤差為7mm/(25m)。各測孔均未出現(xiàn)明顯錯動面,地表未發(fā)現(xiàn)變形開裂等異常情況。各測孔位移矢量方向比較雜亂、無明顯規(guī)律,說明堆積體在蓄水后至汶川8.0級地震前處于穩(wěn)定狀態(tài)。48.0級地震引起的變形破壞特征4.1表面變形的破壞特征4.1.1公路外側大裂縫汶川8.0級地震后,在堆積體燈盞坪前緣高程845~890m部位發(fā)生了3處小規(guī)模的地表崩塌(編號為D1,D2,D3),在高程890m公路外側產生了多條連續(xù)的裂縫(見圖3,5,6)。崩塌物質為塊碎石夾黏土,方量分別約為600,400,150m3。產生該3處崩塌的原因在于施工道路開挖形成局部陡峻邊坡,其自穩(wěn)能力較差,在地震力作用下產生局部崩塌,該崩塌區(qū)后期在余震或降雨條件影響下有所擴大,且將來在庫水位波動下有可能繼續(xù)擴展,但尚不至于影響堆積體的整體穩(wěn)定性。堆積體受地震影響產生的破壞主要表現(xiàn)在燈盞坪前緣的局部區(qū)域,其他部位無明顯異?，F(xiàn)象。4.1.2地表位移矢量方向根據傾斜儀監(jiān)測成果,汶川8.0級地震使堆積體產生了明顯的變形(見圖6),孔口位移增量范圍為55~96mm,局部達到206mm(IN–7)(見表2)。地震前坡體變形無明確方向,計算的位移方位角主要受觀測誤差的影響,但震后地表位移矢量方向表現(xiàn)出較好的一致性,其平均值為135°,偏向下游方向賈家溝側,與汶川地震斷裂帶走向229°大角度相交,兩者夾角大致為94°,說明堆積體的變形方向除受基巖底座及臨空面影響外,主要受汶川8.0級地震控制,坡體的位移矢量方向與北川—映秀斷裂帶走向基本垂直。從傾斜儀孔口監(jiān)測數據看,坡體位移的突變及位移矢量方向的趨同性是堆積體對汶川8.0級地震的突出反映。4.2堆積體內部變形破壞特征4.2.1位移–時間曲線特征對于堆積體斜坡,基覆界面常常是失穩(wěn)的滑動面,坡體滑動時可在滑面剪斷測斜管或產生大變形導致探頭不能下放,這可利用固定式測斜儀予以解決。由固定測斜儀IN–1累計合位移–時間關系可知,見圖7(以2006年9月7日為基準,基覆界面埋深為35m),汶川8.0級地震前,IN–1的位移主要受庫水位波動影響而隨時間有非常微小的增加,但基本趨于平穩(wěn)(平均速度小于0.01mm/d);地震發(fā)生后,IN–1的累計合位移增量為30.67mm,位移–時間曲線存在明顯的臺階狀躍變。位移矢量方向為154.69°,與汶川地震斷裂帶走向229°之間的夾角為74.31°。主震后盡管余震不斷,但位移–時間曲線趨于平穩(wěn),說明坡體變形受主震的影響較為明顯。汶川8.0級地震導致堆積體基巖與覆蓋層界面發(fā)生了錯動,滑動式傾斜儀的監(jiān)測成果很好地反映了這一變形特點。從觀測成果看,除IN–3(后期損壞未達基覆界面)外,地震后各測斜孔均形成了較明顯的錯動面。典型的滑動式測斜儀累計合位移–孔深以及方位角–孔深關系見圖8和表3,其中IN–2,IN–4,IN–7測斜孔錯動面出現(xiàn)于基覆界面附近,錯動面處位移增量范圍為34~50mm,位移矢量方向為153°~170°。IN–5,IN–6孔在覆蓋層內形成了次級錯動,位移增量范圍為15~32mm,位移方向為163°和100°。在錯動面以上,坡體的位移隨測點高程的增加而增加,在累計合位移–孔深曲線上基本表現(xiàn)為一條斜線,表明地震對堆積體變形的影響與高程有密切關系。地震不僅引起了坡體位移量值的突變,而且使坡體位移產生了明顯的方向趨勢。震前由于坡體無明顯變形發(fā)展且存在誤差影響,計算的位移矢量方位角波動很大。地震動力的作用使堆積體邊坡的變形方向產生了趨同性,各錯動面處位移矢量方位角較地震前均有較大改變(如IN–4測孔),利用方位角–孔深曲線進行錯動面判斷也是一種直觀、有效的方法,見圖8。4.2.2堆積體邊坡傾斜變形特征基覆界面以上坡體各測孔沿深度方向的累計合位移特征統(tǒng)計見表4。一般而言,坡體內部除在基覆界面產生明顯錯臺外,在坡體內部隨高程的增加累計合位移增加,在地表累計合位移達到最大值,這表明在地震作用下坡體發(fā)生了明顯的傾斜變形。由于各個鉆孔的深度差異引起累積合位移的差異,從位移總量上還不能判斷坡體的傾斜程度。堆積體邊坡在地震過程中的傾斜變形程度可用鉆孔傾斜量與鉆孔深度的比值(見表5)來表示,從表5可看出,燈盞坪前緣坡體的IN–2,IN–4和IN–5部位傾斜率相對較小,為0.60‰~0.87‰(傾斜角變化為0.034°~0.05°),而處在堆積體中部IN–3,IN–6和IN–7部位的傾斜變形率相對較大,其傾斜率為1.279‰~1.873‰(傾斜角變化0.078°~0.107°)。產生這一差異的原因估計與觀測部位的高程有關,一般而言隨高程增加地震荷載的放大作用越明顯。5地震后沉積體穩(wěn)定性的監(jiān)測5.1位錯–時間關系汶川8.0級地震發(fā)生后,堆積體邊坡加強了監(jiān)測工作,并擬根據監(jiān)測成果評估坡體的整體穩(wěn)定性。為消除累計誤差的影響,可對特定界面的位錯進行分析?；步缑娴奈诲e變化特征可選擇在滑面上下相距5m的位移變化較穩(wěn)定的部位進行研究。由各測孔基覆界面位錯–時間關系圖(見圖9)可看出:汶川8.0級地震發(fā)生后,各測孔基覆界面相對位錯發(fā)生了較大突變,在位錯–時間關系上形成了一個明顯的臺階狀增加,相對位錯最大值高達61.46mm。震后的監(jiān)測表明,基覆界面的位錯并沒有隨時間而持續(xù)發(fā)展,位錯–時間曲線基本保持平緩,說明堆積體在主震以后仍處在穩(wěn)定狀態(tài)。據中國地震信息網,從2008年5月12日~12月10日,映秀—北川斷裂共發(fā)生5.0級以上地震共計42次。主震后堆積體基覆界面的相對位錯最大值為3.83mm,遠小于主震發(fā)生時的位錯最大值,且基覆界面的相對位錯與已發(fā)生的余震震級之間沒有明顯的相關性,可見堆積體的變形主要受汶川8.0級地震的主震影響,余震對基覆界面的位錯影響極小。5.2位移速率變化由各測斜孔的孔口累計合位移–時間的關系(見圖10)可看出,在汶川8.0級地震發(fā)生后坡體的變形呈臺階狀增加,但隨后的觀測表明坡體的變形保持在主震發(fā)生后的水平,沒有隨時間進一步發(fā)展。從變形總量看,堆積體目前的最大位移為220mm,遠小于丹巴縣城后山滑坡及小灣飲水溝堆積體的變形總量,可見坡體仍處在穩(wěn)定狀態(tài)。對現(xiàn)有堆積體滑坡的統(tǒng)計結果表明,堆積體滑坡的臨界變形速率差別較大,如新灘滑坡加速變形階段的月變形速度達171.9mm、臨滑前達584mm/d,丹巴滑坡加速下滑階段坡體的位移速率最大達33mm/d。由紫坪鋪左岸壩前堆積主震后的位移速率與時間關系(見圖11)可知,震后孔口位移速率在-2.37~+2.52mm/d范圍內波動,并逐漸趨于0,位移速率的波動更多地反映了觀測誤差的影響,且位移速率的大小和已發(fā)生的余震震級無明顯相關性。在汶川8.0級地震后,堆積體邊坡的變形與地震前相比無明顯異常。堆積體滑坡的發(fā)展演化是一個累進性變形破壞的過程,在演化過程中主要特征表現(xiàn)為位移與滑動隨時間延續(xù)呈現(xiàn)不同的階段性,一般可分為4個階段:蠕變階段、擠壓階段、滑動階段和穩(wěn)定階段。綜合震后基覆界面位錯特征和震后孔口位移變化特征,汶川8.0級地震發(fā)生后,堆積體受地震作用在基覆界面產生了一定的錯動,但錯動總量不大(最大值為60~70mm),地表巡視表明:盡管在燈盞坪前緣發(fā)生了局部崩塌,但方量很小,地表裂縫也顯示為燈盞坪前緣的淺表層破壞,后緣未發(fā)現(xiàn)拉裂縫。監(jiān)測與巡視表明,紫坪鋪左岸壩前堆積體邊坡在汶川地震期間僅在前緣局部產生了少量崩塌、基覆界面有輕微錯動,但對堆積體的整體穩(wěn)定性并未帶來明顯影響與惡化,堆積體經過自身應力調整后,目前仍處在整體穩(wěn)定階段。6局部陡峻邊坡(1)自儀器安裝、水庫蓄水至汶川8.0級地震前,堆積體各測斜孔累計合位移最大值為46.24mm,平均位移速率最大值為0.0376mm/d,矢量方向無明顯規(guī)律,各測孔均未出現(xiàn)明顯滑移面,地表未發(fā)現(xiàn)變形開裂等異常情況,地震前堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)。(2)汶川8.0級地震引起了燈盞坪前緣部位發(fā)生了3處小規(guī)模的地表崩塌,崩塌原因在于施工道路開挖而形成了局部陡峻邊坡,該崩塌后期有可能繼續(xù)擴大,但尚不至于影響堆積體的整體穩(wěn)定性。(3)地震后,各測孔均形成明顯錯動面,IN–1,IN–2,IN–4以及IN–7孔錯動面位于基覆界面附近,位移增量最大值為60~70mm;IN–5,IN–6孔錯動面產生于覆蓋層內,位移增量最大值為32mm。錯動面以上坡體的變形量隨高程的增加而增加。(4)汶川8.0級地震后,各測孔位移均發(fā)生了較大突變,各測孔位移最大值均發(fā)生于孔口或孔口附近,位移增量為55~100mm,局部可達