汶川80級(jí)地震對(duì)紫坪鋪邊坡穩(wěn)定性影響分析

汶川80級(jí)地震對(duì)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(wèn)題研究根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的地震，2008年5月12日上午4點(diǎn)04分，四川省綿川區(qū)英秀市（北緯31.0，東經(jīng)103.4）發(fā)生了8.0級(jí)偉大地震。次震具有高度地震、震源平坦、破壞嚴(yán)重、次生災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)。它造成了多起重大崩塌、滑坡和排水溝等自然災(zāi)害，以及距發(fā)震斷裂越近的區(qū)域地震[2.5]。該次地震對(duì)距離震中僅17km的紫坪鋪水利樞紐工程產(chǎn)生了較大程度的影響,樞紐區(qū)地震烈度高達(dá)Ⅸ~Ⅹ度,引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)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(kù)容為11.12×108m3。左岸壩前堆積體位于庫(kù)首沙金壩以上,規(guī)模巨大,處于引水系統(tǒng)進(jìn)水口正前方,經(jīng)多方論證[7~9],認(rèn)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(jí)地震發(fā)生后,壩前堆積體成為抗震救災(zāi)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(kù)正常運(yùn)行,并可能危及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,有必要對(duì)其震后的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。堆積體內(nèi)埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器記錄了汶川地震對(duì)坡體變形的影響,分析其變形特征對(duì)地震作用下堆積體類(lèi)斜坡的穩(wěn)定性研究具有較高的參考價(jià)值。2堆棧的基本結(jié)構(gòu)和管理措施2.1堆積體結(jié)構(gòu)及巖石學(xué)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(jìn)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(zhǎng)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(nèi)變寬,后緣為基巖陡壁,陡壁下方由數(shù)個(gè)不同高程的平臺(tái)和連結(jié)其斜坡構(gòu)成(見(jiàn)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(gòu)成,Ⅱ–1區(qū)土體沿岷江向下游無(wú)臨空面,水庫(kù)運(yùn)行期間均不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)滑動(dòng)。Ⅱ–2區(qū)位于觀音坪、燈盞坪和葫豆坪一帶,最大厚度達(dá)128.0m,方量為(2.50~3.00)×107m3,該區(qū)上游側(cè)為湯家林溝,下游側(cè)為賈家溝,前緣直抵岷江,三面臨空且燈盞坪前緣曾產(chǎn)生過(guò)數(shù)次次生蠕滑。水庫(kù)蓄水后葫豆坪和燈盞坪前緣將淹沒(méi)在正常水位以下,水庫(kù)運(yùn)營(yíng)條件下整體安全裕度甚少。堆積體典型地質(zhì)剖面(見(jiàn)圖2)呈臺(tái)階狀,坡體中后部相對(duì)較厚,基覆界面上陡下緩?；鶐r底座主要由中生界上三疊統(tǒng)須家河組(T33xj)含煤系的砂頁(yè)巖含煤地層組成,堆積體物質(zhì)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(dá)葫豆坪前緣,工程性狀很差,是控制堆積體穩(wěn)定性的關(guān)鍵層位。2.2壓重體及平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)綜合前人研究結(jié)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(jìn)行壓重體布置與設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2),以加強(qiáng)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(zhǎng)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(gè)臺(tái)階:高程845,815和790m,臺(tái)階與臺(tái)階之間按3.0∶1(高度∶長(zhǎng)度)的坡度設(shè)計(jì);在沿河流方向按2.5∶1(高度∶長(zhǎng)度)的坡度設(shè)計(jì)壓重體的形態(tài)。估計(jì)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(cè)儀器的配置和地震前變形特性3.1in–1in-7為監(jiān)測(cè)堆積體的整體穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化特征,共布置了7個(gè)測(cè)斜孔(編號(hào)為IN–1~IN–7),皆穿過(guò)基覆界面,其中IN–1孔在蓄水前改造為固定式傾斜儀進(jìn)行遙測(cè)(見(jiàn)圖3);同時(shí),為監(jiān)測(cè)地下水位的變動(dòng)情況,在7個(gè)測(cè)斜孔底部各安裝了1支滲壓計(jì)(編號(hào)為PD–1~PD–7)。3.2地表變形與孔深關(guān)系自2003年12月開(kāi)始,各儀器逐次安裝,2005年9月30日水庫(kù)蓄水,截至2008年5月12日地震前,各測(cè)孔的孔口累計(jì)合位移均較小(見(jiàn)圖4以及表1),位移隨時(shí)間有少量波動(dòng)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(guān)系看,累計(jì)合位移隨高程的增加而增加,這主要是誤差累積的結(jié)果(傾斜儀觀測(cè)誤差為7mm/(25m)。各測(cè)孔均未出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)面,地表未發(fā)現(xiàn)變形開(kāi)裂等異常情況。各測(cè)孔位移矢量方向比較雜亂、無(wú)明顯規(guī)律,說(shuō)明堆積體在蓄水后至汶川8.0級(jí)地震前處于穩(wěn)定狀態(tài)。48.0級(jí)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(cè)大裂縫汶川8.0級(jí)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(hào)為D1,D2,D3),在高程890m公路外側(cè)產(chǎn)生了多條連續(xù)的裂縫(見(jiàn)圖3,5,6)。崩塌物質(zhì)為塊碎石夾黏土,方量分別約為600,400,150m3。產(chǎn)生該3處崩塌的原因在于施工道路開(kāi)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(chǎn)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(kuò)大,且將來(lái)在庫(kù)水位波動(dòng)下有可能繼續(xù)擴(kuò)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(chǎn)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(wú)明顯異?，F(xiàn)象。4.1.2地表位移矢量方向根據(jù)傾斜儀監(jiān)測(cè)成果,汶川8.0級(jí)地震使堆積體產(chǎn)生了明顯的變形(見(jiàn)圖6),孔口位移增量范圍為55~96mm,局部達(dá)到206mm(IN–7)(見(jiàn)表2)。地震前坡體變形無(wú)明確方向,計(jì)算的位移方位角主要受觀測(cè)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(cè),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(shuō)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(jí)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(cè)數(shù)據(jù)看,坡體位移的突變及位移矢量方向的趨同性是堆積體對(duì)汶川8.0級(jí)地震的突出反映。4.2堆積體內(nèi)部變形破壞特征4.2.1位移–時(shí)間曲線特征對(duì)于堆積體斜坡,基覆界面常常是失穩(wěn)的滑動(dòng)面,坡體滑動(dòng)時(shí)可在滑面剪斷測(cè)斜管或產(chǎn)生大變形導(dǎo)致探頭不能下放,這可利用固定式測(cè)斜儀予以解決。由固定測(cè)斜儀IN–1累計(jì)合位移–時(shí)間關(guān)系可知,見(jiàn)圖7(以2006年9月7日為基準(zhǔn),基覆界面埋深為35m),汶川8.0級(jí)地震前,IN–1的位移主要受庫(kù)水位波動(dòng)影響而隨時(shí)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(jì)合位移增量為30.67mm,位移–時(shí)間曲線存在明顯的臺(tái)階狀躍變。位移矢量方向?yàn)?54.69°,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(shí)間曲線趨于平穩(wěn),說(shuō)明坡體變形受主震的影響較為明顯。汶川8.0級(jí)地震導(dǎo)致堆積體基巖與覆蓋層界面發(fā)生了錯(cuò)動(dòng),滑動(dòng)式傾斜儀的監(jiān)測(cè)成果很好地反映了這一變形特點(diǎn)。從觀測(cè)成果看,除IN–3(后期損壞未達(dá)基覆界面)外,地震后各測(cè)斜孔均形成了較明顯的錯(cuò)動(dòng)面。典型的滑動(dòng)式測(cè)斜儀累計(jì)合位移–孔深以及方位角–孔深關(guān)系見(jiàn)圖8和表3,其中IN–2,IN–4,IN–7測(cè)斜孔錯(cuò)動(dòng)面出現(xiàn)于基覆界面附近,錯(cuò)動(dòng)面處位移增量范圍為34~50mm,位移矢量方向?yàn)?53°~170°。IN–5,IN–6孔在覆蓋層內(nèi)形成了次級(jí)錯(cuò)動(dòng),位移增量范圍為15~32mm,位移方向?yàn)?63°和100°。在錯(cuò)動(dòng)面以上,坡體的位移隨測(cè)點(diǎn)高程的增加而增加,在累計(jì)合位移–孔深曲線上基本表現(xiàn)為一條斜線,表明地震對(duì)堆積體變形的影響與高程有密切關(guān)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(chǎn)生了明顯的方向趨勢(shì)。震前由于坡體無(wú)明顯變形發(fā)展且存在誤差影響,計(jì)算的位移矢量方位角波動(dòng)很大。地震動(dòng)力的作用使堆積體邊坡的變形方向產(chǎn)生了趨同性,各錯(cuò)動(dòng)面處位移矢量方位角較地震前均有較大改變(如IN–4測(cè)孔),利用方位角–孔深曲線進(jìn)行錯(cuò)動(dòng)面判斷也是一種直觀、有效的方法,見(jiàn)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(cè)孔沿深度方向的累計(jì)合位移特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。一般而言,坡體內(nèi)部除在基覆界面產(chǎn)生明顯錯(cuò)臺(tái)外,在坡體內(nèi)部隨高程的增加累計(jì)合位移增加,在地表累計(jì)合位移達(dá)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(gè)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(guò)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(jiàn)表5)來(lái)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(duì)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(duì)較大,其傾斜率為1.279‰~1.873‰(傾斜角變化0.078°~0.107°)。產(chǎn)生這一差異的原因估計(jì)與觀測(cè)部位的高程有關(guān),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(cè)5.1位錯(cuò)–時(shí)間關(guān)系汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后,堆積體邊坡加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)工作,并擬根據(jù)監(jiān)測(cè)成果評(píng)估坡體的整體穩(wěn)定性。為消除累計(jì)誤差的影響,可對(duì)特定界面的位錯(cuò)進(jìn)行分析。基覆界面的位錯(cuò)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(jìn)行研究。由各測(cè)孔基覆界面位錯(cuò)–時(shí)間關(guān)系圖(見(jiàn)圖9)可看出:汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后,各測(cè)孔基覆界面相對(duì)位錯(cuò)發(fā)生了較大突變,在位錯(cuò)–時(shí)間關(guān)系上形成了一個(gè)明顯的臺(tái)階狀增加,相對(duì)位錯(cuò)最大值高達(dá)61.46mm。震后的監(jiān)測(cè)表明,基覆界面的位錯(cuò)并沒(méi)有隨時(shí)間而持續(xù)發(fā)展,位錯(cuò)–時(shí)間曲線基本保持平緩,說(shuō)明堆積體在主震以后仍處在穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)中國(guó)地震信息網(wǎng),從2008年5月12日~12月10日,映秀—北川斷裂共發(fā)生5.0級(jí)以上地震共計(jì)42次。主震后堆積體基覆界面的相對(duì)位錯(cuò)最大值為3.83mm,遠(yuǎn)小于主震發(fā)生時(shí)的位錯(cuò)最大值,且基覆界面的相對(duì)位錯(cuò)與已發(fā)生的余震震級(jí)之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性,可見(jiàn)堆積體的變形主要受汶川8.0級(jí)地震的主震影響,余震對(duì)基覆界面的位錯(cuò)影響極小。5.2位移速率變化由各測(cè)斜孔的孔口累計(jì)合位移–時(shí)間的關(guān)系(見(jiàn)圖10)可看出,在汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后坡體的變形呈臺(tái)階狀增加,但隨后的觀測(cè)表明坡體的變形保持在主震發(fā)生后的水平,沒(méi)有隨時(shí)間進(jìn)一步發(fā)展。從變形總量看,堆積體目前的最大位移為220mm,遠(yuǎn)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(jiàn)坡體仍處在穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)現(xiàn)有堆積體滑坡的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(dá)171.9mm、臨滑前達(dá)584mm/d,丹巴滑坡加速下滑階段坡體的位移速率最大達(dá)33mm/d。由紫坪鋪?zhàn)蟀秹吻岸逊e主震后的位移速率與時(shí)間關(guān)系(見(jiàn)圖11)可知,震后孔口位移速率在-2.37~+2.52mm/d范圍內(nèi)波動(dòng),并逐漸趨于0,位移速率的波動(dòng)更多地反映了觀測(cè)誤差的影響,且位移速率的大小和已發(fā)生的余震震級(jí)無(wú)明顯相關(guān)性。在汶川8.0級(jí)地震后,堆積體邊坡的變形與地震前相比無(wú)明顯異常。堆積體滑坡的發(fā)展演化是一個(gè)累進(jìn)性變形破壞的過(guò)程,在演化過(guò)程中主要特征表現(xiàn)為位移與滑動(dòng)隨時(shí)間延續(xù)呈現(xiàn)不同的階段性,一般可分為4個(gè)階段:蠕變階段、擠壓階段、滑動(dòng)階段和穩(wěn)定階段。綜合震后基覆界面位錯(cuò)特征和震后孔口位移變化特征,汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后,堆積體受地震作用在基覆界面產(chǎn)生了一定的錯(cuò)動(dòng),但錯(cuò)動(dòng)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(cè)與巡視表明,紫坪鋪?zhàn)蟀秹吻岸逊e體邊坡在汶川地震期間僅在前緣局部產(chǎn)生了少量崩塌、基覆界面有輕微錯(cuò)動(dòng),但對(duì)堆積體的整體穩(wěn)定性并未帶來(lái)明顯影響與惡化,堆積體經(jīng)過(guò)自身應(yīng)力調(diào)整后,目前仍處在整體穩(wěn)定階段。6局部陡峻邊坡(1)自?xún)x器安裝、水庫(kù)蓄水至汶川8.0級(jí)地震前,堆積體各測(cè)斜孔累計(jì)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(wú)明顯規(guī)律,各測(cè)孔均未出現(xiàn)明顯滑移面,地表未發(fā)現(xiàn)變形開(kāi)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(jí)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(kāi)挖而形成了局部陡峻邊坡,該崩塌后期有可能繼續(xù)擴(kuò)大,但尚不至于影響堆積體的整體穩(wěn)定性。(3)地震后,各測(cè)孔均形成明顯錯(cuò)動(dòng)面,IN–1,IN–2,IN–4以及IN–7孔錯(cuò)動(dòng)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(cuò)動(dòng)面產(chǎn)生于覆蓋層內(nèi),位移增量最大值為32mm。錯(cuò)動(dòng)面以上坡體的變形量隨高程的增加而增加。(4)汶川8.0級(jí)地震后,各測(cè)孔位移均發(fā)生了較大突變,各測(cè)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(dá)