论文指导

某涉水崩滑堆积体边坡地震致灾机制综合评估

摘    要:弄清高烈度区涉水边坡在地震、库水和人类工程活动综合作用下的坡体扰动劣化机制,是边坡稳定性评价的核心,也是采取有效应对措施的前提。依托某库区历史崩滑堆积体边坡,在搜集得到的勘察设计资料、三峡移民局蓄水及滑坡通报、参建单位往来函件、历史地震资料基础上,结合地面调查和数值计算,采用时空序列分析方法,探讨了该边坡致灾主导因素、坡体扰动程度和稳定性劣化机制,综合评估了工程处置的可行性,所得主要结论如下:(1)工程建设对该库区边坡的扰动和稳定性影响可控;永善和鲁甸两次地震对边坡均有影响,但多达1339次余震的鲁甸地震对该边坡岩土体震松效应影响最大,高水位加剧了震松岩土体的饱和软化,造成该边坡目前整体处于基本稳定-欠稳定状态,坡体前缘处于欠稳定-失稳状态。(2)该边坡坡顶和坡面发育的不良地质和不稳定现象为历史变形迹象,没有继续发展现象;但坡脚临牛栏江到金沙江一线,坡面破坏痕迹新鲜,下部边坡已经严重威胁结构安全。(3)极限平衡分析揭示边坡由勘察阶段的整体稳定,到两次地震作用后的基本稳定-欠稳定状态,达到1.30安全标准所需要加固力为20015kN/m~197421kN/m、加固深度60~180m、加固范围350m~980m,很难通过工程措施达到加固安全目标。(4)综合评估认为该涉水边坡潜在变形破坏范围深大,无法通过工程加固措施使得边坡满足工程稳定性要求,建议舍弃在建工程。上述成果可为该区类似工程提供借鉴,可为水库安全运行提供支撑。
 
关键词:涉水崩滑堆积边坡;地震作用;坡体扰动;稳定性劣化;时空劣化机制;综合评估;
 
Comprehensive Assessment on Earthquake Disaster Temporal Deterioration
Mechanism of a Reservoir Collapse-slide Slope
REN Dong-wei ZENG Liang-liang ZHANG Hong LI Chang-tao
Yunnan Constructions Investment Group Highway Construction Co.Ltd.
 
Abstract:
Ascertaining slope disturbance deterioration mechanism of reservoir slope in high seismic region under earthquake, reservoir water and human engineering activities actions is the key point of stability estimation and premise of scientific reasonable countermeasures done. Relying on a reservoir collapse-slide slope, its main disaster-causing factor, slope body disturbance and stability deterioration mechanism are discussed with surface survey and numerical computing combined on basis of survey and design services, water storage and landslide bulletins of three gorge immigration bureau, correspondence of participating units and historical earthquake recording. And feasibility of engineering disposal is comprehensively estimated, too. Main conclusions are as following. (1) Engineering construction does little effect on the reservoir slope’s body disturbance and stability. Yongshan earthquake and Ludian earthquake both affect the slope. But Ludian one with 1339 times aftershock does more harm to slope body and remarkable loosening effect produced. High water level enhances shock loosening rock mass saturated softening. The whole slope stability is basic-to-not stable, front local stability being not-to-losing stable. (2) Deformation traces on slope top and surface are historical ones, which don’t expand. But unstable evidences in front of slope is fresh ones, which have threated bridge foundations safety. (3) Limit equilibrium method results present slope at survey stage being stable, slope after two earthquake records being basic stable and not stable. To meet 1.30 safety standardization needs strength force being 20015kN/m~197421kN/m, reinforcement depth being 60~180m and reinforcement scope being 350m~980m. It is difficult to meet reinforcement aim by engineering measures. (4) The reservoir slope is estimated comprehensively, whose whole stability being basic-to-not stable, that of local one being not-to-losing stable, which deformation scope being deep and wide. Because it is hard to reinforce by regular engineering measures, so the building bridge is suggested to be rejected. These conclusions can be referred by similar project and used in reservoir management.
 
Keyword:
reservoir collapse-slide slope; earthquake action; slope body disturbance; stability evolution; temporal deterioration mechanism; comprehensive assessment;
 
1 引言
边(滑)坡是自然作用下或者人类工程活动下地形演替并再次堆积稳定的产物,由于人和工程的存在,才需要对边(滑)坡的安全威胁进行评估。人类自古逐水而居,现在兴建水利工程,也是为了最大化利用水资源,兴利除弊。但人类对于自然的认知和边(滑)坡稳定性的认知,相对于动辄上亿年的地质历史时期,是短暂的,认知是有限。因此,需要慎重对待涉水边坡工程稳定性评价和处治。
 
一般在兴建水库的地区,后建工程也都会评估库水对既有边坡工程的安全威胁,包括:(1)塌岸宽度预测,评估塌岸造成的中长期安全威胁[1,2,3,4];(2)涉水边坡稳定性评价,评估水位变化及岩土体遇水软化对边坡静动力稳定性造成的综合影响[5,6,7];(3)对既有边坡安全的跟踪监测及评估,对于风险等级高,可能威胁已建、在建和拟建工程安全的,需要跟踪监测,目的是准确评估工程安全威胁和环境安全风险[8,9,10,11]。虽然做了这么多研究,但是仍有很多扰动因素难以准确评估,这就需要对这类工程,尤其是危害后果严重的工程,利用不同分析方法和技术对其进行深入系统的研究,目的是获取定性经验和定量认知,为后续工程提供类比借鉴,提升涉水边坡的勘察设计及防治水平[12,13,14,15]。
 
针对地震和库水综合作用下某库区崩滑堆积体边坡稳定性劣化机制评价难题。在不同阶段工作对比分析的基础上,利用现场调查和既有资料的时空耦合分析,结合不同阶段的变形破坏迹象和地震事件调查,揭示坡体扰动的主导因素,探讨边坡的劣化机制,提出针对性处置建议,可为类似工程提供借鉴。
 
2工程概况
2.1建设项目及周边环境
溪洛渡水电站位于云南永善县和四川雷波县交界的金沙江上,工程发电、拦砂、防洪、调水与航运并重,采用混凝土双曲拱坝,坝高285.5m,总装机容量1.4×107kW,年均发电5.7×1011kW·h。电站2002年立项,2003年筹建,2004年开工,2013年7月运行,2015年10月全面竣工。
 
在建的沿金沙江公路某连续刚构及T形梁大桥为3×21+73+130+73+3×21m,全长410米,紧邻金沙江,跨越牛栏江,位于两江交汇口。起点桩号K0+199,止点桩号K0+605。桥墩最大高度71m,蓄水位601m,四级单向通航,详见图1。
 
2.2崩塌堆积体边坡
桥梁工程位于两江交汇位置,从地形地貌看,桥梁上部坡体为历史崩滑堆积体边坡,主要指向牛栏江,部分斜指金沙江,坡体物质主要为砂页岩、白云岩、白云质灰岩等扰动岩体,勘察期间未见坡面变形迹象,坡体稳定,详见图2。
 
3 地震灾变时空劣化机制辨析
3.1 稳定性劣化导致的工程问题简述
2012年该大桥开始勘察,江面水位528m高程;2013年上半年大桥开建;2013年7月-2014年9月水电站逐步蓄水至580m高程;2014年4月5日永善地震,边坡局部开裂;2014年8月3日鲁甸地震,地震过后坡面多处开裂;2014年9月之后,蓄水至600m高程;之后随季节涨落,年变化幅度在50m左右;2014年9月,大桥施工过程中发现墩台出现位移;2014年-迄今,停工并进行了震后勘察和监测,目前变形继续发展,没有收敛趋势;2016年8月,专家组建议评估且处置稳定后方可继续施工。
 
3.2 时空序列分析揭示的致灾主因
将地面调查和既有资料按时空序列对比分析,揭示的地震致灾证据和边坡稳定性劣化过程见图3。
 
根据工程建设前后的坡面调查对比,工程活动本身规模有限,影响可控;溪洛渡水电站初期蓄水,对坡体的影响同样有限;永善地震,最大震级5.3级,余震38次,对坡体产生一定影响,岩体部分扰动,造成坡面局部破裂,裂缝宽度8-13cm,但长度有限,距离桥位有一定距离;鲁甸地震,最大震级6.5级,余震1335次,震级和余震频次均大于永善地震,对坡体的影响更为显著,岩体扰动显著,造成坡面多处破裂,裂缝长度和数量发展迅速,引道和施工场地多处开裂,永善岸桥台、1号墩、3号墩、4号墩发生显著位移,平均位移超过15cm。这说明地震对永善岸边坡岩土体的扰动显著,震松效应显著,扰动岩土体在高蓄水位下性能软化,使得坡体前缘产生不同规模的崩滑不稳定现象,这也是崩塌堆积体边坡由稳定发展为基本稳定再到欠稳定的根本原因。
 
3.3坡体扰动及稳定性劣化
该场地,位于两江交汇位置,构造活动强烈,微地貌发育,各方重视,工作逐步深入,认知逐步加深,将历史认知资料整理成图4。
 
不良地质体和不稳定迹象的空间分布特征表明,永善岸边坡在地震发生后,坡面发展多条裂缝,坡体扰动显著,前缘坡面更为破碎,多处产生崩滑等局部稳定问题。永善岸金沙江侧H59滑坡、冲沟、局部崩滑、坡面冲刷等造成临金沙江侧边坡局部不稳定,长期作用会影响桥位结构安全;临牛栏江侧,坡面多处局部崩滑,冲沟部位崩塌严重,长期作用会严重影响永善岸稳定性。综上,永善岸不同规模不稳定现象发生和发展的空间关系证明了地震对该岸的影响显著,即永善地震前永善岸边坡基本稳定,永善地震造成该侧坡体产生一定程度扰动,但没有到威胁工程安全的程度;鲁甸地震造成永善岸坡体产生显著扰动,已经威胁到工程安全;高水位加剧了这些不稳定现象的规模和危害程度,目前已经严重影响到桥梁结构安全。
 
3.4数值计算揭示的稳定性演化机制
利用Slide软件,建立地质模型,考虑实际库水变化条件,计算模型见图5,计算参数见表1。
 
将整体和局部稳定性计算结果整理成图6,稳定性系数和考虑力的补偿效应的加固力统计列于表2。限于篇幅,仅列出最不利的情况。
 
由图6和表2可知,545-580m高程水位,边坡整体和局部稳定性系数,均小于1.30安全标准,大于1.05,基本稳定,所需加固力20015-1473717kN/m;600m蓄水高程,边坡整体和局部稳定性系数,均小于1.05,处于欠稳定状态,所需加固力急剧增加至197421kN/m。若考虑抗滑桩截面尺寸为2m×4m,抗滑桩间距为8m,则单根抗滑桩承受的最小下滑力20015kN/m×8m=160120kN。一般单根抗滑桩可以提供的抗滑力为5000-8000kN,至少需要20-32排抗滑桩才能满足加固要求。另外,潜在滑体厚度为60m~180m,L型邻水侧累计横向长度约350-985m。根据上述加固力、滑体的厚度和水平范围可知,该边坡很难通过抗滑桩加固使其满足工程稳定性要求,即不可加固。
 
4结论与建议
根据勘察设计资料、三峡移民局蓄水及滑坡通报、参建单位往来函件、搜集到的历史地震资料等,采用时空序列分析、现场调查评估和数值计算量化评价相结合的方法,对崩滑堆积体边坡进行了稳定性综合评价,所得结论如下:
 
(1)基于既有资料的时间和空间序列分析发现:工程建设对永善岸边坡的扰动和稳定性影响可控;两次地震,尤其是鲁甸地震对边坡的扰动显著,近千次余震严重震松了坡体地层结构,高水位加剧了岩性劣化,目前坡体前缘沿牛栏江和金沙江一线多处出现崩塌、滑移、塌岸等局部不稳定现象,严重威胁桥梁结构安全。
 
(2)该边坡的坡顶、坡面、坡脚和桥梁结构现场调查发现:坡顶、坡体中部发育的不良地质现象和不稳定现象为历史变形迹象,其整体稳定可控,不会威胁工程安全;坡脚临牛栏江到金沙江一线,目前局部稳定性较差,坡面破坏痕迹新鲜,前缘边坡的稳定性已经威胁结构安全。
 
(3)边坡极限平衡量化分析发现:边坡由勘察阶段的整体稳定,到两次地震作用后的基本稳定-欠稳定状态,目前达到工程稳定所需要的加固力为20015kN/m~197421kN/m、加固深度60~180m、加固范围350m~980m,很难通过工程措施达到加固稳定目标。
 
(4)综合评估认为:该涉水边坡当前整体处于基本稳定-欠稳定状态,局部处于欠稳定-失稳状态,潜在变形破坏范围深大,不可加固,建议舍弃。
 
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