近壩庫(kù)岸古滑坡體穩(wěn)定性及其對(duì)大壩安全的影響研究

張 燚，印振華，張根全，彭森良

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051)

0 引 言

2018年7月底，老撾南部Xe-Pian Xe-Namnoy水電站發(fā)生潰壩事故，造成上百人死亡及重大經(jīng)濟(jì)損失，當(dāng)?shù)卣ㄟ^多方總結(jié)，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，決定對(duì)老撾全境的150多座水電站開展大壩安全檢查工作。南歐江六級(jí)水電站在已發(fā)電的水電工程中屬較大規(guī)模電站，為復(fù)合土工膜面板堆石壩，水庫(kù)庫(kù)容4.09×108m3，最大壩高85 m。在距離大壩600～800 m右岸的H4滑坡體約80萬m3，一旦失穩(wěn)，可能會(huì)危及大壩安全，造成重大事故。應(yīng)老撾政府的要求，對(duì)其穩(wěn)定性及其對(duì)大壩安全影響進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

本文通過定性評(píng)價(jià)、定量分析手段，建立起一套針對(duì)庫(kù)岸滑坡體失穩(wěn)對(duì)大壩安全影響研究的工作模式，得到了業(yè)主和老撾政府的肯定，在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ń梃b意義。

1 H4滑坡基本地質(zhì)條件

滑坡體距大壩600～800 m，滑坡分布高程485～603 m，寬約140 m，長(zhǎng)約300 m。滑坡上、下游邊界為沖溝，地貌沿坡向約分布有3個(gè)平臺(tái)，高程分別為590～595、545～550 m和500～505 m，原公路內(nèi)側(cè)(高程570 m)有季節(jié)性泉水出露，物質(zhì)組成較雜亂，滑坡體內(nèi)發(fā)育2條小的沖溝，有季節(jié)性流水[1]。

圖1 滑坡體分布示意

圖2 滑坡體地質(zhì)剖面

滑坡體厚度為17～20 m，滑坡體總方量約80×104m3，按滑坡體厚度和體積劃分，屬中層滑坡和中型滑坡[2]。滑坡體示意見圖1?；麦w地質(zhì)剖面見圖2。

2 滑坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 滑坡體穩(wěn)定的影響因素

2.1.1水的作用

(1)巖(土)體與水的相互作用造成的巖(土)體強(qiáng)度軟化效應(yīng)。水庫(kù)蓄水后，滑坡體前緣位于水下，巖土體在長(zhǎng)期浸潤(rùn)條件下，含水性提高，強(qiáng)度降低，尤其滑帶物質(zhì)的粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)水的敏感性較強(qiáng)，從而對(duì)滑坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3- 4]。

(2)懸浮減重作用。水庫(kù)蓄水時(shí)，滑坡體下部被淹沒，淹沒部分會(huì)產(chǎn)生浮力作用抵抗滑坡體的質(zhì)量，使得坡腳部分有效質(zhì)量減少，造成整個(gè)滑坡體的抵抗力變小，從而改變滑坡體的穩(wěn)定性態(tài)[3- 4]。

(3)水壓力作用。大約60%的水庫(kù)滑坡發(fā)生在庫(kù)水位驟降時(shí)期[5]，水位驟降引起坡體穩(wěn)定性的降低主要是由于坡體內(nèi)的滲透水壓力增大。庫(kù)水位驟然下降時(shí)，由于庫(kù)水位的突然降低，庫(kù)岸內(nèi)地下水位高于庫(kù)水位，地下水由滑坡體排出，較大的水深和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，從而引起老滑坡的復(fù)活和新滑坡的產(chǎn)生。如果滑坡體地下水排出較慢，地下水位下降嚴(yán)重滯后于庫(kù)水位，會(huì)形成較大的動(dòng)水壓力也會(huì)增大下滑力，引起滑坡發(fā)生[6]。對(duì)地下水富集地段的岸坡，由于水位的突然下降，一部分地下水排出，庫(kù)岸所受到的浮托力突然減小，致使庫(kù)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)度急劇降低而導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。

2.1.2地震作用

地震對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為地震慣性力和孔隙水壓力。由于地震動(dòng)作用引起的滑坡巖土體塑性破壞、孔隙水壓力累積上升及誘發(fā)滑坡體的軟弱層觸變軟化是導(dǎo)致滑坡地震失穩(wěn)的重要原因[7]。

3.2.2 不適宜處方。1）不適宜遴選藥品：例1患者女，44歲。診斷卵巢囊腫，附件炎，宮頸炎。處方：丹黃祛瘀膠囊1.2 g，一日三次，口服?？祴D消炎栓2.8 g，一日一次，肛塞。甘霖洗劑20 ml，一日一次，外洗。舒康凝膠劑5 g，一日一次，外用。分析甘霖洗劑只適用于外陰陰道炎，診斷疾病遴選藥不適合；2）用法、用量不適宜的例1患兒男，3歲。處方：蒲地藍(lán)消炎口服液10 ml，一日三次，口服。分析處方劑量為成人量，2歲兒童劑量偏大；3）重復(fù)給藥患兒女5歲，診斷咽炎處方：四季抗病毒口服液+金振口服液+小兒肺熱咳喘口服液+蒲地藍(lán)消炎口服液。分析相同成分藥品重復(fù)給藥。

2.2 蓄水后滑坡體變形失穩(wěn)模式預(yù)測(cè)

(1)滑坡體整體失穩(wěn)可能性評(píng)價(jià)?；麦w分布地段岸坡平緩，分布有多級(jí)平臺(tái)，組成物質(zhì)為散體結(jié)構(gòu)，易發(fā)生解體；滑坡體下部老滑動(dòng)帶巖土體處于天然飽水狀態(tài)，多呈塑性，其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度相差小，水庫(kù)蓄水后，滑坡體沿底界面產(chǎn)生整體高速滑動(dòng)的可能性很小。

(2)滑坡體局部變形失穩(wěn)模式預(yù)測(cè)。水庫(kù)蓄水后，滑坡前緣(現(xiàn)堆渣體至剪出口段)位于水下，由于岸坡水文地質(zhì)條件變化、水與土體相互作用等，前緣穩(wěn)定條件將變差，受水浪淘蝕等作用，會(huì)產(chǎn)生沖蝕型和塌岸型庫(kù)岸再造現(xiàn)象，前緣變形破壞臨空后，滑坡體失去支撐可能產(chǎn)生向滑坡體后部發(fā)展的牽引漸進(jìn)式破壞，從而有可能引起滑坡體的局部變形失穩(wěn)。

2.3 滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算

2.3.1計(jì)算模型

分別采用有限元強(qiáng)度折減法和安全系數(shù)法對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，并開展對(duì)比分析。其中，強(qiáng)度折減法采用ABAQUS軟件建立模型，通過對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的折減計(jì)算安全系數(shù)。安全系數(shù)法則采用Rocscience.Slide軟件，穩(wěn)定分析方法為摩根斯坦-普萊斯法，本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用沿原滑動(dòng)面的失穩(wěn)分析評(píng)價(jià)整體穩(wěn)定性，采用搜索滑面法來計(jì)算邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)。計(jì)算模型見圖3。

圖3 計(jì)算模型

2.3.2計(jì)算方法

坡體的穩(wěn)定性計(jì)算選擇在Ⅰ-Ⅰ剖面進(jìn)行，其平面位置圖和剖面圖分別見圖1、2。蓄水后對(duì)滑坡體穩(wěn)定產(chǎn)生的不利作用主要是水下部分的浮容重降低了滑坡體的自重，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性的改變。穩(wěn)定性分析主要按以下工況考慮：①基本組合(天然狀況)、②蓄水工況、③特殊組合1(蓄水工況+特大暴雨)、④特殊組合2(蓄水工況+地震工況)，根據(jù)這4種工況建立計(jì)算模型?？紤]古滑坡體在自然工況下整體穩(wěn)定，按安全系數(shù)1.1進(jìn)行參數(shù)反演，邊坡計(jì)算參數(shù)見表1。

2.3.3邊坡穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)

本工程等別為二等大(2)型。主要建筑物(擋水、泄洪、放空和引水發(fā)電建筑物)級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。按DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，該水庫(kù)邊坡屬B類Ⅱ級(jí)邊坡，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)見表2。

表1 邊坡計(jì)算參數(shù)

表2 邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

根據(jù)反演結(jié)果計(jì)算Ⅰ-Ⅰ′剖面的滑面在各種工況條件下的穩(wěn)定性。計(jì)算分析結(jié)果見表3。從表3可知：

表3 滑坡體穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果

(1)各種工況下，滑坡體整體處于穩(wěn)定。

(2)蓄水+暴雨工況下，滑坡體局部安全系數(shù)略低，最危險(xiǎn)滑面分布于高程508～545 m，估算方量約18萬m3。

(3)蓄水+地震工況下，滑坡體局部不穩(wěn)定，最危險(xiǎn)滑面分布于高程485～548 m，估算方量約25萬m3。

(4)采用強(qiáng)度折減法和安全系數(shù)法計(jì)算所得安全系數(shù)基本接近。

2.4 涌浪估算

滑坡體變形破壞后，滑體滑入水庫(kù)撞擊水體可能產(chǎn)生巨大涌浪，從而威脅水工建筑物和人員安全。由于滑坡體分布地段及其前緣地形較平緩，總體“臨空高度”不大，產(chǎn)生整體高速滑動(dòng)的可能性很小，其變形以牽引漸進(jìn)式破壞為主，且水庫(kù)正常蓄水條件下，前緣已位于水下，因此判斷涌浪不至于過大。

按中國(guó)水利水電科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式[8]，水庫(kù)滑坡的滑速和滑體的體積是影響涌浪高度的主要因素，其關(guān)系大致為

式中，ν為滑速；Vm為滑體體積；n、K1為參數(shù)，n=1.3～1.5，取1.4，K1取0.35。

根據(jù)計(jì)算成果，短暫及偶然工況條件下穩(wěn)定系數(shù)較低，因此對(duì)其涌浪進(jìn)行了分析。分別推算蓄水+暴雨和蓄水+地震工況下滑坡體局部變形產(chǎn)生涌浪引起的壩上浪高。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 推算壩上浪高成果

從表4可知，蓄水+暴雨工況下，當(dāng)滑速為3、5 m/s時(shí)，產(chǎn)生涌浪引起的壩上浪高分別為0.35、0.72 m；而蓄水+地震條件下滑坡體局部變形，產(chǎn)生涌浪引起的壩上浪高分別為0.42、0.87 m。根據(jù)涌浪分析結(jié)果，滑坡體局部失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪較低，遠(yuǎn)小于大壩的安全超高值，不會(huì)對(duì)壩體造成為危害。

3 結(jié) 語

在水庫(kù)蓄水過程中，庫(kù)區(qū)岸坡巖體地下水位會(huì)迅速抬高，水文地質(zhì)條件較天然情況也會(huì)有很大變化。筆者通過對(duì)南歐江六級(jí)水電站近壩庫(kù)岸H4滑坡體蓄水后的穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

(1)滑坡體在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)水庫(kù)蓄水后，滑坡體沿底界面產(chǎn)生整體高速滑動(dòng)的可能性很??；水庫(kù)蓄水古滑坡體前緣受水浪淘蝕等作用，會(huì)產(chǎn)生沖蝕型和塌岸型庫(kù)岸再造現(xiàn)象，滑坡體前緣變形破壞后，有可能產(chǎn)生向滑坡體后部發(fā)展的牽引漸進(jìn)式破壞，從而引起滑坡體的局部變形失穩(wěn)。

(3)各種工況下，滑坡體整體處于穩(wěn)定。在蓄水+暴雨和蓄水+地震工況下，滑坡體局部安全系數(shù)略低，滑坡體局部變形滑速總體較低，引起的壩上涌浪較低，不會(huì)對(duì)壩體造成危害。

(4)建議布置監(jiān)測(cè)儀器加強(qiáng)蓄水和運(yùn)行期間的巡視和觀測(cè)。對(duì)500～515 m高程棄渣前緣已變形的部分，建議適當(dāng)修整坡形或清除。