卡拉水電站田三滑坡體穩(wěn)定性敏感因素分析

李紅英,譚躍虎,李二兵

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

擬建的卡拉水電站位于雅礱江干流中游河段,為雅礱江梯級(jí)開發(fā)11級(jí)中的第6級(jí),上游與楊房溝水電站銜接,下游與錦屏一級(jí)水電站毗鄰。工程區(qū)內(nèi)滑坡體發(fā)育且規(guī)模巨大,分布有上田鎮(zhèn)、田三、崗尖、下馬雞店、草坪等多個(gè)大型滑坡體和崩坡積體。若出現(xiàn)滑坡,將造成水庫淤積或河道堵塞,并會(huì)危及大壩及其他樞紐建筑的安全。因此,滑坡體的穩(wěn)定性是決定壩址選擇的控制性因素之一。筆者以田三滑坡體為例,對(duì)庫區(qū)內(nèi)滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。田三滑坡體位于雅礱江右岸,處于上壩址與中壩址之間,總體呈長方形展布,平均厚度為40m,總體積為3662.2萬m3。

1 滑坡體穩(wěn)定性敏感因素

1.1 地形地貌

依據(jù)滑坡體的不同區(qū)段、物質(zhì)組成及地形差異將滑坡體自上而下分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū),分區(qū)要素見表1;A區(qū)、B區(qū)位于中后部,基本以公路為界;C區(qū)位于前部,以中部臺(tái)地前緣為界,滑坡體全貌見圖1。在高程2.26km以上坡度為20°～25°,以下總體坡度為30°～35°。前部地形存在較多變形破壞現(xiàn)象,穩(wěn)定性較差;中后部未發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象,穩(wěn)定性較好,有常住居民[1]。

1.2 地層巖性

該滑坡體組成物質(zhì)較復(fù)雜,據(jù)鉆孔平洞揭露,主要由殘坡積層、崩坡積層及中部滑坡堆積層、底部滑帶等組成?；露逊e層根據(jù)破碎程度可細(xì)分為2個(gè)亞層：粉質(zhì)黏土夾碎石層和塊石層。殘坡積層為粉質(zhì)黏土夾碎石,碎石含量為10%～40%;崩坡積層為碎塊石夾粉質(zhì)黏土,主要成分砂巖、板巖含量為60%～70%。粉質(zhì)黏土夾碎石層以碎塊石為主,碎塊石含量約為30%～40%;塊石層主要由變質(zhì)砂巖、板巖大塊石組成?；瑤翞榉圪|(zhì)黏土夾礫石,并有少量碎石。巖層產(chǎn)狀為35°N～55°W,NE∠20°～55°,順坡傾向,局部巖層由于受揉皺影響,巖層產(chǎn)狀變化較大[2]。

圖1 田三滑坡體全貌Fig.1 Panorama of Tiansan Landslide

表1 田三滑坡體分區(qū)要素Table1 Partitioning elements of Tiansan Landslide

1.3 滑坡成因及地質(zhì)構(gòu)造

中更新世晚期以來本區(qū)進(jìn)入峽谷期,河谷強(qiáng)烈下切,岸坡高度不斷增加,在隨后長期的地質(zhì)歷史過程中,滑坡形成所需要的條件逐步形成,唯獨(dú)缺少前緣臨空條件。強(qiáng)大的自重應(yīng)力持續(xù)作用于岸坡巖體,滑移變形趨勢(shì)保持不變,前緣受阻部位產(chǎn)生彎曲變形,導(dǎo)致坡面隆起并伴隨巖體擴(kuò)容破碎。隨著坡面隆起和坡內(nèi)擴(kuò)容加劇,在地震或暴雨誘發(fā)下,易產(chǎn)生潰屈破壞[3-4]。

區(qū)內(nèi)前波斷層距離滑坡體后緣1.50km,未發(fā)現(xiàn)其他較大斷裂構(gòu)造帶通過。滑坡區(qū)地處前波斷層的下盤,雅礱江右岸邊坡為中傾左岸偏下游的順向坡,河流走向與巖層走向接近一致,溝谷延伸長,切割深?；鶐r節(jié)理發(fā)育,主要發(fā)育有3組：(a)20°N～30°WNE∠40°～60°面較平直,延伸較長,為層面、順坡、密集發(fā)育。(b)70°N～80°ESE∠80°～86°面較平直,延伸較長,切坡,面附鐵錳質(zhì)膜 。(c)10°N～20°WSW∠40°～50°面較平直,延伸較長,橫切坡,面附鐵錳質(zhì)膜。

1.4 水文地質(zhì)條件

滑坡體在高程2.30km以上較缺乏地表水,沖溝均為季節(jié)性流水,旱季時(shí)均無水,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn)出露。在高程2.30km以下,中部的1條大沖溝有常年流水,流量較大,其余沖溝均為季節(jié)性流水。地下水接受大氣降水補(bǔ)給,向雅礱江排泄。另外,在滑坡體前緣有多處地下水滲出點(diǎn),出水量較小。滑坡區(qū)的地下水為潛水,潛水面形態(tài)與地形大致相當(dāng),根據(jù)鉆孔水位觀測(cè)成果,地下水位埋深較深,一般埋深為30～60m。

1.5 降雨

雅礱江區(qū)域地處青藏高原與四川盆地過渡地帶,氣象條件的垂直分帶性明顯,每年6—9月為雨季,年平均降雨量950.0mm左右。高程3.00km以下的河谷地帶,降雨量較充沛(年平均降雨量為796.7mm),屬較典型的亞熱帶氣候區(qū)。氣候突變明顯,降雨具有集中性和突發(fā)性,降雨量大,分布極不均勻。筆者使用SLOPSEEP/W軟件對(duì)滑坡體進(jìn)行滲流分析(計(jì)算模型如圖2所示),劃分區(qū)域?yàn)?邊形單元格,上邊界按照降雨量定義,同時(shí)坡腳處定義水頭高度,初始地下水位按照基巖定義。穩(wěn)定滲流分析以日為單位步長進(jìn)行疊加,整個(gè)計(jì)算不考慮水分蒸發(fā)和地下水位變化。為研究降雨歷時(shí)對(duì)田三滑坡體的影響,模擬了100 mm/d的降雨強(qiáng)度持續(xù)10d的地下水位變化。

圖2 滑坡體Ⅳ-Ⅳ剖面滲流模型Fig.2 Seepagemodel of landslide at profileⅣ-Ⅳ

從滲流云圖可知[5],降雨第1天滑坡體表層便有微小的局部飽和區(qū);降雨第2天B區(qū)的飽和帶逐漸向下,C區(qū)飽和帶逐漸加深;至第5天,B區(qū)飽和帶與地下水聯(lián)通并使地下水位抬升,C區(qū)至第8天與地下水聯(lián)通并使地下水位抬升;至第10天,C區(qū)上部飽和區(qū)域逐漸變大,地下水位繼續(xù)抬高,地下水情況變復(fù)雜,C區(qū)和B區(qū)結(jié)合部的地下水幾乎達(dá)到滑坡體表面?？梢钥闯?降雨時(shí)間長度對(duì)田三滑坡體的影響較大,降雨不僅在表層形成局部飽和帶,而且隨著降雨時(shí)間增長滑坡體內(nèi)地下水位抬升越來越明顯,地下孔隙水壓力的變化也越來越復(fù)雜,使得孔隙水壓力消散迅速,進(jìn)而影響滑坡體的整體穩(wěn)定性。這說明降雨歷時(shí)對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性起到重要的決定作用。將當(dāng)日計(jì)算得出的滲流場(chǎng)與SLOP軟件耦合,可以計(jì)算滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的滑坡體安全系數(shù)F,如圖3所示。

圖3 100mm/d降雨持續(xù)10d田三滑坡體安全系數(shù)趨勢(shì)Fig.3 Safety coefficient variation of Tiansan Landslideduring 10-day rainfall with intensity of 100 mm/d

從圖3可以看出,降雨時(shí)間越長,田三滑坡體的安全系數(shù)越低,滑坡體越不安全?？傮w上C區(qū)安全系數(shù)小于B區(qū)和A區(qū),這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果是一致的。在發(fā)生滑坡的時(shí)間順序上,A區(qū)先于B區(qū)和C區(qū)。

1.6 庫水位升降

庫水位突然降低,涉水滑坡體內(nèi)地下水位下降緩慢,較大的水力梯度形成較大的動(dòng)水壓力,加大了沿地下滲流方向的滑動(dòng)力,可能引起老滑坡的復(fù)活和新滑坡的產(chǎn)生。同時(shí)一部分地下水排出,庫岸受到的浮托力突然減小,致使庫岸陷落壓密,可能激發(fā)很高的超孔隙水壓力,使壓密帶抗剪強(qiáng)度急劇降低導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。另外,蓄水后水位上升,庫面水域變得更加開闊,山谷風(fēng)及庫水的流動(dòng)會(huì)引起對(duì)庫案的沖刷作用,使案坡后移,河谷深切,岸坡變陡。庫水沖刷坡腳,切斷滑動(dòng)面使之臨空,斜坡失去底部支撐,其穩(wěn)定平衡便會(huì)遭到破壞。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明,滑坡體在天然狀況下不存在和保持高孔隙水壓力的水文地質(zhì)條件,水庫蓄水將改變地下水的賦存條件,通過計(jì)算Ⅳ-Ⅳ剖面安全系數(shù)可知,在庫水位驟升驟降的過程中,地下水將產(chǎn)生較高的水力梯度,對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響較大,滑坡安全系數(shù)逐步降低,故滑坡穩(wěn)定性分析應(yīng)充分考慮水位變化的影響。

1.7 地震

卡拉水電站近場(chǎng)區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,主要發(fā)育有2組斷裂,均為早、中更新世活動(dòng)斷裂,不具備發(fā)生6.5級(jí)以上強(qiáng)震的構(gòu)造背景,但5～6級(jí)左右地震具有較大的隨機(jī)性。不同地震烈度對(duì)應(yīng)的水平加速度和垂直加速度如表2所示。

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?～8時(shí),滑坡體整體及分區(qū)穩(wěn)定性均在基本穩(wěn)定狀態(tài)之上;當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)到9后,邊坡安全系數(shù)為0.872,滑坡體處于失穩(wěn)的狀態(tài)?？梢钥闯?安全系數(shù)隨地震烈度的增加而線性遞減,因此地震對(duì)滑坡體的安全影響巨大。

表2 不同地震烈度所對(duì)應(yīng)的水平和垂直加速度Table2 Horizontal and vertical acceleration with different seismic intensities

2 滑坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 工況組合

根據(jù)以上分析,滑坡體風(fēng)險(xiǎn)分析需要考慮不同工況組合(不同工況)的影響[6-7],見表3。本文計(jì)算以Ⅳ-Ⅳ剖面作為計(jì)算模型,如圖4所示。

表3 田三滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算工況及工荷組合Table 3 Stability calculation conditions and load combinations of Tiansan Landslide

2.2 參數(shù)確定

工程現(xiàn)場(chǎng)勘察過程中,通過試驗(yàn)獲取了一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù),但數(shù)量有限,加之滑坡體巨大,地質(zhì)情況復(fù)雜,無法達(dá)到統(tǒng)計(jì)要求,因此引入Bayes優(yōu)化法[8-11]對(duì)滑坡體巖土參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。采用工程類比分析法確定滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的分布類型及參量,即通過工程類比法對(duì)滑坡體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),獲得概率分布函數(shù),以此為先驗(yàn)函數(shù);以田三滑坡體自身試驗(yàn)樣本概率分布函數(shù)為似然函數(shù),通過Bayes優(yōu)化得到后驗(yàn)函數(shù),即穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù)取值。由于篇幅有限,僅將C區(qū)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果列于表4中。

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算

為了能有效模擬出滑坡體的實(shí)際情況,根據(jù)滑坡體參數(shù)后驗(yàn)分布改良函數(shù),通過Risk軟件,采用Monte-Carlo方法[12-14]隨機(jī)抽取1萬組數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)各個(gè)土層抽取樣本進(jìn)行隨機(jī)組合。根據(jù)隨機(jī)組合數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡體整體穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算方法以Bishop法和M-P法為基礎(chǔ)[8],以安全系數(shù)為直觀反映,計(jì)算由GEO-SLOPE軟件進(jìn)行。為解決1萬組抽樣數(shù)據(jù)帶來的輸入難題,利用自編對(duì)接程序Edit and Run將隨機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEO-SLOPE軟件,然后結(jié)合不同工況及荷載計(jì)算。以安全系數(shù)小于1的組合為失穩(wěn)組合,統(tǒng)計(jì)其在1萬組數(shù)據(jù)中所占比例,得到滑坡體在該工況的失穩(wěn)概率,如表5所示。

圖4 田三滑坡體Ⅳ-Ⅳ主剖面計(jì)算剖面Fig.4 Calculation profile of main profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

表4 田三滑坡體C區(qū)巖土參數(shù)Bayes優(yōu)化結(jié)果Table 4 Optimization results of rocKand soil parameters of of Tiansan Landslide in zone C using Bayes method

表5 滑坡體Ⅳ-Ⅳ剖面穩(wěn)定性計(jì)算成果匯總Table5 Overall results of stability calculation of profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

計(jì)算結(jié)果表明：在工況1(天然)、工況2(正常蓄水)條件下,田三滑坡體安全系數(shù)均值均在1.2以上,失穩(wěn)概率為0,穩(wěn)定性較好,有較高的安全儲(chǔ)備。蓄水對(duì)田三滑坡體的穩(wěn)定不利,與工況1相比,工況3(暴雨)下安全系數(shù)有較大幅度的降低,但失穩(wěn)概率為0,穩(wěn)定性仍較好。工況4(蓄水暴雨)和工況5(水位驟降)條件下,失穩(wěn)概率分別為1.05%～5.17%和2.91%～4.65%,說明受蓄水和暴雨的影響,田三滑坡體穩(wěn)定性明顯下降,存在失穩(wěn)的可能。工況6(地震)條件下,田三滑坡體失穩(wěn)概率為2.36%～2.49%,2個(gè)剖面穩(wěn)定性較接近,而在工況7(蓄水地震)條件下,田三滑坡體的失穩(wěn)概率為21.93%,受蓄水影響較大,穩(wěn)定性差。

3 結(jié) 語

a.卡拉水電站工程區(qū)田三滑坡體隨著坡面隆起和坡內(nèi)擴(kuò)容加劇,在外界作用下更易失穩(wěn)破壞;其層面與節(jié)理裂隙的不良組合為滑坡體變形失穩(wěn)提供了邊界,陡傾坡內(nèi)的裂隙為地下水入滲創(chuàng)造了條件。通過對(duì)降雨、庫水水位升降和地震等外在因素的敏感性分析,可知滑坡體在天然狀況下不存在產(chǎn)生和保持高孔隙水壓力的水文地質(zhì)條件,水庫蓄水將改變地下水的賦存條件,庫水位驟升驟降對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性影響較大;在短期降雨條件下,滑坡體穩(wěn)定性降低不多,但是隨著降雨時(shí)間增長滑坡體失穩(wěn)概率增加;地震峰值對(duì)滑坡體穩(wěn)定性影響較為明顯。

b.基于蒙特卡洛模擬思想,在巖土參數(shù)概率密度函數(shù)已知的條件下采用Risk軟件進(jìn)行抽樣,將數(shù)據(jù)錄入GEO-SLOPE軟件中進(jìn)行計(jì)算,得到滑坡體7種工況下的失穩(wěn)概率。從計(jì)算結(jié)果可知,在蓄水地震工況下,C區(qū)失穩(wěn)概率較大,該工況下處于不安全狀態(tài)。另外,滑坡體受蓄水和暴雨的影響較大,穩(wěn)定性變差。

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