某滑坡體的形成機制、穩(wěn)定性分析及治理方案

張宇 姜湘蘭 陳新 李尚高

某滑坡體的形成機制、穩(wěn)定性分析及治理方案

張宇 姜湘蘭 陳新 李尚高

云南省瀾滄江托巴水電站廠房出水口對岸存在一大型滑坡體S0，總方量約260萬m3。由于該滑坡體距大壩泄洪建筑物及電站尾水出口較近，因此，滑坡體的穩(wěn)定性如何，是否會給電站建設(shè)及運行帶來安全隱患，成為該水電站建設(shè)期必須解決的工程技術(shù)問題。通過深入研究S0滑坡體空間分布特征、性狀、形成機制，同時采用極限平衡等分析方法，得出滑坡體在各種工況下可能存在的不穩(wěn)定滑塊，并在此基礎(chǔ)上采用多種支護(hù)形式進(jìn)行針對性治理，從而為其它類似工程的穩(wěn)定分析與治理提供借鑒。

托巴水電站 滑坡體 形成機制 穩(wěn)定性分析 治理方案

托巴水電站為云南省境內(nèi)瀾滄江上游河段的第4個梯級電站，壩址位于云南省迪慶州維西縣中路鄉(xiāng)的瀾滄江干流上。大壩為混凝土重力壩，最大壩高158.0 m，總裝機容量1 400.0 MW，屬一等大（1）型工程。在壩址左岸下游河流拐彎處分布S0滑坡體，距壩線350～800 m，總方量約為260萬m3，為一大型滑坡體。該滑坡距壩線較近，且位于大壩泄洪影響區(qū)及廠房尾水的對岸，因此，S0滑坡體的形成機制、各類工況下的穩(wěn)定性以及處理方案，關(guān)系到托巴水電站建成后運行的安全性。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)條件概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)及地震

滑坡區(qū)屬青藏高原東南緣橫斷山區(qū)，位于唐古拉—蘭坪—思茅地槽褶皺系內(nèi)，區(qū)內(nèi)地層以上古生界和中生界地層分布較為廣泛。區(qū)內(nèi)構(gòu)造痕跡以呈近SN和NNW向展布的斷裂構(gòu)造為主，自更新世中、晚期以來，新構(gòu)造運動以地殼的大面積間歇性抬升為主?；聟^(qū)50年基準(zhǔn)期超越概率10%的地震動峰值加速度為0.113g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

1.2 滑坡區(qū)地形地貌

滑坡區(qū)整體表現(xiàn)為高山峽谷地貌，河谷深切，水流湍急?；麦w沿河長約430 m，分布高程1 620～1 845 m，后緣邊界呈弧圈形，下游側(cè)邊界見完整的基巖，中部為一緩坡平臺，前緣延伸至河床，沿河水邊線未見基巖出露。該滑坡體地形呈現(xiàn)上、下部較陡，中部較緩的特點，高程1 680 m以下地形坡度為45°左右，高程1 680～1 715 m為22°左右，高程1 715～1 776 m為33°左右。

1.3 滑坡區(qū)地層巖性

滑坡區(qū)下伏地層為印支期灰綠色細(xì)粒至中粒狀基性輝長巖，上覆地層為崩坡積物、滑坡堆積物及沖洪積物。其中，崩坡積物主要分布于滑坡體后緣，成分為塊石、碎石及粉質(zhì)黏土；滑坡堆積物分布于滑坡區(qū)，成分為塊石、巨石、碎石及粉質(zhì)黏土，部分巨石保持原巖結(jié)構(gòu)；沖洪積物分布于滑坡體前沿河床部位，成分為砂卵礫石、漂石等。

1.4 滑坡區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場擠壓應(yīng)力方向為NNW到近SN向，下伏的輝長巖等侵入巖的后期進(jìn)一步隆起與近SN、NNW向的構(gòu)造擠壓形跡明顯，形成了一系列因隆起擠壓產(chǎn)生的壓性（壓扭性）緩傾角結(jié)構(gòu)面和近EW、NW、近SN向的陡傾角結(jié)構(gòu)面。

1.5 滑坡區(qū)水文地質(zhì)條件

滑坡區(qū)未見地表水及地下水露頭，地下水主要接受大氣降水補給，滑坡體前沿的瀾滄江是區(qū)內(nèi)地下水的最低排泄基準(zhǔn)面?；麦w范圍地下水的埋深為0～110 m，根據(jù)勘探平洞揭示，洞室內(nèi)一般較濕潤，局部見滴水，但未見流水?；瑤镔|(zhì)手感濕潤，用手搓揉有濕滑感。

2 滑坡的基本特征

2.1 滑坡體的空間形態(tài)及規(guī)模

滑坡體平面形態(tài)較規(guī)則，呈扇型展布，順河向長約480 m，前沿伸至河床，高程1 587 m；后緣被崩塌堆積物覆蓋，高程1 840 m，前后緣相對高差約250 m?；麦w地形呈現(xiàn)上、下部較陡，中部較緩的特點。

通過對S0滑坡體進(jìn)行鉆探、洞探及物探等勘探工作，初步確定滑坡體的形態(tài)及規(guī)模，如圖1及圖2所示?；麦w厚度呈兩側(cè)薄、中部厚的“船”形特征，水平厚度一般為40～78 m，平均鉛直厚度約26 m，面積約10.0萬m2，體積約260.0萬m3。

圖1 S0滑坡體平面圖

圖2 S0滑坡體剖面示意圖

2.2 滑坡體的物質(zhì)組成及其特征

根據(jù)滑坡體的勘探平洞及鉆孔揭露，滑體的物質(zhì)組成在空間分布上具有明顯的差異性，如圖3所示?；瑤б陨衔镔|(zhì)主要分為三部分，從地表往下分別為：①層的碎塊石、塊石夾粉質(zhì)黏土；②層的基本保持原巖結(jié)構(gòu)的輝長巖；③層的巨石、塊石、碎石及少量灰色泥，局部巖體保持原巖結(jié)構(gòu)。其中滑體后部主要為①層物質(zhì)，為后緣滑壁輝長巖風(fēng)化、卸荷崩塌堆積而成；滑體中部為①、③層物質(zhì)；滑體前部包含①、②、③層物質(zhì)，其中②層物質(zhì)的中后部夾于①層與③層之間，后緣分布高層至1 670 m，其前沿則伸入滑坡體前端瀾滄江左岸的河床沖洪積物下部，下伏完整的弱風(fēng)化輝長巖。

2.3 滑帶的物質(zhì)組成及其特征

根據(jù)滑坡體的勘探平洞揭露，滑帶厚度為0.5～1 m，為清淅完整的滑移面。滑坡體與基巖接觸面產(chǎn)狀為N38°～50°W，SW∠29°～70°（綜合傾角36°），接觸面由NW向中傾角、陡傾角兩組結(jié)構(gòu)面組成，為一復(fù)合面?；瑤в苫野咨珟r屑、碎石及少量泥組成，泥質(zhì)膠結(jié)。該帶明顯受動力地質(zhì)作用，輾磨充分，為應(yīng)力集中帶。由于滑坡形成時間較早，滑帶土具半固結(jié)—固結(jié)狀態(tài)，密實，濕潤，遇水易軟化。

根據(jù)滑坡體11個勘探鉆孔及4個平洞資料揭示，S0滑坡體未見有2層或2層以上的滑帶土分布，說明該滑坡僅有唯一的滑移面。

3 滑坡形成機制淺析

（1）滑坡區(qū)第四紀(jì)以來地殼主要表現(xiàn)為間歇性的強烈抬升，河流沖刷切割速率較快，致使地形較陡峻，為滑坡形成提供了臨空面和滑動空間。

（2）滑坡體后緣山體卸荷作用明顯，巖體完整性較差，巖石在長期風(fēng)化剝蝕、卸荷和自重作用下，不斷往下剝落，后緣地表的崩坡積物覆著在滑坡體上，滑體自身重量不斷增加。

（3）滑坡體所處岸坡巖體中存在NW、NEE及NE向結(jié)構(gòu)面，NEE及NE向結(jié)構(gòu)面為陡傾結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成橫向切割面；NW向結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，順坡向，由中傾角和陡傾角二組結(jié)構(gòu)面組成，陡傾結(jié)構(gòu)面傾角為64°～78°，中傾結(jié)構(gòu)面傾角為29°～44°，構(gòu)成滑坡體的底滑面。各結(jié)構(gòu)面連通性較好。

（4）在特定的外部條件，如持續(xù)暴雨作用下，碎裂巖體易達(dá)到飽和，增加巖體重量，降低結(jié)構(gòu)面（滑帶）的力學(xué)強度，加之前緣的沖刷使原始岸坡下部形成臨空面，具有足夠的下滑勢能，誘發(fā)滑坡的形成。

（5）地震的發(fā)生也可能是滑坡形成的誘發(fā)因素之一。

（6）該滑坡為短程滑動的推移式座滑體，前緣伸入河床，受河床基巖的反作用力抵消下滑動能。

4 滑坡體的穩(wěn)定性分析

4.1 滑坡穩(wěn)定性宏觀地質(zhì)分析

根據(jù)滑坡近年來的變化情況，滑坡未出現(xiàn)大面積復(fù)活的跡象，滑體亦未見有貫通性好、連續(xù)性好的拉裂縫及鼓脹裂隙。最近2年，7、8月份均有連續(xù)降雨一星期以上的自然氣候條件，降雨量大，但滑坡整體未出現(xiàn)位移，僅前沿局部有小規(guī)?？逅F(xiàn)象?；聟^(qū)地震記錄甚少，但近期最大一次地震發(fā)生于1996年的云南麗江7.0級地震，據(jù)滑坡體距離110 km，波及到工程區(qū)烈度為Ⅵ度，滑坡體亦未出現(xiàn)明顯的變形。

綜上宏觀判斷，S0滑坡體在天然狀態(tài)和暴雨狀態(tài)下總體是基本穩(wěn)定的，地震工況也無變形跡象。4.2滑坡穩(wěn)定性計算

4.2.1 物理力學(xué)參數(shù)的分析與選用

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場原位試驗成果，結(jié)合工程類比、參數(shù)反演等方法，分析確定滑坡體的物理力學(xué)參數(shù)。計算采用的滑坡體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 滑坡體分區(qū)及材料參數(shù)

4.2.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果與分析

利用Bishop、Morgenstern-Price極限平衡分析方法及剩余推力法計算滑坡體中部代表剖面B，采用基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率10%，設(shè)計基本地震加速度值為0.113g。選用孔隙水壓力系數(shù)法，天然工況認(rèn)為排水有效，即孔隙水壓力系數(shù)為0.05；暴雨工況下，孔隙水壓力系數(shù)為0.15。

根據(jù)相關(guān)建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和邊坡的重要性，按照DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》的級別劃分規(guī)定，按A類Ⅱ級邊坡設(shè)計安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具體取值如表2所示。

表2 邊坡抗滑穩(wěn)定荷載組合和安全系數(shù)

對滑體各個區(qū)域及全局進(jìn)行最危險滑面搜索，分別得到不滿足設(shè)計安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及潛在滑塊部位，見圖3，計算結(jié)果列于表3。

如上所示，S0滑坡體上部及中部出現(xiàn)2個潛在滑塊，上部滑塊位于高程1 765～1 965 m，單寬滑體大小約5 312 m3/m。滑面較為平緩、大致與坡面平行，滑坡體和剪出口為平緩型；下部滑塊位于高程1 711～1 875 m，單寬滑體大小約6 426 m3/ m?；娲蟛糠诌^古滑帶上部，在滑坡體中部順層剪出，滑面上緣較陡，滑體總體較為平緩。兩滑塊自然狀況下穩(wěn)定，暴雨和地震工況對其安全性的影響較大，計算結(jié)果不滿足設(shè)計要求，需要進(jìn)行加固處理。以古滑帶為基礎(chǔ)對滑坡體自身穩(wěn)定性進(jìn)行計算，其穩(wěn)定性相對較佳，滑坡體整體下滑可能性不大，且其已經(jīng)下臥到河床內(nèi)，河床基巖亦對滑體存在反作用力，阻擋其整體下滑。

圖3 S0滑坡體潛在滑塊示意圖

表3 穩(wěn)定性計算安全系數(shù)結(jié)果

由上述計算分析表明，S0滑坡體在自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，整體失穩(wěn)的可能性較小。暴雨及地震工況下，滑坡體中上部安全系數(shù)不滿足設(shè)計要求，且由于其位于大壩泄洪影響區(qū)及廠房尾水的對岸，泄洪及廠房尾水對其穩(wěn)定性均有影響，需對邊坡中上部進(jìn)行支護(hù)處理，并對下部進(jìn)行防護(hù)處理，防止廠房尾水對其沖刷淘蝕形成臨空面。

5 滑坡體的治理方案

S0滑坡體自然邊坡整體穩(wěn)定，局部地段坡體安全系數(shù)偏低。為充分發(fā)揮巖體的自穩(wěn)能力，采取盡量不擾動坡體，局部針對性地維護(hù)和加強巖體本身強度的工程措施。依據(jù)上述計算結(jié)果及分析，滑坡體不穩(wěn)定滑塊主要分布于中上部，設(shè)置抗滑樁應(yīng)能兼顧2個區(qū)域的不穩(wěn)定滑塊。依據(jù)《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計技術(shù)要求》，抗滑樁的位置應(yīng)設(shè)置在剩余推力減少的區(qū)域。根據(jù)上述計算成果2個不穩(wěn)定滑塊的剩余推力降低的公共區(qū)域在滑坡體高程1 765～1 806 m，由此確定滑坡體加固措施的設(shè)計范圍如圖4所示。經(jīng)過綜合分析比較，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定加固。分析表明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁應(yīng)提供2 800 kN/m的抗力，即能達(dá)到設(shè)計的穩(wěn)定性要求，因此，在高程1 775 m和1 805 m處設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，抗滑樁樁身斷面尺寸為5.0 m×7.0 m（寬×高），水平間距10 m，樁長35～55 m，入巖深度為樁全長的1/4～1/3，2排抗滑樁提供2 800 kN/m的抗力后，計算結(jié)果見表4。

圖4 S0滑坡體加固措施布置圖

表4 邊坡加固穩(wěn)定計算安全系數(shù)結(jié)果

此外，為防止大壩泄洪產(chǎn)生的霧化影響以及泄洪高速水流對S0滑坡體坡腳的淘刷，進(jìn)而危及邊坡穩(wěn)定，必須對霧化影響區(qū)坡面及坡腳進(jìn)行有效的表面保護(hù)。擬采取以下處理措施：考慮到正對電站廠房尾水出口，高程1 640 m以下水流流速較大且位于滑坡體的坡腳，對于該部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_挖后，采用1.5 m厚鋼筋混凝土面板進(jìn)行襯護(hù)，并布置1排長55～60 m深入完整微風(fēng)化巖體的預(yù)應(yīng)力錨索，同時下部設(shè)1排深20 m的鋼筋樁。

S0滑坡體上沿江公路以及抗滑樁的施工，一定會破壞原狀坡的結(jié)構(gòu)，暴雨工況下的水土流失將會比較嚴(yán)重，因此，擬在滑坡體上施工區(qū)進(jìn)行植草皮護(hù)坡，重要部位設(shè)置網(wǎng)格梁，減少水土流失，增強邊坡穩(wěn)定。對坡面凸體部分進(jìn)行局部適當(dāng)挖除，以使坡頂連接平順并滿足穩(wěn)定要求。地下水對滑坡體的影響較大，完善坡面截排水系統(tǒng)，地表采用排水洞+排水幕的防、截、排水體系。

6 結(jié)論與建議

本文以云南省瀾滄江托巴水電站S0滑坡體為例，研究水電工程中對電站建設(shè)、運行存在隱患的大型滑坡的研究及設(shè)計思路：

（1）分析滑坡體的地形地質(zhì)特征，進(jìn)行針對性的勘探，初步確定其形成機制，宏觀判斷滑坡體可能的失穩(wěn)模式及變性特點。

（2）采用極限平衡等分析方法，隨機搜索不穩(wěn)定滑塊的出露部位，以確定潛在的不穩(wěn)定塊體。

（3）根據(jù)潛在的不穩(wěn)定滑塊的分布特征，采用多種支護(hù)形式有針對性地確定滑坡體工程治理措施的實施區(qū)域。

（4）建議認(rèn)真做好監(jiān)測工作，重點監(jiān)測施工過程中和電站運行期滑坡體的位移、變形、地下水等動態(tài)變化情況。

[1]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理方法程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

張宇 男 工程師中國水電集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司湖南長沙 410014

姜湘蘭 女 高級工程師中國水電集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司湖南長沙 410014

陳新 男 助理工程師中國水電集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司湖南長沙 410014

李尚高 男 教授級高級工程師中國水電集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司湖南長沙 410014

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2015-03-18）