金沙江某水電站庫(kù)區(qū)滑坡力學(xué)參數(shù)取值及穩(wěn)定性分析

余先華，聶德新，唐良琴

（1.重慶市沙坪壩區(qū)國(guó)土資源管理分局，重慶400038；2.成都理工大學(xué)，成都610059；3.重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 前言

庫(kù)岸是庫(kù)區(qū)的重要地質(zhì)環(huán)境，而庫(kù)岸岸坡失穩(wěn)常常是庫(kù)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害之一。庫(kù)岸岸坡失穩(wěn)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，尤其是庫(kù)區(qū)岸坡的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，庫(kù)水動(dòng)力作用強(qiáng)烈，水庫(kù)岸坡失穩(wěn)是影響水庫(kù)工程安全的重大地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。庫(kù)岸滑坡可能會(huì)在水庫(kù)蓄水后的穩(wěn)定性以及由于產(chǎn)生新的變形、破壞的程度如何，是否會(huì)危及滑坡上村莊的安全，滑坡下滑是否會(huì)產(chǎn)生較大的涌浪危及鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，開(kāi)展庫(kù)區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)至關(guān)重要，為水庫(kù)蓄水提供必要的防治依據(jù)。

2 滑坡基本特征

金沙江某水電站庫(kù)區(qū)滑坡位于金沙江右岸，距離某水電站壩址約20 k m處。該區(qū)域內(nèi)有程海大斷裂通過(guò)，且滑坡的控制面主要受斷裂影響，坡度30°，有多條沖溝切割，物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查滑坡在天然狀態(tài)基本穩(wěn)定，蓄水后可能解體，局部失穩(wěn)?；麦w前緣最低高程為1 170 m，后緣最高高程為1 750 m，高程差為650 m，坡度約為30°，其全貌圖見(jiàn)圖1。該滑坡由三個(gè)區(qū)即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)組成的滑坡群。滑體與后緣基巖分界線(xiàn)明顯，具有典型滑坡特征，即后緣呈圈椅型地貌。

圖1 庫(kù)區(qū)滑坡全景圖Fig.1 Panoramic view

圖2 Ⅰ區(qū)滑坡剖面形態(tài)Fig.2 Section of LandslideⅠ

本文以Ⅰ區(qū)滑坡（剖面圖見(jiàn)圖2）為研究對(duì)象，根據(jù)滑坡周邊地形地貌、后緣殘留滑面、滑坡前部臺(tái)階的特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到的滑坡后緣坡度36°，按照最大剪應(yīng)力面的趨勢(shì)，可以得到該滑坡的前部厚度120～140 m，中部厚度50～80 m，后部厚度10～30 m，前緣高程1 170 m，后緣高程1 500 m，高差達(dá)300余m，體積約2 900×104m3。

庫(kù)區(qū)褶皺、斷裂均較發(fā)育，主要構(gòu)造線(xiàn)走向?yàn)镹N W向和NNE向。褶皺核部巖層陡傾，擠壓緊密，伴有巖漿侵入或斷層發(fā)育，向兩翼逐漸舒緩，并發(fā)育次級(jí)小褶曲，兩翼巖層產(chǎn)狀變化較大。

3 滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)取值分析

3.1 前緣剪出口地段滑帶土的基本物理指標(biāo)

本次工作在滑坡前緣剪出口開(kāi)挖探槽揭露出滑帶（圖3）。在前緣剪出口地帶開(kāi)挖多個(gè)探槽，選擇多處有代表性的滑帶土，在多個(gè)點(diǎn)上采集原狀樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定物理指標(biāo)，滑帶土的密度多在22 k N／m3左右，含水量10%左右，滑帶土的飽和度大多在70%～80%（表1），具有較好的代表性，可以作為評(píng)價(jià)力學(xué)參數(shù)的依據(jù)之一。

圖3 庫(kù)區(qū)某滑坡前緣剪出口Fig.3 Shear at the front of a landslide

表1 庫(kù)區(qū)某滑坡滑帶土物理指標(biāo)Table 1 Physical indicators of soil at a landslide

3.2 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)取值分析

在實(shí)際情況中，從鉆孔或者平洞中所取得的滑帶土由于已經(jīng)離開(kāi)了其賦存環(huán)境，再加上水分的蒸發(fā)和外界環(huán)境的擾動(dòng)，這樣在室內(nèi)所做試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)已經(jīng)不能代表真實(shí)環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度。以往的滑帶土參數(shù)取值通常是根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)所取得的滑帶土帶回室內(nèi)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，然后將根據(jù)剪切試驗(yàn)得到的c、φ值作為滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但是這樣所得到的滑帶土參數(shù)有著很大的局限性，因?yàn)椴煌嫔系腸、φ值是不盡相同的，并且由于滑帶土在現(xiàn)場(chǎng)情況下和在實(shí)驗(yàn)室里所處的外部環(huán)境是不相同的，這樣所得到的c、φ值是不具有普遍代表性的。因此，本次利用成都理工大學(xué)聶德新教授完成的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中的方法對(duì)滑帶土進(jìn)行取值分析：首先在室內(nèi)進(jìn)行滑帶土的壓縮試驗(yàn)，獲得孔隙比e與正應(yīng)力p之間的關(guān)系；然后利用有限元技術(shù)計(jì)算滑帶土不同部位的正應(yīng)力，以得到其孔隙比；再利用孔隙比e和含水量w之間的關(guān)系得到滑帶土不同部位的含水量；最后利用含水量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系得到c、φ值。

（1）滑帶土的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)

在室內(nèi)將現(xiàn)場(chǎng)取回的滑帶土配制成接近液限的試樣，放入高壓固結(jié)儀中，分別以25 k Pa、50 k Pa一直到1 600 k Pa進(jìn)行加壓，得到的e－p關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 滑帶土e－p關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.4 e－p curve of slip band soil

（2）利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)獲得含水量與c、φ值的關(guān)系

從表1可知，滑帶土塑液限，分別為13.5%和28.6%，因此做剪切試驗(yàn)時(shí)，滑帶土的含水量從10.4%一直做到19.3%，一共做了6組試驗(yàn)。根據(jù)上面的試驗(yàn)結(jié)果可以得出含水量與摩擦系數(shù)（f）、內(nèi)聚力（c）之間的相關(guān)曲線(xiàn)（圖5，圖6）。

圖5 滑坡滑帶土摩擦系數(shù)（f）與含水量（w）之間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relation curve between friction coefficient and water conten

圖6 滑坡滑帶土內(nèi)聚力（c）與含水量（w）關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curve between cohesion and water content

3.3 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)綜合取值

利用含水量與摩擦系數(shù)（f）、內(nèi)聚力（c）之間的相關(guān)，可以得到滑帶土在飽和度為75%的情況下不同位置的強(qiáng)度參數(shù)?？紤]安全因素，取平均值再折減，綜合取值得到滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（表2）。

表2 滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值Table 2 Shear strength parameters for slip band soil

4 滑坡穩(wěn)定性分析及涌浪計(jì)算

4.1 滑坡穩(wěn)定性分析

關(guān)于滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的方法很多，如薩爾碼法、傳遞系數(shù)法、畢肖普法和極限平衡法等，這些方法在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)各有長(zhǎng)短。結(jié)合該滑坡實(shí)際地層巖性、剖面形態(tài)等多方面因素，本文選取了應(yīng)用廣泛的傳遞系數(shù)法作為計(jì)算其穩(wěn)定性的方法，對(duì)坡體潛在滑動(dòng)面在不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)滑坡體變形影響因素、滑坡周邊地理環(huán)境以及滑坡所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件，考慮了各種合理的組合方式對(duì)滑坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，在考慮天然、地震、蓄水及蓄水加地震4種工況條件下，分別對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。由于本地區(qū)地震烈度為Ⅶ度，取其地震加速度為0.16 g。水庫(kù)庫(kù)水位按1 223 m考慮，水庫(kù)蓄水后滑坡體中地下水位暫按與庫(kù)水位持平的高度1 223 m考慮。

表3 各種工況條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Table 3 Landslide stability coefficients under various working conditions

從表3計(jì)算結(jié)果可知，在目前天然狀態(tài)下該滑坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為K＝1.55，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是在暴雨季節(jié)或地震等影響下，滑坡前緣會(huì)有小范圍的垮塌，滑坡前緣有局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。當(dāng)水庫(kù)蓄水至1 223 m后，在地震的作用下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)分別降低為0.87，滑坡將出現(xiàn)變形破壞，應(yīng)該引起重視。

4.2 滑速涌浪計(jì)算

（1）從前面的調(diào)查滑坡資料及穩(wěn)定性計(jì)算成果，滑坡的滑速涌浪計(jì)算的滑面形態(tài)應(yīng)按圓弧法考慮，圓弧位置是通過(guò)最危險(xiǎn)滑面搜索得到的（表4）。

（2）由于滑坡規(guī)模較大，且滑體物質(zhì)主要為碎塊石土，從野外調(diào)查結(jié)果，滑坡一次性整體下滑失穩(wěn)的可能性不大，其主要破壞模式應(yīng)為前部碎塊的局部塌滑。因此，計(jì)算過(guò)程中，滑體寬度（沿河流方向長(zhǎng)度）僅取整個(gè)寬度的一部分，計(jì)算取值前緣寬度為210 m，該值是根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果得來(lái)的。

（3）滑面參數(shù)取值如下：c值取0.05 MPa，f值水上部分取0.52（相當(dāng)于27.5°），水下部分取0.4（相當(dāng)于21.8°），天然狀態(tài)容重為22 k N／m3，飽和容重為23 k N／m3。

（4）計(jì)算條分如圖7所示。

（5）計(jì)算獲得的滑速、歷程曲線(xiàn)見(jiàn)圖8、圖9，從圖中可以看出滑速在2.5～6.5 m／s之間，滑動(dòng)的軌跡見(jiàn)圖10。

圖7 計(jì)算條分圖Fig.7 Line drawing for calculation

圖8 潘家錚法滑速、滑距ig.8 Sliding speed and movement by Panjiazhen Approach

表4 滑速涌浪計(jì)算結(jié)果（按正常蓄水位1 223 m計(jì)算）Table 4 Calculations of sliding speeds and upsurge heights

5 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)地調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)取到滑帶土，室內(nèi)測(cè)定了滑帶土的物理指標(biāo)。借助土的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系，室內(nèi)采用擬合試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，建立起滑帶土物理指標(biāo)與環(huán)境條件（應(yīng)力）、強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系。

圖9 能量法滑速、滑距Fig.9 Sliding speed and movement by Energy Approach

圖10 滑動(dòng)軌跡Fig.10 Sliding track

（2）本文采用傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡在4種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，該滑坡的目前穩(wěn)定性為1.55，水庫(kù)蓄水后，在地震的作用下，滑坡的穩(wěn)定性為0.87。計(jì)算結(jié)果表明：在持續(xù)蓄水位和地震工況下，該滑坡局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡可能性很大，分析結(jié)果與實(shí)際相吻合。

（3）本文采用潘家錚法、能量法進(jìn)行涌浪計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：水庫(kù)蓄水后會(huì)發(fā)生破壞，且估計(jì)最大涌浪高度為4.0 m，應(yīng)注意防治。

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