庫水位升降作用下某水電站庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性研究

李青春，余曉華

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.水電工程質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100120）

庫水位升降作用下某水電站庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性研究

李青春1，余曉華2

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.水電工程質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100120）

庫區(qū)堆積體邊坡的變形破壞及穩(wěn)定性問題已成為制約水電開發(fā)的主要工程地質(zhì)問題之一。本文基于黑水河某水電站庫區(qū)一滑坡體，在查明滑坡體基本地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過二維邊坡穩(wěn)定計(jì)算和滲流分析，對(duì)庫水位升降作用下滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，庫水位升降影響滑坡體A區(qū)穩(wěn)定性較為明顯。在水位上升過程中穩(wěn)定性有先增加后減小再上升的趨勢(shì)，而在水位下降過程中穩(wěn)定性有先減小后增加的趨勢(shì)。

水位升降；滑坡體；穩(wěn)定性研究

0 前 言

西南地區(qū)是我國水能資源的主要聚集區(qū)，是我國水電開發(fā)的重要“基地”，一系列大型乃至巨型水電站相繼開工建設(shè)。這些地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境脆弱，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，內(nèi)外動(dòng)力作用強(qiáng)烈，分布有大量的堆積體邊坡。這些庫區(qū)堆積體邊坡的變形破壞及穩(wěn)定性問題已成為制約水電開發(fā)的主要工程地質(zhì)問題之一，也逐漸成為研究的熱點(diǎn)問題。而水位變化是引起庫岸邊坡變形失穩(wěn)的關(guān)鍵因素之一，在三峽等水電站庫區(qū)已出現(xiàn)多起水位升降引起的庫岸邊坡變形失穩(wěn)案例，聶德新［1］、唐輝明［2］、廖紅建［3］等學(xué)者對(duì)庫水位升降下的庫岸邊坡穩(wěn)定問題進(jìn)行一定的研究。本文基于黑水河某水電站庫區(qū)一大型滑坡，在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)及工程反算獲取滑坡體物理力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用巖土工程分析軟件geostudio，對(duì)庫水位升降作用下滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 滑坡體工程地質(zhì)概況

滑坡體距離壩址約3 km，為一形態(tài)不規(guī)則的滑坡體，上游以沖溝為界，沖溝切割最深約20 m，長約850 m，從滑坡后緣貫通到前緣剪出口形成一個(gè)完整邊界。下游邊界以西爾瓜子溝和黑水河相匯的山脊之間的沖溝為界，切割深度達(dá)2～5 m。滑坡體形態(tài)上表現(xiàn)為前緣和中部稍寬，后緣則逐步收斂，在平面呈圈椅狀，滑坡分布高程2 050～2 644 m，前緣達(dá)黑水河邊，中部高程2 320～2 500 m，后緣2 602～ 2 644 m，滑坡整體上地形起伏微小，坡度36°～42°，滑坡體厚度35～65m，體積約1 341萬m3（見圖1）。在電站庫水位升降過程中，滑坡體前緣出現(xiàn)復(fù)活跡象。新復(fù)活滑坡的后緣錯(cuò)臺(tái)分布在2 320～2 340 m高程，前緣剪出口目前不可見，應(yīng)位于庫水位以下，總體方量約450萬m3。

根據(jù)鉆孔結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡體及周圍區(qū)域內(nèi)出露的地層第四系及三疊系基巖，各地層主要特征為：

（1）風(fēng)積土（Q4eol），分布于滑坡的高高程地帶，物質(zhì)組成以細(xì)粘粒為主，由巖石風(fēng)化碎屑物質(zhì)經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)作用至此地降落，堆積所形成，厚約1.5～20 m；

（2）滑坡堆積碎石土（Q4del）：是滑坡體主要物質(zhì)組成，厚度30～62 m，碎石粒徑2～10 cm，，成分以變質(zhì)石英砂巖和炭質(zhì)千枚巖為主，間夾白色石英礦物，土石比約4∶6；

（3）滑帶土（Q4del）：分布于鉆孔基覆界線附近，以碎塊石夾巖屑、碎石土，角礫土夾強(qiáng)風(fēng)化泥化碳質(zhì)千枚巖為主，平均厚度約1～3 m，碎塊石有一定磨圓度，角粒直徑多以0.5～1 cm為主，泥化千枚巖層面具有擠壓鏡面和擦痕跡象；

（4）雜谷腦組變質(zhì)石英砂巖（T2z）：以中厚層狀變質(zhì)細(xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖為主，巖層較完整，巖層傾角較陡，產(chǎn)狀148°～155°∠45°～62°。

2 滑坡分區(qū)及變形破壞特征

該水電站正常蓄水位2 133 m，死水位2 063 m，水位消落70 m，為年調(diào)節(jié)水庫，蓄水后，滑坡體前緣出現(xiàn)了較大的變形。通過對(duì)滑坡勘探成果以及現(xiàn)場(chǎng)變形情況的調(diào)查，在綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上把滑坡體分成了2個(gè)大區(qū)，即A區(qū)強(qiáng)變形區(qū)和B區(qū)弱變形區(qū)，A區(qū)后緣高程位于2 305～2 324 m，根據(jù)各大區(qū)的特征又分為多個(gè)亞區(qū)（見圖2），各區(qū)變形破壞特征如下：

圖1 滑坡體工程地質(zhì)平面示意

圖2 滑坡體分區(qū)

A1區(qū)：強(qiáng)變形松動(dòng)區(qū)，整體上處于蠕滑狀態(tài)，后部主要變形跡象在2 290 m高程處的錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)距2～5 m，前緣臨近庫岸位置，庫岸再造和多層次級(jí)解體現(xiàn)象明顯。

A2區(qū)：強(qiáng)變形拉裂區(qū)，整體上處于蠕滑狀態(tài)，其后緣錯(cuò)距達(dá)23～27 m，坡度約50°，在滑動(dòng)過程中主要以整體滑動(dòng)為主，僅在高程2 210 m處的反坡臺(tái)坎，存在新滑坡次級(jí)解體的現(xiàn)象。

A3區(qū)：強(qiáng)變形解體區(qū)，整體上變形跡象非常明顯，橫縱裂縫交織發(fā)育，區(qū)內(nèi)還存在多級(jí)的次級(jí)解體和變形錯(cuò)臺(tái)。

B區(qū)：B區(qū)變形而相對(duì)集中出現(xiàn)在B2區(qū)內(nèi)，以古滑坡體長期蠕滑累計(jì)變形而成的老裂縫為主，裂縫都是沿著斜坡體上陡緩交接的部位拉開，且裂縫向下貫通的深度較淺，反映裂縫由淺表層覆蓋物滑動(dòng)產(chǎn)生，表明B區(qū)還處于地表蠕變過程。

3 穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

勘探揭示，滑坡體是由一個(gè)大型古滑坡及在其上復(fù)活的新滑坡共同組成，在庫水位變動(dòng)過程中，新復(fù)活次級(jí)滑坡已經(jīng)歷一次完整的變形破壞過程，并達(dá)到目前狀況下的新平衡狀態(tài)，但滑坡體的蠕滑仍在繼續(xù)，在庫水位繼續(xù)上升后，整個(gè)新復(fù)活滑坡體仍存在失穩(wěn)的可能性，新復(fù)活體下滑后，失去支撐的上部古滑坡體就會(huì)有失穩(wěn)的可能。

在以上地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，為深入研究庫水作用下堆積體邊坡的變形破壞特征，采用GEO-Studio軟件對(duì)庫水位升降過程滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算參數(shù)選取

滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的取值根據(jù)室內(nèi)初步試驗(yàn)結(jié)果和基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)反演方法確定。參數(shù)反演以強(qiáng)變形解體區(qū)A3區(qū)典型斷面作為反演剖面，A3區(qū)在蓄水至2 103 m時(shí)產(chǎn)生劇烈蠕滑，結(jié)合邊坡變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)實(shí)際情況，本次反演取FS固定值0.95。在安全系數(shù)FS＝0.95條件下，通過公式分別計(jì)算當(dāng)φ在20°～28°時(shí)的粘聚力值，通過工程類比確定當(dāng)φ＝24°～25°時(shí)，反演出C＝52.5～65 kPa，通過線性優(yōu)化組合分析：當(dāng)φ＝24.7°，C＝58 kPa時(shí)，F(xiàn)S＝0.948 96，基本符合蓄水至2 103 m后新復(fù)活區(qū)活動(dòng)狀態(tài)，F(xiàn)S值基本在0.95～1.0的范圍內(nèi)。因此，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果結(jié)合參數(shù)反算，該滑坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 滑坡體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)綜合取值

3.2 計(jì)算模型建立

計(jì)算模型包括滑坡穩(wěn)定性計(jì)算及滲流分析模型建立?；路€(wěn)定性計(jì)算及滲流分析均采用剖面Ⅱ分析。根據(jù)不同材料分層建立計(jì)算模型。采用有限元方法計(jì)算不同工況下地下水浸潤線，考慮水位上升、水位下降等工況下對(duì)滑坡滲流場(chǎng)影響進(jìn)行模擬分析，相關(guān)計(jì)算模型見圖3。

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)庫水位升降運(yùn)行要求，取水位下降速率0.5 m／d和水位上升速率1 m／d進(jìn)行穩(wěn)定分析。考慮特殊情況庫水位升降幅度變化對(duì)滑坡影響，本次分別取2 m／d上升和2 m／d下降對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析，水位升降作用下的計(jì)算工況見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定分析計(jì)算工況匯總

3.4 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)勘探揭示及地質(zhì)分析，滑坡體在水位升降過程中，滑坡體產(chǎn)生整體下滑的可能性不大，以多級(jí)的解體式下滑為主，A區(qū)將率先出現(xiàn)變形失穩(wěn)，A區(qū)變形失穩(wěn)后，古滑坡前緣形成臨空面，影響后部B區(qū)穩(wěn)定，因此，穩(wěn)定性分析首先分析水位升降過程中A區(qū)穩(wěn)定性，進(jìn)而研究B區(qū)的穩(wěn)定性。

（1）水位上升A區(qū)穩(wěn)定性。通過搜索A區(qū)在以2 m／d和1 m／d上升時(shí)不同水位下的最小穩(wěn)定性系數(shù)，穩(wěn)定性系數(shù)與時(shí)間關(guān)系見圖4、5。

水位上升速率在2 m／d時(shí)，滑坡體穩(wěn)定性先隨庫水位上升而增高，隨后開始降低，而后繼續(xù)升高。水位至2 090 m高程左右，穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度不斷增大，新復(fù)活區(qū)局部出現(xiàn)變形破壞，水庫蓄水至2 100 m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)FS＝0.933，新復(fù)活區(qū)存在失穩(wěn)的可能，水位至2 118 m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)大于1.0；而以1 m／d上升時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)先增加后減小，蓄水至2 075 m后，穩(wěn)定性系數(shù)隨水位上升逐漸減小，最小穩(wěn)定性系數(shù)為FS＝1.029。

（2）水位下降過程中A區(qū)穩(wěn)定性。計(jì)算通過搜索A區(qū)在以0.5 m／d和2 m／d從2 133 m水位下降時(shí)不同時(shí)刻的最小穩(wěn)定性系數(shù)，穩(wěn)定性系數(shù)與時(shí)間關(guān)系見圖6、7。

圖4 水位上升（2 m／d）時(shí)間與穩(wěn)定關(guān)系

圖5 水位上升1 m／d時(shí)間與穩(wěn)定關(guān)系

圖6 水位下降（0.5 m／d）時(shí)間與穩(wěn)定關(guān)系

圖7 水位下降（2m／d）時(shí)間與穩(wěn)定關(guān)系

水位下降速率在0.5 m／d時(shí)，滑坡體穩(wěn)定性先隨庫水位下降而降低，至2 130 m水位后隨水位下降而升高，最小穩(wěn)定性系數(shù)1.018，處于極限平衡狀態(tài)；而以2 m／d下降時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)也先減小后增加，下降至2 110 m時(shí)，最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.997，可能產(chǎn)生變形破壞。

（3）B區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算。雖B區(qū)受水位升降影響較小，但A區(qū)在水位升降作用下穩(wěn)定性多處于失穩(wěn)～極限平衡，若出現(xiàn)失穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致B區(qū)局部形成較高的臨空面，從而降低B區(qū)的穩(wěn)定性。

因此分析A區(qū)失穩(wěn)后，B區(qū)穩(wěn)定性也十分重要。分析以Ⅲ-Ⅲ′剖面為典型剖面，首先計(jì)算B區(qū)整體穩(wěn)定性，整體穩(wěn)定性以古滑坡滑帶作為潛在滑移面，計(jì)算模型見圖8、表3，計(jì)算結(jié)果可知；A區(qū)失穩(wěn)后，古滑坡（B區(qū)）在天然、暴雨、地震工況下整體穩(wěn)定性較好。

高程2 410 m地表局部出現(xiàn)較大的變形，且存在拉張裂縫，B區(qū)局部穩(wěn)定性分析以2 410m裂縫為入口，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面，計(jì)算分析結(jié)果表明在暴雨?duì)顟B(tài)推測(cè)的次級(jí)解體穩(wěn)定系數(shù)FS＝0.894，次級(jí)解體處于失穩(wěn)，在地震工況下次級(jí)解體穩(wěn)定性FS＝0.989，在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)FS＝1.074，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，綜上表明推測(cè)次級(jí)解體在暴雨、地震狀態(tài)下失穩(wěn)，在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 A區(qū)失穩(wěn)后古滑坡（B區(qū)）穩(wěn)定性計(jì)算

4 結(jié) 論

（1）文中滑坡體為一古滑坡體，古滑坡體沿基覆界線附近產(chǎn)生過滑動(dòng)，在水庫水位升降過程中前緣出現(xiàn)變形垮塌或失穩(wěn)。

（2）庫水位升降對(duì)滑坡體A區(qū)穩(wěn)定性影響較為明顯。在水位上升過程中穩(wěn)定性有先增加后減小再上升的的趨勢(shì)，而在水位下降過程中穩(wěn)定性有先增加后減小的趨勢(shì)；且穩(wěn)定性與水位升降速率關(guān)系較大，以2m／d上升時(shí)，在2100m水位附近A區(qū)將出現(xiàn)失穩(wěn)，以1m／d上升時(shí)，在2075m水位附近穩(wěn)定性系數(shù)最小，處于蠕滑變形狀態(tài)。

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1003-9805（2015）04-0036-04

2015-01-06

李青春（1983-）男，重慶合川人，工程師，從事水利水電及巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。