吉音水利樞紐工程TH2滑坡體穩(wěn)定性研究

員繼軍

摘 要：滑坡災(zāi)害是各種災(zāi)害中發(fā)生最頻繁、分布最廣、危害性和損失最大的地質(zhì)災(zāi)害類型，與地震和火山并列為全球性三大自然災(zāi)害。因此，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者就所從事的其中的一個(gè)水電站工程中的一個(gè)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，總結(jié)出一些注意事項(xiàng)及經(jīng)驗(yàn)，與同行探討。

關(guān)鍵詞：滑坡體 極限平衡法 強(qiáng)度折減法

中圖分類號(hào)：TV2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-0-04

1 針對(duì)滑坡現(xiàn)狀和滑坡的具體情況確定主要研究?jī)?nèi)容

（1）滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境。通過近四年的勘察，收集和整理已有資料，研究滑坡區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、氣象特征和人類工程活動(dòng)等情況。

（2）滑坡的特征。利用各類地質(zhì)資料，如鉆孔、平硐、探槽、地質(zhì)圖、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪、室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)等，研究滑坡形態(tài)特征（規(guī)模和典型微地貌特征）、滑體物質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征、滑動(dòng)面發(fā)育特征。

（3）滑坡的影響因素和形成機(jī)理。通過分析滑坡的形成條件（地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌）和影響因素（降雨、地震和人類活動(dòng)），結(jié)合滑坡區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境和滑坡特征，探討滑坡的形成機(jī)理。

（4）滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。采用工程地質(zhì)分析法、極限平衡法（簡(jiǎn)化Bish0p法，傳遞系數(shù)法）和數(shù)值分析法，定性與定量相結(jié)合評(píng)價(jià)該滑坡蓄水前后的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 研究思路

從滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境入手，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)繪、地球物理勘探和室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)該滑坡的特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析該滑坡的形成條件和影響因素，并探討滑坡的形成機(jī)理。采用工程地質(zhì)分析法、極限平衡法和數(shù)值分析法，評(píng)價(jià)該滑坡蓄水前后穩(wěn)定狀態(tài)，最后提出結(jié)論及建議。

3 滑坡體結(jié)構(gòu)特征

TH2滑坡體位于壩軸線右岸上游230 m 處，分布高程2440～2590 m，前緣順河長200 m。TH2滑坡體呈鼻狀，地貌上為一凸出的小山梁，上游為Ⅲ級(jí)階地，下游為垂直河流走向的沖溝切割形成的小山梁。滑坡體所在岸坡高300余m，自然坡度30～38 °，地表大部分為風(fēng)積粉土覆蓋，結(jié)構(gòu)疏松，其厚度5～20 m，下伏基巖為中元古界斜長角閃片巖，屬中硬巖，片理不明顯。在右岸邊普遍殘留有Ⅲ級(jí)階地，但在滑坡體段階地不明顯。

該滑坡體在外部并無明顯的滑坡特征。在滑坡體范圍內(nèi)及上、下游邊側(cè)分布有PD9、PD9-2、PD14、PD23、PD24、PD25、PD26、PD27等9條平硐，在滑坡體上及周圍另布置有ZK27～ZK40等14個(gè)鉆孔。其中PD9-2、PD14、PD23三條平硐位于滑坡體下游側(cè)小沖內(nèi)，PD24位于滑坡體上游側(cè)，PD9、PD25、PD26、PD27等平硐位于滑坡體內(nèi)。據(jù)下游側(cè)平硐揭露，硐內(nèi)巖體較完整，控制了滑坡體下游側(cè)邊界；上游平硐PD24硐內(nèi)巖體斷層較發(fā)育，但無明顯的卸荷及滑坡跡象，控制了滑坡體的上游邊界。

4 定性分析

從TH2所處岸坡與斷層產(chǎn)狀的赤平投影圖可以看出，斷層傾角與岸坡傾角夾角較小，不利于穩(wěn)定。

在2010年8月，TH2滑坡體在連續(xù)降雨的情況下其前緣表部發(fā)生了滑塌?？梢娫诮涤昵闆r下滑坡體局部已產(chǎn)生滑塌，若在蓄水后滑坡體完全浸于水中時(shí)，在降雨、地震偶然工況下滑坡體將沿原來的滑動(dòng)面產(chǎn)生新的剪裂面，可能造成大規(guī)模的滑坡。

5 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

5.1 強(qiáng)度折減法原理

1975年，Zienkiewicz等首次提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)概念，其所確定的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)與Bishop所給出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上是一致的。強(qiáng)度折減法的基本原理是將材料的強(qiáng)度參數(shù)C，φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)RF（Reduction factor），得到一組新的C、φ值，然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算，通過不斷地增加折減系數(shù)RF，反復(fù)分析研究對(duì)象，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。

5.2 數(shù)值分析

根據(jù)鉆孔、平硐等勘察資料，TH2滑坡的滑體主要是由風(fēng)積粉土和中元古界片巖組成，滑動(dòng)面按理想近似呈圓弧形，在滑坡體上選取了一條典型剖面，見下圖2。

選取TH2滑坡′剖面進(jìn)行彈塑性有限元分析，揭示滑坡在各種工況下的變形破壞機(jī)理，并利用參數(shù)折減法分析各種工況條件下的穩(wěn)定性。

（1）計(jì)算模型

根據(jù)滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，將模型材料劃分為以下物質(zhì)單元組：①滑體，主要由碎塊石及裂隙巖體組成；②滑帶，由黃土（滑坡后緣附近）、碎塊石及裂隙巖體（滑坡前緣附近）組成；③滑床，為裂隙巖體。

模型沿主滑方向（X軸方向）長度為320 m，模型最大高度（Y軸方向）為223 m。計(jì)算問題視為平面應(yīng)變問題；左右側(cè)邊界為橫向約束邊界，底側(cè)為固定約束邊界。模型采用6節(jié)點(diǎn)三角形單元，對(duì)各個(gè)巖性單元組進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)剖分，所得單元數(shù)為853個(gè)。

（2）計(jì)算參數(shù)的選取

本計(jì)算模型中，滑體、滑帶及滑床均按理想彈塑性體考慮，巖土體的屈服準(zhǔn)則服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

計(jì)算采用的巖土體強(qiáng)度參數(shù)與剛體極限平衡法相同。

（3）計(jì)算工況

根據(jù)TH2滑坡的運(yùn)行狀況，考慮以下三種計(jì)算工況：

工況1：天然工況，計(jì)算荷載為自重；

工況2：正常設(shè)計(jì)工況，荷載組合為自重+飽和狀態(tài)；

工況3：偶然設(shè)計(jì)工況，荷載組合為自重+飽和狀態(tài)+Ⅷ度地震。

（4）計(jì)算結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

①天然工況

（一）初始應(yīng)力場(chǎng)模擬

在自重作用下，滑坡的應(yīng)力分布如圖3和4所示。從圖中可以看出：在自重作用下，平均主應(yīng)力的應(yīng)力值隨埋深增加而增加，符合邊坡自重應(yīng)力場(chǎng)分布的一般規(guī)律；滑坡底滑面位置應(yīng)力水平較高，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（二）失穩(wěn)機(jī)制

通過對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算滑坡位移，當(dāng)強(qiáng)度折減至有限元計(jì)算不收斂時(shí)，滑坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)可認(rèn)為折減系數(shù)即為滑坡安全系數(shù)，滑坡在不收斂時(shí)的位移即反映了滑坡的失穩(wěn)機(jī)制。

（一）應(yīng)力場(chǎng)分布特征。隨著庫水位的抬升，坡體的應(yīng)力場(chǎng)有所改變。蓄水工況下滑坡的應(yīng)力分布如圖6所示。從圖中可以看出：應(yīng)力呈隨地表深度增加而應(yīng)力值增加的一般規(guī)律未變；與蓄水前相比較，蓄水后有效平均主應(yīng)力有所降低。

（二）位移特征。庫下水位抬升引起的位移見圖7。從圖中可以看出：庫水位抬升對(duì)滑坡體產(chǎn)生浮托作用，滑體總體產(chǎn)生向上的位移；最大位移量出現(xiàn)在滑體中部。

（三）失穩(wěn)機(jī)制。正常蓄水工況條件下，典型剖面破壞時(shí)的位移見圖8，剪應(yīng)變?cè)茍D見圖9。從圖中可以看出，其失穩(wěn)機(jī)制與天然工況類似：滑坡破壞時(shí)主要沿原底滑面產(chǎn)生剪切位移；失穩(wěn)時(shí)前緣坡趾處位移最大。強(qiáng)度參數(shù)折減 系數(shù)SRF=0.82，遠(yuǎn)小于天然工況條件下的滑坡穩(wěn)定系數(shù)，表明飽和狀態(tài)下對(duì)滑坡穩(wěn)定不利。

③地震工況（偶然設(shè)計(jì)工況）

（一）應(yīng)力場(chǎng)分布特征

地震工況下典型剖面應(yīng)力分布如圖10所示。從圖中可以看出：在地震力的作用下，應(yīng)力的大小和分布與天然、正常工況相比有所變化；總體上應(yīng)力仍符合距地表深度增加而應(yīng)力值增加的一般

規(guī)律。

（二）位移特征

5.3 計(jì)算結(jié)果

強(qiáng)度折減法數(shù)值分析得出，滑坡主剖面天然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.36，經(jīng)過對(duì)剪切應(yīng)變圖及速度矢量圖分析，可以明顯看到塑性貫通區(qū)域且滑動(dòng)面外側(cè)區(qū)域各網(wǎng)格點(diǎn)的速度明顯大于其他區(qū)域，說明該滑坡穩(wěn)定性較差?；麦w在自然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；飽和狀態(tài)下及地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。