田壩村變形體的變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析

張小寶，李 坤

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

1 工程概況

天花板水電站壩址位于云南省魯?shù)榭h翠屏鄉(xiāng)與巧家縣鉛廠鄉(xiāng)境內(nèi)，廠址位于魯?shù)榭h翠屏鄉(xiāng)境內(nèi)。壩型為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高107m，水庫河道狹窄，總庫容為7871萬m3。

田壩村斜坡位于天花板水電站庫區(qū)左岸岸坡上，與已建成的大壩最近距離為1.0km左右，考慮到坡體目前變形較大，對已建成的天花板水電站構(gòu)成潛在威脅(如圖1所示)。

圖1 田壩村斜坡研究區(qū)與天花板水電站空間相對位置

2 田壩村變形岸坡基本地質(zhì)條件及變形機(jī)理分析

2.1 岸坡基本地質(zhì)條件

2.1.1地形地貌

田壩村變形體位于天花板水電站庫區(qū)左岸，近壩庫段1km處，為典型的古堆積體岸坡，沿河向?qū)挾燃s為1.3km，變形體前緣位于河床，高程為980m，后緣拉裂縫最大高程為1662m。邊坡上分布有灣子社、窩當(dāng)、楊家天井、歐家寨、炭山、黃家坪子等村落，有200余戶居民。邊坡自然坡度為20°～50°，邊坡上多為梯田，蓄水前邊坡穩(wěn)定性較好。蓄水后受前緣塌岸、降雨及水位驟降影響，邊坡在2011年1月開始發(fā)生變形，經(jīng)勘察粗略估算，古堆積體總方量約為8000萬m3，發(fā)生變形的方量約為3500萬m3，屬于超大型的滑坡變形體。

2.1.2地層巖性

根據(jù)鉆探、坑槽探資料，邊坡堆積物厚度較大，中部和前緣的堆積物厚度均在40m以上，前緣最大堆積厚度達(dá)到了150m，后緣厚度較薄，一般為10～20m。邊坡堆積體由崩積、崩坡積及坡殘積物組成，主要為土夾碎(塊)石，局部塊石含量較高，塊石直徑最大可達(dá)20余米。下伏基巖為寒武系和震旦系的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及砂巖等。

2.1.3水文地質(zhì)特征

在邊坡發(fā)生變形前地下水位較高，地表溝谷內(nèi)有小溪等徑流分布，邊坡上的居民生活用水主要由邊坡上的地表徑流供給。

邊坡發(fā)生變形后，邊坡上的縱向、橫向裂縫發(fā)育，地表水下滲，地表徑流消失。根據(jù)鉆孔水位監(jiān)測資料成果，變形體的地下水位主要分布在基巖與覆蓋層附近，大氣降水通過地表裂縫下滲，以暗流的形式排到牛欄江。

2.1.4變形體物理力學(xué)參數(shù)

本項(xiàng)研究主要從現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查入手，通過試驗(yàn)成果以及切割小剖面進(jìn)行統(tǒng)計的手段來總結(jié)碎石土內(nèi)部礫石粒徑分布的主要特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場情況及崩塌堆積體的成因和分布特征，提出物理力學(xué)參數(shù)的建議值，見表1。

2.2 變形岸坡分區(qū)

蓄水前岸坡基本穩(wěn)定，2011年1月17日蓄水后，經(jīng)當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)部門反映，老店鎮(zhèn)灣子社、坪子社及陡地社部分村民住房地基及房屋墻體出現(xiàn)開裂變形。根據(jù)收集到的田壩村變形體地形地貌特征、裂縫分布形態(tài)、鉆孔資料等，并在分析變形體成因和變形特征的基礎(chǔ)上，將田壩村變形體大致劃分為三個區(qū)，Ⅰ區(qū)崩塌堆積變形體、Ⅱ區(qū)滑坡體和Ⅲ區(qū)崩塌堆積體，如圖2所示。

圖2 變形體分區(qū)圖

2.3 變形體的成因機(jī)理分析

田壩村變形體基巖與土石混合體接觸面從整體上控制著變形體的變形軌跡，但由于變形體前緣瀕臨牛欄江，隨著江水的逐漸淘蝕，塌岸現(xiàn)象日益嚴(yán)重，前緣阻力逐漸減小，從而促使臨江岸坡局部失穩(wěn)滑動，當(dāng)岸坡失穩(wěn)滑動后，進(jìn)一步促使后部坡體產(chǎn)生下滑趨勢，產(chǎn)生拉裂縫，導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，從這個角度看，該變形體具有牽引式的特點(diǎn)。

具體來說，田壩村變形體演化過程如下：

(1)崩塌堆積物的形成

崩積的間歇發(fā)生—形成崩積堆積物—物理化學(xué)風(fēng)化—形成土石混合體—壓實(shí)—形成基巖上覆表層堆積體。

(2)變形體的形成

水位驟降、大氣降水及風(fēng)浪影響—邊坡前緣發(fā)生塌岸—前緣的局部塊體變形失穩(wěn)—牽引后緣堆積物發(fā)生變形—坡內(nèi)裂縫及邊界裂縫形成—降雨及地表水入滲—加劇邊坡變形—變形體形成。

3 變形體穩(wěn)定性定量評價

本章節(jié)擬借助Geo-Studio數(shù)值軟件在研究區(qū)選取5個典型計算剖面(如圖3所示)進(jìn)行定量計算，以便能夠?qū)ζ浞€(wěn)定性現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)估評價。

3.1 崩坡積碎石土強(qiáng)度參數(shù)反演

3.1.1參數(shù)敏感性分析

首先進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析，了解黏聚力和內(nèi)摩擦角二者對安全系數(shù)的影響程度，便于實(shí)施后續(xù)計算參數(shù)調(diào)整過程。

從圖4中可以看出，黏聚力和內(nèi)摩擦角二者對安全系數(shù)的影響基本成線性，隨著黏聚力和摩擦角的增大，安全系數(shù)基本成線性增大。同時可以直觀地看出：黏聚力對邊坡安全系數(shù)不是很敏感，而內(nèi)摩擦角異常敏感。

3.1.2強(qiáng)度參數(shù)反演

在參數(shù)敏感性分析基礎(chǔ)上，此次強(qiáng)度參數(shù)反演時內(nèi)摩擦角取值范圍為20°～40°，黏聚力取值范圍為0～10kPa。基于參數(shù)各種組合，計算圖4中潛在滑動面的安全系數(shù)，結(jié)果見表2。顯然，若按照表1所示的當(dāng)?shù)貐?shù)經(jīng)驗(yàn)取值，當(dāng)黏聚力按照0kPa考慮時，內(nèi)摩擦角不論在26°～29°范圍內(nèi)如何變化，其潛在滑動面安全系數(shù)在0.87～0.99變化，且均小于1，因此上述經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值可以理解為崩坡積碎石土的下限。考慮到該崩坡積碎石土仍具有一定的黏結(jié)性，從而將其黏聚力確定為5～8kPa，那么為了使?jié)撛诨瑒用姘踩禂?shù)達(dá)到1.00，摩擦角至少為29。

表1 變形體土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

圖3 5個典型地質(zhì)剖面空間位置(單位：m)

基于上述分析，結(jié)合地形特征，此次邊坡穩(wěn)定性計算時，崩坡積碎石土的黏聚力取值范圍為5～8kPa，內(nèi)摩擦角取值范圍為29°～32°。

3.1.3數(shù)值計算材料參數(shù)

基于上述強(qiáng)度參數(shù)反演取值，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，此次數(shù)值計算相關(guān)材料參數(shù)見表3。

圖4 黏聚力、內(nèi)摩擦角敏感性分析

表2 潛在滑動面的安全系數(shù)

表3 數(shù)值計算材料參數(shù)

3.2 數(shù)值計算模型

基于地質(zhì)剖面PM1、PM2、PM3、PM4、PM5建立水文地質(zhì)概化模型，進(jìn)而建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型，如圖5所示。

3.3 失穩(wěn)模式預(yù)測

基于上述所建立的模型，通過剛體極限平衡法依次對研究區(qū)Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-2區(qū)、Ⅰ-3區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)坡體在現(xiàn)狀自然條件下、降雨工況、庫水位變化以及地震作用下可能發(fā)生的失穩(wěn)模式進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果見表4。

表4 各剖面計算結(jié)果統(tǒng)計表

圖5 各剖面計算模型

3.4 穩(wěn)定性評價

表5為DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》[5]中水利水電工程邊坡設(shè)計安全系數(shù)，此次研究區(qū)坡體按照水庫邊坡B類考慮。

另外，根據(jù)DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》[6]的規(guī)定，天花板水電站為三等中型工程，樞紐主要建筑物中碾壓混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物、進(jìn)水口、引水隧洞、發(fā)電廠房等主要建筑物為3級。

綜上分析，此次邊坡穩(wěn)定性評價時，地震工況按照偶然狀況考慮，取1.00作為考慮地震工況時邊體穩(wěn)定性判別依據(jù)；降雨、水位下降工況按照短暫狀況考慮，取1.05作為考慮降雨或者水位驟降工況時邊體穩(wěn)定性判別依據(jù)；自然工況按照持久狀況考慮，取1.10作為自然工況時邊體穩(wěn)定性判別依據(jù)。

4 結(jié)論

Ⅰ區(qū)PM3在現(xiàn)狀自然條件、降雨、水位下降工況下，其安全系數(shù)均接近規(guī)范規(guī)定值，PM4在各工況下，其安全系數(shù)均低于規(guī)范值，穩(wěn)定性差。

Ⅱ區(qū)在非地震工況下，整體滑動的安全系數(shù)接近規(guī)范值；僅在現(xiàn)狀自然條件、降雨、水位下降工況下，前緣局部的安全系數(shù)低于規(guī)范值，穩(wěn)定性差。

Ⅲ區(qū)在現(xiàn)狀自然條件、降雨、水位下降工況下，其安全系數(shù)均高于規(guī)范規(guī)定值，因此認(rèn)為上述工況下Ⅲ區(qū)處于較穩(wěn)定狀態(tài)；而在地震作用下，其穩(wěn)定性差。

變形體前緣牛欄江河道狹窄，根據(jù)測量資料，蓄水后由于岸坡塌岸，變形體前緣河床已經(jīng)比蓄水前抬高了將近20m，間接起到了壓腳作用，綜合分析認(rèn)為田壩村變形體產(chǎn)生整體快速失穩(wěn)的可能性不大，隨著前緣塌岸進(jìn)一步變形，前緣堆積物厚度加大，有逐漸趨穩(wěn)的可能，建議進(jìn)一步加強(qiáng)變形監(jiān)測，控制水位驟降工況下的穩(wěn)定性。

2014年8月3日，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，根據(jù)監(jiān)測資料，變形體的變形發(fā)生一次較大突變后趨穩(wěn)，根據(jù)后期監(jiān)測資料，再無變形發(fā)生。

天花板水電站田壩村變形體是水庫蓄水后，由于塌岸、暴雨及水位驟降引起的近壩庫岸土質(zhì)岸坡失穩(wěn)的典型案例。變形發(fā)生后，居民房屋開裂、稻田干涸、果樹傾倒及溪水?dāng)嗔?，直接影響?個自然村居民的生產(chǎn)生活，造成了較大的財產(chǎn)損失，是一次深刻的教訓(xùn)，這對今后水庫土質(zhì)岸坡勘察、古堆積體的穩(wěn)定性研究具有較強(qiáng)的借鑒意義。

表5 水利水電工程邊坡設(shè)計安全系數(shù)