官地水電站壩前覆蓋層堆積體邊坡的穩(wěn)定性分析與評價

彭文明，王方亮，付 敬，陳 強

(1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072;2.長江科學院，湖北武漢 430010)

1 前 言

我國西南地區(qū)高山峽谷地貌發(fā)育，地震沿斷裂體系活動頻繁，河谷發(fā)育史上的強烈下切使得河谷邊坡產(chǎn)生強烈的表生改造，各種類型的淺表生時效變形現(xiàn)象發(fā)育，邊坡大規(guī)模崩塌，形成了大量的滑坡堆積體。我國大型的水利設(shè)施如水電站大多建立在該地區(qū)，而第四紀的堆積體通常處于臨界狀態(tài)，當施工期遇到開挖、降雨以及運營期蓄水時，由于堆積體邊坡受荷情況發(fā)生變化引起內(nèi)力重分布，可能引發(fā)坡體開裂、滑坡，給施工人員的安全和工程建設(shè)的順利進行帶來安全隱患。因此，查清堆積體邊坡的規(guī)模及形態(tài)特征，分析堆積體的成因和穩(wěn)定性問題就成為工程建設(shè)時必須解決的主要工程地質(zhì)問題。本文采用快速拉格朗日程序FLAC3D，對官地水電站左岸壩前覆蓋層堆積體進行三維數(shù)值穩(wěn)定性計算。通過對邊坡表層堆積體的力學參數(shù)進行敏感性分析，根據(jù)目前邊坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀，結(jié)合三維強度折減方法分析獲得的邊坡安全系數(shù)，來確定覆蓋層堆積體力學參數(shù)的綜合取值;模擬邊坡的施工及運行工況，分析邊坡的開挖變形、應力場變化規(guī)律及塑性區(qū)分布;研究邊坡可能的失穩(wěn)模式、失穩(wěn)區(qū)域及安全系數(shù)，對錨固效果進行評價;以科學地指導設(shè)計與施工，確保水電站工程的安全施工和大壩的正常運行。

2 堆積體邊坡的工程地質(zhì)特征

大型堆積體由于其物質(zhì)組成、邊界條件等的不均一性和地下水位及地應力等因素的多變性，決定了該類邊坡的失穩(wěn)模式、滑移形式及滑面形成特征等方面的復雜性，特別是其失穩(wěn)形式往往不是整體下滑，而是通常在斜坡最薄弱部位、抗滑阻力最小部位，在下滑力最集中部位先形成剪出口，導致局部滑移，而后在下滑力和慣性力作用下形成斜坡的整體下滑。這是大型堆積體失穩(wěn)的特殊規(guī)律。官地壩前左岸覆蓋層堆積體位于雅礱江左岸岸坡段，岸坡前緣順雅礱江河谷弧長約1.5km，雅礱江以S20°W方向流入岸坡前緣，后逐漸偏轉(zhuǎn)至S25°E方向流出岸坡。

左岸覆蓋層岸坡表面存在分布范圍較廣的崩積物、坡積物、殘積物、沖洪積物，接觸關(guān)系較復雜，多混雜分布，崩坡積物在邊坡表面分布最為廣泛，是壩前左岸覆蓋層邊坡最主要的組成部分;殘坡積物大面積分布在下游邊界附近的岸坡表面，上游邊界高程1 300m附近也可見殘積物局部富集。由于受到巖性、構(gòu)造、地形的控制作用，覆蓋層在平面、剖面上分布存在差異，最大厚度逾60m，其內(nèi)發(fā)育滑坡和傾倒變形體。邊坡內(nèi)發(fā)育較大規(guī)模斷裂主要為近南北向展布、向西陡傾的三條斷層。這三條斷層正好發(fā)育在覆蓋層分區(qū)邊坡內(nèi)或位于坡體后緣，對邊坡的變形破壞起到一定的控制作用。邊坡巖體風化高程效應比較明顯，隨高程的增加，風化作用加強，深度增大;在河床內(nèi)基巖偶見強風化，風化程度、深度均相對較淺，厚度相對穩(wěn)定。而高程1 350m左右全強風化深度可達52.3m，主要分布在F1斷層附近;同一高程上，風化程度也存在不均一現(xiàn)象。風化作用使得位于覆蓋層邊坡高位處的巖體破碎、結(jié)構(gòu)面張開、次生黏土礦物形成。

根據(jù)岸坡覆蓋層目前變形破壞跡象以及可能發(fā)生的變形破壞的規(guī)律將岸坡覆蓋層劃分為A、B、C、D、E五個區(qū)域(見圖1)。其中B區(qū)變形破壞現(xiàn)象較為明顯，主要表現(xiàn)為高程1 350m之下的橋臺邊坡的變形破壞，既有覆蓋層內(nèi)的滑塌，也包含基巖的變形破壞，邊坡整體處于一種潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，雖已采取了臨時支護措施，但難以保持邊坡的長期穩(wěn)定。D區(qū)為雅礱江流向由N20°E轉(zhuǎn)向S25°E的河灣處岸坡，區(qū)內(nèi)發(fā)育一處中型覆蓋層滑坡(見圖2)，滑坡上游邊界位于邊坡中部山脊下游約200m，下游邊界位于覆蓋層上游邊約120m，順河長約320m，順坡長約330m，最大厚度約40m，體積90萬m3，前緣高程1 235～1 240m，后緣高程1 490～1 500m?；麦w地形略呈圈椅狀，上下游邊界均發(fā)育小型沖溝，并呈雙溝同源態(tài)勢。在高程1 240m、滑坡體上下游側(cè)均可見Ⅱ級階地堆積物與基巖出露。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡中后部樹木大多向坡外傾斜，表明滑坡表部有一定的蠕動變形。

圖1 壩前左岸覆蓋層邊坡工程地質(zhì)平面

3 覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性分析

圖2 D區(qū)KB5工程地質(zhì)剖面

鑒于覆蓋層邊坡沿基覆界面分布的崩積物、坡積物等具明顯的三維效應，各種成因的堆積物在平面、剖面上的分布存在著較大的變化，有必要根據(jù)邊坡的空間形態(tài)和地質(zhì)條件，建立三維地質(zhì)概化模型，采用數(shù)值模擬方法對覆蓋層邊坡的穩(wěn)定性進行研究。限于研究對象的復雜性及文章的篇幅，本文結(jié)合覆蓋層邊坡的地質(zhì)、地形及分區(qū)特點，采用顯式有限差分法，選取穩(wěn)定性最差的區(qū)域，建立覆蓋層邊坡D區(qū)的三維數(shù)值模型，重點研究D區(qū)的變形模式及其穩(wěn)定性。

由于覆蓋層邊坡表面存在各種成因類型的坡積體介質(zhì)，包括崩積物、坡積物、殘積物等，各種介質(zhì)多相互疊加、夾雜分布，其物質(zhì)組成具復雜性、多樣性，力學參數(shù)具有高度的不確定性，給三維數(shù)值建模及力學參數(shù)取值帶來了極大的困難，因而在計算中對地質(zhì)模型作了相應的概化，將邊坡表層堆積體視為一種綜合介質(zhì)?？紤]到崩坡積物在邊坡表面分布最為廣泛，是覆蓋層邊坡最主要的組成部分，故以崩坡積物力學參數(shù)為主要依據(jù)，通過對D區(qū)模型在天然狀態(tài)下覆蓋層力學參數(shù)的反算，最終確定表層覆蓋層合理的計算參數(shù)。將相應的力學參數(shù)用于D區(qū)模型在多種工況下的三維穩(wěn)定性分析，研究D區(qū)覆蓋層邊坡可能存在的滑移模式及相應的安全系數(shù)。

3.1 三維數(shù)值模型與計算條件

計算模型包含了微風化玄武巖、全強風化巖體，斷層 F5、F2、F1，KB5 滑坡體及滑帶，表層覆蓋層、壓坡體、擋墻。模型沿x、y、z軸的計算范圍為570m×650m×650m，其中x軸垂直河床方向(平行KB5剖面)，指向河床為正;y軸與x軸垂直，正y順河流方向;z軸鉛直向上為正。底部高程900m。計算域剖分了80 453個單元、27 605個節(jié)點。計算域四周采用法向約束，底部三向約束，地表自由。初始應力場為自重應力場。全強風化和微風化巖體，斷層F1、F2、F5、KB5滑坡體、滑帶均采用實體單元模擬，斷層厚約2.0～3.0m，滑帶厚1.0m。在D區(qū)模型中模擬了低線公路、高低連接線公路的開挖與支護以及坡腳壓坡。低線公路邊坡支護措施主要采取了3m和6m長的砂漿錨桿，高低連接線公路邊坡的支護采用4.5m長的砂漿錨桿。巖土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb模型。材料計算參數(shù)見表1。

大壩上游側(cè)邊坡工程抗震設(shè)防類別為丙類，其基巖水平峰值加速度取50年超越概率10%的值即0.114g。在運行工況基礎(chǔ)上，采用擬靜力法按規(guī)范要求對地震荷載進行模擬;降雨工況模擬是在運行工況基礎(chǔ)上，考慮強降雨作用，采用降雨強度為200 mm/d(按四川盆地降雨臨界強度進行取值)，降雨持續(xù)時間為1d，采用非飽和滲流－應力耦合方法模擬降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響。

表1 覆蓋層堆積體邊坡D區(qū)材料的物理力學參數(shù)采用值

3.2 計算成果分析

(1)滑帶力學參數(shù)敏感性分析?？紤]到滑帶的力學參數(shù)對滑坡的穩(wěn)定性起著控制性作用，故首先對KB5滑坡體的滑帶參數(shù)進行敏感性分析。除滑帶外的其他巖體采用表1所列的計算參數(shù)。當KB5滑帶的力學參數(shù)取φ=24°、c=50kPa，天然狀態(tài)下KB5滑坡安全系數(shù)為1.04;若考慮降雨的影響，滑坡的安全系數(shù)進一步降低，有可能產(chǎn)生失穩(wěn)，表明該參數(shù)取值偏低。當滑帶取φ=26°、c=60kPa時，天然狀態(tài)下滑坡安全系數(shù)為1.13;若疊加降雨工況，此時安全系數(shù)為1.10，該參數(shù)取值下的計算結(jié)果偏高。當滑帶取φ=25°、c=55kPa時，天然狀態(tài)下滑坡安全系數(shù)1.08，與目前邊坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀基本相符，故在以下各工況分析時滑帶均采用此強度參數(shù)。

(2)天然邊坡的穩(wěn)定性。邊坡淺部巖土體基本處于低壓應力或拉壓應力狀態(tài)，塑性區(qū)分布主要集中在表層覆蓋層、KB5滑體及滑帶、全強風化帶巖體及斷層F1、F2、F5內(nèi)，受拉或拉剪屈服區(qū)主要集中在邊坡表層巖土體內(nèi)，壓剪屈服區(qū)主要集中在滑帶、滑體及全強風化帶巖體內(nèi)。邊坡淺層出現(xiàn)成片的屈服區(qū)，表明天然狀態(tài)下覆蓋層邊坡淺部包括KB5滑坡體的穩(wěn)定性較差。天然邊坡的穩(wěn)定性主要受滑帶控制，當邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時，最大剪應變集中出現(xiàn)在滑帶部位，滑帶上部滑體沿滑帶產(chǎn)生明顯朝坡外的位移，表明D區(qū)的失穩(wěn)首先發(fā)生于KB5滑坡體。由強度折減法得到的潛在破壞區(qū)也集中在滑帶內(nèi)，邊坡安全系數(shù)為1.08。

(3)施工擾動對邊坡穩(wěn)定性的影響。低線公路及高低連接線公路的開挖引起開挖坡面產(chǎn)生順坡向位移，變形區(qū)主要集中在滑坡體，開挖后邊坡的安全系數(shù)仍為1.08，表明公路開挖對滑坡的整體穩(wěn)定性影響不大。這是因為開挖挖除了部分滑體，也減小了滑體的下滑力。但從滑坡的整體位移趨勢來看，施工開挖對滑坡的變形十分不利。開挖后及時錨固對邊坡淺部巖土體變形起到了一定的約束作用。錨桿受力普遍不大，邊坡安全系數(shù)為1.09。當邊坡坡腳進行壓坡和施加擋墻處理后，邊坡的受力狀態(tài)得到有效改善，整體穩(wěn)定性也有較明顯的提高，安全系數(shù)為1.23。

(4)運行期邊坡的穩(wěn)定性。在現(xiàn)狀水位下邊坡表層覆蓋層、滑帶及強風化巖體內(nèi)分布有大片的塑性區(qū)，為拉或壓剪屈服區(qū)。水庫蓄水至1 330m高程水位后，邊坡巖土體內(nèi)的孔隙水壓力增大，有效應力減小，淹沒在庫水位以下的坡體內(nèi)塑性區(qū)范圍有明顯增加;蓄水引起KB5滑坡體整體沿滑帶朝坡外變形，表層覆蓋層也產(chǎn)生順坡向的位移;邊坡安全系數(shù)為1.19。水庫蓄水后邊坡潛在的破壞區(qū)出現(xiàn)在KB5滑體部位與覆蓋層上部，由于邊坡前緣的壓坡和擋墻作用，使得處于極限失穩(wěn)狀態(tài)下的坡體前緣變形受到了很大的約束。

(5)地震、降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。受水平地震荷載的作用，滑坡區(qū)域產(chǎn)生了明顯的變位，整個滑體沿滑帶產(chǎn)生順坡向變形，位置在KB5滑坡體上部。地震工況下邊坡安全系數(shù)為1.09。降雨引起的坡體變形與邊坡地形和高度有關(guān)。D區(qū)邊坡遭遇強降雨，其影響區(qū)域主要集中在蓄水水位高程1 330m以上的淺部坡體。在降雨作用下，該部位表層覆蓋層和滑體整體向下變形，但位移較小，對整個邊坡的應力及塑性區(qū)分布影響不大。

4 結(jié)論與建議

從邊坡現(xiàn)狀分析，目前覆蓋層邊坡D區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不高;穩(wěn)定性主要受滑帶控制，在各種分析工況下邊坡潛在的失穩(wěn)區(qū)均位于表層覆蓋層和滑帶內(nèi)，破壞模式為沿滑帶滑動。天然狀態(tài)下D區(qū)的安全系數(shù)為1.08，在邊坡坡腳進行壓坡和施加擋墻后，安全系數(shù)達到1.23，邊坡整體穩(wěn)定性有了明顯提高。綜合宏觀地質(zhì)分析和三維數(shù)值分析結(jié)果，壩前左岸覆蓋層邊坡最可能的失穩(wěn)模式是一種遞進式的崩塌滑移破壞，水庫蓄水后若遭遇強降雨、地震等極端不利的情況，有可能出現(xiàn)大范圍的整體滑移，因此，加強邊坡的排水設(shè)施以及運行期邊坡的長期觀測十分必要。

［1］四川省雅礱江官地水電站可行性研究重編報告［R］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，2005.

［2］雅礱江官地水電站壩前左岸覆蓋層分布區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析報告［R］.成都:成都理工大學，中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，2007.

［3］金海元，溫森.阿海水電站左岸壩前堆積體邊坡穩(wěn)定性綜合研究［J］.水利水電技術(shù)，2008(5):16－19.

［4］陳祖煜.水利水電工程堆積體邊坡穩(wěn)定分析和工程措施研究［J］.貴州水力發(fā)電，2003(4):5 －10.