澜沧江古水水电站坝前复杂松散堆积体的基本地质特征及稳定性评价

2022-09-11

古水水电站坝址位于云南省德钦县北西方向佛山乡溜筒江行政村澜沧江上游河段上, 是云南省境内澜沧江上游水电规划梯级开发的第一级, 属龙头水库, 上游与位于西藏昌都地区芒康县盐井乡境内的古学梯级水电站衔接, 下游接果念梯级水电站。电站正常蓄水位高程2340m, 采用心墙堆石坝或混凝土重力坝挡水, 最大坝高约300m, 壅水高263m, 相应总库容39.12×108m3, 水库调节性能可达年调节能力, 装机容量2600MW[1]。在古水坝址左岸地段发育和分布规模巨大、成因复杂的第四系松散堆积体, 它是典型的内外动力耦合作用的产物。由于其结构松散、力学强度低和稳定性差的特性, 在强降雨、地震和人类活动 (如人为开挖等) 等因素作用下, 容易促使失稳产生斜坡灾害, 造成区域环境破坏和巨大的经济损失, 对拟建的古水枢纽工程也会带来极大的威胁。

1 堆积体的地质背景

1.1 地形地貌条件

松散堆积体位于澜沧江古水坝址上段河谷左岸, 坝段河道弯曲, 总体形成近平卧的“S”形, 右岸陡左岸稍缓, 河道地形相对开阔, 呈不对称的“V”字型河谷, 属斜向谷或顺向谷, 右岸地形坡度一般40°～50°, 左岸高程2140m～2190m及2240m～2280m一带均出现地形相对平缓的台地, 地形坡度一般10°～30°, 两岸阶地不太发育, 属典型的高山峡谷重力侵蚀地貌。

1.2 地质构造及地层

区内自古生代以来, 经历了多期运动改造, 形成了较为复杂, 性质各异的褶皱和断裂。尤其是始新世以来, 由于印度板块与欧亚板块强烈碰撞作用, 造成本区西邻的新特提斯洋全面闭合消亡, 对区内产生了强烈的影响, 使古老的山脉重新受到改造。印度板块向欧亚板块强烈挤入, 各断裂带所分割的地块间发生了大规模叠置和错动、滑移, 形成了区内大规模的逆冲～推覆和平移剪切或走滑作用。东侧扬子板块与西部印度板块紧密靠拢, 对本区造成了强烈的挤压作用, 形成了不同块体构造单元的紧缩、滑移, 造成了一些地块构造单元的不连续或缺失, 最终形成现在的深切河谷、高山相间排列的地形地貌。古水水电站处于青藏高原东南横断山脉高山峡谷区, 大地构造上处于以下四个一级构造单元的接合部:西部属冈底斯—念青唐古拉地槽褶皱系 (Ⅳ) , 东部属唐古拉—昌都—兰坪—思茅地槽褶皱系 (Ⅲ) 、松潘—甘孜地槽褶皱系 (Ⅱ) 和扬子准地台 (Ⅰ) 。

堆积体下伏地层主要为:二叠系下统吉东龙组第三段 (P1j3) 灰绿、绿灰色玄武岩, 二叠系下统吉东龙组第四段 (P1j4) 细～粗粒铁质胶结含砾 (或砾质) 变质岩屑石英砂岩、粗砂岩、铁泥质长石粉砂岩与含粉砂 (铁泥质) 泥岩互层, 二叠系下统吉东龙组第五段 (P1j5) 浅灰色—灰色微晶灰岩, 底部夹褐色薄层状变质石英砂岩或铁泥质长石粉砂岩, 二叠系下统吉东龙组第六段 (P1j6) 钙泥质、粉砂质板岩与变质长石石英细砂岩互层, 以及三叠系上统红坡组 (T3hn) 钙质粉砂质、泥质板岩、变质砂岩互层, 局部夹中～厚层状碎裂岩化粉晶灰岩。

1.3 气象、水文地质条件

工程区为受季风影响的大陆性高原气候, 干湿季节分明, 气温垂直变化显著。地下水类型按埋藏条件及含水空间性质, 主要为基岩裂隙潜水、第四系松散层中的孔隙水。基岩裂隙潜水在基岩裂隙中作网格状流动, 最终排向澜沧江。

2 堆积体的基本特征

2.1 形态及结构特征

堆积体分布高程2150m～2500m, 地形坡度一般30°～40°, 地形较完整, 地表植被稀少, 高程2150m及2300m发育两个平缓台地, 高程2150m—河边基岩裸露。ZK41深4 1.3 3 m～4 9.0 1 m、P D 3 3深4 6 m～6 6 m及PD47底部及硐口一带均揭露有属于冲积层的卵砾石及砂, 表明该部位在高程2150m及2300m发育河流阶地, 冰水堆积体座于阶地之上。其中PD33揭露堆积体底部冲积层与基岩的接触面呈台阶状, 未见滑移痕迹。堆积体物质组成由表及里具以下特点 (见图1) :表部有厚10m的崩、坡积层, 其次为厚20m～40m的冰水堆积层, 在底部见有<5m的冲积层, 在堆积体下部的岩体出现强烈的倾倒现象, 最大水平深度超过100m。堆积体物质成分主要为含孤石的块石、碎石质粘土, 冰水沉积层中夹有多层碎石、块石层, 具明显的韵律结构, 韵律层顺坡倾斜, 受地形控制倾角一般为30°左右, 结构松散。堆积体最厚达50m以上, 初步估算堆积体方量约为700×104m3。

2.2 变形特征

据野外实地踏勘查证, 复杂松散堆积体后缘和表面未见明显拉张裂缝, 中下部坡体未见鼓张变形, 只是在冲沟边缘可见局部滑动和崩塌迹象;堆积体前缘沿214国道一线, 由于公路开挖, 导致边坡崩滑;特别是在雨季, 公路常因崩塌、滑坡而受阻, 值得说明的是这类局部崩滑均因人类工程活动造成。堆积体结构松散, 内块石架空, 坡陡临空条件好, 水文地质条件相对复杂, 在大暴雨、强震等外界因素作用下, 曾引起堆积体下滑摧毁214国道, 阻塞澜沧江过水断面。

3 形成机制分析

3.1 松散堆积体的成因类型

堆积体是在复杂而特殊的气候、地质和地貌条件下形成的。据钻孔、平硐资料和详细的野外调查揭露, 其主要表象如下: (1) 在堆积体同基岩之间不存在类似滑坡的、连续的主滑带; (2) 自下而上由卵砾石—碎石—细粒土夹碎石的堆积层序, 表层岩土体非常破碎, 风化强烈, 呈碎屑流运动形式, 为风化崩坡积堆积体; (3) 下部冲积层与基岩的接触面呈台阶状, 未见滑移痕迹, 受倾倒的影响, 岩体破碎。因此, 对于这种复杂多解的特性, 本文认为松散堆积体不是单纯的滑移型, 也不是纯粹的重力崩塌或崩坡积形成的堆积体, 而是一种由河流冲积物、冰川堆积物 (或冰水沉积物) 和崩坡积堆积物混杂的复合地质体。

3.2 复杂松散堆积体成因机制分析

内动力地质作用驱动地壳运动, 并导致地球岩层的变形;外动力作用的基本规律是夷平作用, 是内能的释放;从地质灾害角度看, 外动力作用是促使山体解体和剥蚀, 造成岩土的运移并在低洼地区堆积[2]。内动力作用会影响外动力作用的变化, 新构造运动的间歇性抬升使河流侵蚀和冲刷作用交替增强, 在以侵蚀作用为主体的下切过程中促使岩体回弹变形, 同时增强了斜坡卸荷风化作用。古水水电站坝址属于深切的高山峡谷区, 相对高差达3000余米, 两岸山坡陡峻, 岩体卸荷、倾倒作用强烈, 岸坡部位的岩体向临空产生变形, 卸荷作用使岸坡浅表部位岩体中的陡倾角节理向临空面拉裂张开和产生顺坡倾斜的中缓倾角剪切裂隙。在由陡倾角的层状岩体, 尤其是薄层状岩体构成的斜向谷及纵向谷地区, 河谷两岸岸坡的岩层由于重力的作用, 向河床 (临空) 方向产生相向倾倒变形, 导致河谷两岸岩层均倾向山里, 在空间上形成假“背斜构造”现象, 但到一定深度后, 这种现象逐渐消失, 岩层产状又恢复为正常, 这种现象即为倾倒变形。整个坝段范围内大多数地区属于纵向谷, 且出露有板岩等薄层状岩层, 岩体倾倒变形现象较为普遍。

堆积体的形成机制属于内外动力耦合作用模式。一方面, 研究区位于青藏高原与横断山脉之间的斜坡过渡地带, 内动力作用十分强烈, 当内动力作用在深部是挤压作用时, 造成构造抬升, 地表山体中出现侧向拉张应变, 促进地壳初始高压应力的释放, 岩体结构松弛;此外, 地壳运动会促使断裂 (如梅里石—茨姑断裂) 错动加剧, 造成断裂带附近的岩体破碎, 在这种情况下自然有利于山体的解体和崩塌、滑坡和崩坡积的频繁发生。另一方面, 地壳强烈隆升, 江水的下切侵蚀作用加强, 山体上升和峡谷下切的同步耦合作用加大了地形高差, 在斜坡前缘形成高陡的临空面, 同时不断地改变斜坡和山体表层应力状态, 斜坡岩体剥蚀而产生回弹变形和卸荷松动;岩体中原有构造裂隙逐渐变宽加深, 在强降雨时骤然而下的大暴雨急剧渗入拉张裂隙中, 使岩体中的含水量迅速上升, 在坡体内产生较大的静水压力和动水压力, 使坡体受到向临空方向的侧向推力;并且地下水可使岩体中可溶盐类发生溶解、水解作用及地下水的冻溶作用, 岩体的原有结构和力学强度不断降低, 斜坡上部岩体更加松动破碎, 岩体稳定性下降。在卸荷回弹变形与长期风化作用下, 当卸荷松动岩体中的软弱结构面贯通后, 若斜坡岩体中累积的剪应力达到软弱结构面上的抗剪强度极限时, 在暴雨或地震等因素的触发下即发生向临空方向 (澜沧江) 的快速位移而形成崩塌、滑移。

纵上所述, 作为斜坡演化的产物, 松散堆积体反映了该地区内动力地质作用的发展演化和外动力的表生改造作用, 其形成过程是十分复杂的, 单一因素 (内动力或外动力) 的分析不能全面反映它们的形成机制和演化过程, 本文认为以古水水电站坝前复杂松散堆积体为代表的土石混杂堆积体是典型的内外动力耦合作用相互交替或并行作用的产物。

4 稳定性评价

据野外地质调查及钻探、硐探结果分析表明, 松散堆积体后缘及坡体表面目前未见明显的拉张裂缝, 中下部坡体未见鼓张变形, 仅沿214国道见小面积滑塌。就现状而言, 松散堆积体处于自然稳定状态, 但就堆积体本身物质组成和结构特性来看, 属于卵砾石、碎 (块) 石和土混杂堆积, 结构松散, 物质之间胶结程度很低, 透水性强, 性质非常脆弱, 水库蓄水后, 堆积体的水文地质条件及力学性质将发生改变。虽然堆积体很难成为一个整体, 更难产生整体式变形破坏, 但局部的滑塌也会牵引到整体的稳定。因此, 局部失稳破坏应是该复杂松散堆积体稳定性研究的关键。不过, 由于复杂松散堆积体分布高程低, 重心较低, 前缘部分底界面平缓, 尚不致于发生整体快速的滑移失稳。