考慮地下水影響的大華滑坡塌岸預測

王樂華,王家成,楊姍姍,陳 星

(1.三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.中國長江三峽集團公司樞紐管理局,湖北 宜昌 443002)

水庫蓄水后,由于庫水位變化使庫岸地質(zhì)條件發(fā)生改變,庫岸在庫水浸泡、風浪沖擊、水流侵蝕以及干濕交替作用下發(fā)生坍塌,導致水庫岸線后退,在水庫周邊波浪作用范圍內(nèi)形成淺灘,進而誘發(fā)庫岸穩(wěn)定性發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為水庫塌岸現(xiàn)象[1]。水庫塌岸是影響水庫工程安全的重大地質(zhì)災害,為此,有必要對滑坡可能失穩(wěn)發(fā)生破壞范圍和規(guī)模進行塌岸預測。

傳統(tǒng)的塌岸預測方法有圖解法、卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法等[2]。近年來,許多學者提出了新的塌岸預測方法,如兩段法[3]、土力學法、庫岸結(jié)構(gòu)法[4]、數(shù)值模擬法[5]等。上述基于工程實踐的預測方法在實際的工作中仍然廣泛地應用[6]。地質(zhì)條件和環(huán)境的復雜多變性,對岸坡滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響[7-8],迄今為止的塌岸預測方法多屬于經(jīng)驗性或半經(jīng)驗性的,簡化了水文地質(zhì)條件的影響,很少從定量的角度出發(fā),從而無法清楚了解塌岸和地下水影響之間的確切關(guān)系。本文在考慮地下水影響的基礎上,綜合應用極限平衡搜索預測法、FLAC3D數(shù)值模擬預測法兩種數(shù)值模擬方法,對大華橋水庫大華滑坡進行了塌岸預測,并與傳統(tǒng)的卡丘金法預測結(jié)果進行了對比分析。

1 滑坡概況

大華滑坡距大華橋水電站下壩址5km。大華橋水庫兩岸岸坡較陡,基巖由板巖、片巖等組成,性狀較差,沿江滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害頻繁發(fā)生。大華滑坡體分布高程在1410～1870m之間,后緣至前緣長度約1000m,順河向?qū)挾?060m左右,周邊為基巖陡壁,呈“圈椅”狀,形成后緣及上下游側(cè)緣被基巖陡坡圍限、前緣臨空的態(tài)勢,屬于典型的縱橫等長式滑坡,目前前緣已達瀾滄江邊(天然蓄水位1413m),滑坡堆積物體積約為4800萬m3,屬大型滑坡。當水庫水位達到正常蓄水位1477m時,滑坡體前緣約有67m的深度位于水位以下。大華滑坡體主要由表層 10～50m崩積土夾碎塊石、中部20～50m侏羅系壩注路組傾倒變形的強風化紫紅色板巖(J3b)組成,傾倒變形巖層基本保持原狀層序,巖層傾向岸內(nèi),從淺到深巖層傾角逐漸從緩變陡,傾角15°～ 30°左右 ,強度低 ,手捏即可成碎塊、碎片 、碎屑狀。滑坡體下部為弱風化紫紅色板巖(J3b),巖層傾角上部35°～45°,隨著深度的增加,巖層傾角逐漸變陡至70°～85°,趨于正常。根據(jù)地表形態(tài)特征,滑坡體明顯分為5個區(qū),見圖 1。3—3′剖面沿Ⅳ區(qū)中線上下延伸,并穿過Ⅰ區(qū),地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 大華滑坡分區(qū)

圖2 大華滑坡3—3′剖面

2 塌岸預測方法及其改進

2.1 塌岸類型分析

在具體評價庫岸穩(wěn)定性時,根據(jù)不同的塌岸類型,宜采用多種方法綜合預測評價。根據(jù)水庫庫岸變形失穩(wěn)的破壞機理,可將水庫塌岸劃分為侵蝕-剝蝕型、坍塌型、滑移型、崩塌型和流土型等 5種類型[3]。根據(jù)地質(zhì)條件分析認為大華滑坡前緣岸坡的可能失穩(wěn)模式是沿著堆積體底部和傾倒板巖層發(fā)生滑移,從而可認為岸坡塌岸類型屬于滑移式塌岸。

2.2 塌岸預測方法選擇

滑移式塌岸適合用極限平衡搜索預測法、FLAC3D數(shù)值模擬預測法來預測塌岸寬度[5]。極限平衡搜索預測法是依據(jù)實測的岸坡地質(zhì)剖面,建立庫岸模型,利用Geo-Slope軟件選取適當?shù)姆椒?如Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等)進行岸坡穩(wěn)定分析計算,依據(jù)計算出的最危險滑動面來圈定相應的塌岸范圍。FLAC3D數(shù)值模擬預測法利用有限差分軟件FLAC3D分析坡體岸坡局部剪應變增量云圖,自動搜索剪應變增量貫通區(qū)來圈定相應的塌岸范圍。

2.3 塌岸預測方法補充和改進

傳統(tǒng)塌岸預測方法沒有具體考慮庫水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用等影響因素。隨著庫水位上升及周期性漲落,岸坡巖土體在水的作用下軟化,波浪對岸坡沖刷搬運、庫水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用,導致岸坡工程地質(zhì)條件發(fā)生變化,使得塌岸的可能性增大。庫水位上下的土體分別處于非飽和、飽和狀態(tài),庫水位變化時滑體內(nèi)的浸潤線變化滯后于滑坡外水位線的變化,產(chǎn)生對滑坡穩(wěn)定不利的非穩(wěn)定滲流[9]。考慮地下水影響更加符合工程實際情況。

本文基于非飽和土的滲流理論,采用GeoStudio系統(tǒng)軟件中專業(yè)的滲流計算有限元程序SEEP/W模塊模擬庫水位上升到正常蓄水位時滑坡體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)滲流場,將SEEP/W計算的孔隙水壓力和地下水位線分別與極限平衡搜索預測法、FLAC3D數(shù)值模擬預測法結(jié)合起來預測。具體方法如下:①將SEEP/W計算的孔隙水壓力應用到SLOPE/W中建立極限平衡模型進行耦合分析,采用極限平衡搜索預測法進行塌岸預測;②在建立的FLAC3D單寬三維模型中添加SEEP/W計算的地下水位線,采用FLAC3D數(shù)值模擬預測法進行塌岸預測。

圖3 卡丘金法預測塌岸寬度原理

另外,采用由卡丘金1949年提出的庫岸最終塌岸寬度預測計算公式而演變的卡丘金法(圖3,圖中H為正常高水位以上岸坡的高度;h1為黏性土斜坡上部的垂直陡坎坎高;hs=H-h1;hb為浪爬高度;hp為波浪影響深度;γ為原岸坡坡角;α為水下穩(wěn)定坡角;β為水上穩(wěn)定坡角)進行對比預測。該法的實質(zhì)是依據(jù)實測的洪水、枯水位變幅帶各巖土岸坡長期穩(wěn)定坡角,根據(jù)幾何關(guān)系用基于地質(zhì)類比的圖解法求解庫岸最終塌岸寬度[10]。

3 大華滑坡塌岸預測

3.1 滲流計算

分析大華橋水庫正常蓄水位1477m下大華滑坡3—3′剖面滲流情況。坡體組成及其滲透系數(shù)見表1。土體滲透系數(shù)函數(shù)和體積含水量函數(shù)參照SEEP/W自帶的函數(shù)庫進行選取。

表1 滑坡巖土體的滲透系數(shù)

大華滑坡3—3′剖面SEEP/W采用平面有限元法進行求解,直接使用AutoCAD底圖建模。計算模型共確定了8663個節(jié)點,劃分了9049個單元(包括三角形單元和四邊形單元),計算網(wǎng)格見圖4。

圖4 滲流計算網(wǎng)格

在正常蓄水位1 477m穩(wěn)態(tài)下的滲流場分布和地下水位線如圖5所示。計算的地下水位線的溢出點高程為1477m。

圖5 正常蓄水位1477m穩(wěn)態(tài)滲流下的浸潤線(局部)

3.2 極限平衡搜索預測法

在SLOPE/W中計算之前,首先將SEEP/W滲流計算得出的正常蓄水位1 477 m穩(wěn)態(tài)結(jié)果導入SLOPE/W中進行穩(wěn)定性計算。這樣計算更符合實際,避免了根據(jù)經(jīng)驗確定地下水位線以致計算結(jié)果可信度低等弊端,計算結(jié)果可為滑坡失穩(wěn)、發(fā)展趨勢及塌岸預測提供參考依據(jù)。SLOPE/W中所需的力學參數(shù)見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性分析的力學參數(shù)

在SLOPE/W中分別進行了前緣岸坡最危險滑動面搜索,得出了大華滑坡3—3′剖面最危險滑動面的分布范圍,也就是采用極限平衡搜索預測法得出的各剖面塌岸發(fā)生的范圍,如圖6所示。

圖6 極限平衡搜索預測法搜索的最危險滑動面

3.3 FLAC3D數(shù)值模擬預測法

在建立的單寬三維FLAC3D模型中添加SEEP/W滲流計算的地下水位線,這樣可以根據(jù)地下水位線對水上和水下的巖層進行分區(qū)。相比根據(jù)經(jīng)驗估算地下水位線的范圍,用滲流計算的地下水位線可以很好地解決經(jīng)驗估算的可靠度問題。采用FLAC3D數(shù)值模擬預測法分析大華滑坡3—3′剖面的前緣岸坡,根據(jù)其剪應變增量云圖(圖7)可得出:由于庫水位變化,在滑坡前緣會出現(xiàn)較明顯的貫通面,岸坡的穩(wěn)定性降低,說明滑坡性質(zhì)受庫水位影響作用較大,由于庫水漲落,岸坡可能會沿著貫通面失穩(wěn)。這里的貫通面分布范圍即代表前緣岸坡的塌岸預測范圍。

3.4 卡丘金法

圖7 FLAC3D數(shù)值模擬預測法計算的剪應變增量云圖(局部)

根據(jù)卡丘金法預測塌岸寬度的原理,幾個關(guān)鍵的取值如下:浪爬高度hb取0.5m時,波浪影響深度hp取1m。原岸坡坡角 γ可從剖面圖中量測,水下穩(wěn)定坡角 α和水上穩(wěn)定坡角β可參考瀾滄江流域已經(jīng)測得的相關(guān)資料[11-12]進行塌岸參數(shù)類比獲得,并結(jié)合大華滑坡地形地貌特點,初步確定大華滑坡岸坡水上穩(wěn)定坡角為33°,水下穩(wěn)定坡角為22°。

對大華滑坡3—3′剖面進行幾何作圖,得出塌岸發(fā)生的范圍,見圖8中粗線所示。

圖8 卡丘金法計算示意圖

3.5 3種方法預測結(jié)果對比分析

大華滑坡3—3′剖面采用 3種方法預測的塌岸寬度分別為:極限平衡搜索預測法124.4m,FLAC3D數(shù)值模擬預測法124.7m,卡丘金法139.1m,3種方法預測的塌岸寬度相差不大,采用卡丘金法得到的塌岸寬度分布范圍相對較大。

對大華滑坡這種滑移型的塌岸類型進行塌岸預測時,傳統(tǒng)的折線型幾何作圖預測方法從原理和變形破壞機制上來說就不適用,所以預測的結(jié)果會與實際情況極不相符。采用極限平衡搜索預測法和FLAC3D數(shù)值模擬預測法兩種方法得到的潛在滑移面較接近,塌岸寬度預測結(jié)果也較吻合,而卡丘金法的預測結(jié)果則較上述兩種方法差別較大,故對大華橋庫區(qū)大華滑坡前緣岸坡進行塌岸預測時,采用極限平衡搜索預測法和FLAC3D數(shù)值模擬預測法兩種方法較為合適,應以這兩種方法得到的結(jié)果作為參考,如圖9所示。

圖9 極限平衡搜索預測法和FLAC3D數(shù)值模擬預測法預測結(jié)果對比

4 結(jié) 論

a.大華滑坡3—3′剖面采用極限平衡搜索預測法、FLAC3D數(shù)值模擬預測法和卡丘金法預測的塌岸寬度分別為124.4m,124.7m和139.1m。

b.相對于傳統(tǒng)的卡丘金法,極限平衡搜索預測法和FLAC3D數(shù)值模擬預測法充分考慮了地下水的影響,對大華滑坡這種滑移型塌岸的預測較為合理。

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