烏弄龍水電站庫區(qū)拉金神谷坡體變形成因機(jī)制分析

劉 昌，王林維，李樹武，胡 華，李少平

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710065)

0 引 言

反傾向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)巖質(zhì)斜坡是常見的斜坡結(jié)構(gòu)類型[1-2]。隨著我國大量水電工程的建設(shè)，這類坡體發(fā)生變形破壞的規(guī)模大(如錦屏二級水電站左岸的深部拉裂縫、龍灘水電站左岸的傾倒蠕變體等)，且變形成因機(jī)制復(fù)雜，演變過程隱蔽，坡體一旦失穩(wěn)，常具有突發(fā)性[3]。因此，有必要進(jìn)行該類斜坡變形成因機(jī)制以及穩(wěn)定性評價預(yù)測的研究。為此，本文以瀾滄江烏弄龍水電站庫區(qū)拉金神谷坡體變形破壞為例，對這類斜坡的變形成因機(jī)制進(jìn)行研究，并進(jìn)行穩(wěn)定性評價和預(yù)測。

拉金神谷坡體位于烏弄龍水電站水庫區(qū)右岸，距烏弄龍水電站大壩約24 km，水庫正常蓄水位1 906.00 m，水庫蓄水后坡體前緣水位上升約30 m。2018年11月7日電站開始下閘蓄水，2019年5月30日之后水庫水位經(jīng)過3次抬升至1 904.9 m高程，于2019年6月7日拉金神谷村居民所在坡體上部約2 312 m高程發(fā)現(xiàn)環(huán)狀裂縫，坡體開始變形，隨后在坡體近沖溝側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫，中部出現(xiàn)橫向裂縫。目前，頂部裂縫最大寬度約2.9 m，下錯高度最大約3.4 m，前緣的跨江索橋左岸橋墩已整體向左岸位移2.2 m。坡體一旦失穩(wěn)下滑，其產(chǎn)生的涌浪或水位壅高將對左岸二級公路及上下游居民安全產(chǎn)生較大影響。

1 坡體基本特征

坡體地貌形態(tài)總體呈扇形，頂部高程約2 800 m，前緣位于庫水位以下；2 500 m高程左右地形平緩，下部發(fā)育1條沖溝，變形區(qū)域位于2 312 m高程以下，被沖溝切割劃分為A、B兩個大區(qū)，上游為A區(qū)，下游為B區(qū)，根據(jù)地形地貌特征，將A區(qū)進(jìn)一步分為A1和A2兩個亞區(qū)。通過勘探、平剖面計算，坡體總體積約1 400萬m3坡體地形地貌見圖1。

圖1 坡體地形地貌

坡體表部覆蓋層發(fā)育，以塊碎石土為主，下伏基巖在坡體上部以侏羅系頁巖、粉砂巖、泥巖為主，中下部以二疊系砂巖、泥質(zhì)板巖為主，巖層軟硬相間，陡傾坡內(nèi)，正常巖層產(chǎn)狀N10°～20°E，NW∠70°～80°，江水流向S12°E，岸坡走向S8°E，為縱向谷、反向坡。坡體范圍內(nèi)有近EW向的石底斷裂、NNW向的茨姑斷裂和燕門-南路卡斷裂等3條區(qū)域斷裂通過。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，共發(fā)育5組結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面分組見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面分組

電站蓄水至正常蓄水位后，坡體區(qū)江水位由1 876 m 高程抬升至1 906 m高程，水位抬升了30 m，地下水位也相應(yīng)升高。根據(jù)勘探，抬升后的地下水位在坡體水平深度約300 m處與原始地下水位相接。

2 坡體變形特征

2.1 歷史變形

坡體地形地貌特征、勘探揭露情況均表明，該坡體歷史上發(fā)生過多期次滑移變形。坡體后緣自2 460～2 312 m高程邊坡較陡且地形整齊，坡度約45°左右，上游側(cè)突出山梁之下坡面整齊，呈圈椅狀地形。B區(qū)后緣有明顯的陡坡地形，上述特征明顯符合坡體下滑后形成的破裂壁。此外，在A區(qū)后緣附近地面分布有多級臺坎，表明坡體在歷史上曾發(fā)生過多期滑移變形。因此，從地形地貌上看，坡體符合滑坡的特征。

根據(jù)前緣鉆孔揭露，在碎石土和塊碎石層之下分布有粗砂夾卵礫石層，卵石的母巖巖性不一，低于蓄水前江面約3 m。結(jié)合現(xiàn)場地形特征，卵石來源可排除古河床成因。此外，坡體區(qū)也無溶蝕現(xiàn)象，也排除了溶洞內(nèi)填充砂、卵石的可能。深部被約40 m碎石土、塊碎石覆蓋的砂卵石為滑坡滑動過程中滑體物質(zhì)沖覆于瀾滄江河流堆積物之上形成，上部碎石土與砂卵礫石的接觸面即為坡體的歷史底滑面(帶)。鉆孔深部揭露的瀾滄江沖積砂卵礫石層是上覆土體歷史上發(fā)生過滑動破壞的最直接、最有力的證據(jù)。

勘察階段在坡體中后部及前緣進(jìn)行了2個平硐勘探， A區(qū)中后部底滑面(帶)以淺黃色泥質(zhì)為主，前緣則以灰黑色泥質(zhì)為主，粘粒含量較高，擠壓密實；B區(qū)前緣底滑面(帶)以青灰色碎塊石為主，泥質(zhì)含量相對較少，粘粒含量較低，結(jié)構(gòu)松散。上述特征均表明坡體在歷史時期已曾產(chǎn)生過滑移變形。

2.2 蓄水后變形

烏弄龍水電站下閘蓄水后，于2019年6月7日開始在坡體上部約2 312 m高程產(chǎn)生環(huán)狀裂縫，上、下游兩側(cè)一定范圍也產(chǎn)生了不連續(xù)的側(cè)向裂縫，隨著坡體持續(xù)變形，周邊拉裂縫進(jìn)一步延伸、貫通。目前，后緣裂縫最大寬度約2.9 m，下錯高度最大約3.4 m，坡體范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的縱向裂縫，中部出現(xiàn)2條延伸長120～150 m、寬15～20 cm的橫向拉裂縫，部分房屋開裂，跨江索橋右岸橋墩向左岸移動約2 m，導(dǎo)致橋面向上隆起。

根據(jù)觀測資料分析，坡體各部位變形總體向臨空方向，即N85°E～S70°E，其中A1區(qū)總體變形方向為垂直河流方向，A2區(qū)總體變形方向為垂直河流略偏下游方向，B區(qū)變形方向偏向上游沖溝臨空方向。

3 坡體成因機(jī)制分析

坡體區(qū)河谷演化過程整體上經(jīng)歷了寬谷期和峽谷期2個階段。在寬谷期，瀾滄江持續(xù)下切，且不斷向右岸侵蝕，因此在右岸形成了2 450 m高程以上的寬闊地形。進(jìn)入峽谷期后，地殼抬升及河流快速下切，形成的坡體地形較陡。上述河谷的演化形成了現(xiàn)在右岸坡體上緩下陡的地形特征。

經(jīng)詳細(xì)勘察，拉金神谷坡體演變主要經(jīng)歷了初始完整坡體→初期傾倒變形→變形持續(xù)發(fā)展→多次變形調(diào)整最終滑移4個階段。

3.1 歷史滑移

引起坡體滑移變形的因素很多，主要為地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖層傾倒折斷等。

(1)地形地貌條件。坡體上游為一突出山梁，下游受沖溝切割影響，形成三面臨空的地形，為早期岸坡巖體的傾倒變形提供了空間條件。地質(zhì)歷史時期，隨著地殼的抬升和瀾滄江河谷的下切，由于坡體位于易受沖蝕的凹岸，長期受江水淘刷，逐漸形成高陡的地形，使巖體臨空，原有的應(yīng)力平衡被破壞。坡體在自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、地震力等多種應(yīng)力的綜合作用下，向臨空方向產(chǎn)生變形調(diào)整。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，拉金神谷坡體范圍內(nèi)發(fā)育3條規(guī)模較大的區(qū)域斷裂，這3條斷裂相互切割、錯斷。下伏基巖巖性復(fù)雜，斷層、裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，為坡體滑動變形提供了物質(zhì)條件。

(3)巖層傾倒。岸坡出露的巖性有侏羅系花開左組紫紅色砂巖、板巖、頁巖、泥巖等；二疊系灰、深灰色砂巖、板巖、侵入巖等。巖層產(chǎn)狀為N10°～20°E，NW∠70°～80°，陡傾岸內(nèi)，走向與岸坡夾角較小(18°～28°)，為逆向坡，軟硬相間的層狀巖體受層面或其他結(jié)構(gòu)面切割，以“板梁”的形式賦存于坡體之中，在坡體表部最大主應(yīng)力作用下，向河谷方向發(fā)生彎曲傾倒，持續(xù)變形折斷。

(4)坡體中后緣順坡向斷層為巖層傾倒提供了分離面。在A區(qū)2 098 m高程的平硐主洞242～245 m段及支洞35～36 m段揭露的斷層F1，產(chǎn)狀N22°～25°W，NE∠50°～64°，走向與坡向近平行，傾岸外，斷層帶寬約1～3 m，帶內(nèi)充填灰白色泥質(zhì)及糜棱巖，兩側(cè)影響帶寬約3～5 m，巖體破碎，巖層有明顯揉皺現(xiàn)象。該斷層發(fā)育于坡體后部，中陡傾坡外，規(guī)模較大，斷層的作用導(dǎo)致了坡體中后部巖體完整性變差，降低了巖體的力學(xué)性質(zhì)，使該部位的巖體成為傾倒或滑移破壞的薄弱部位，為坡體下伏巖體產(chǎn)生傾倒變形提供了分離面。坡體折斷面(帶)貫通—滑移示意見圖2。

圖2 坡體折斷面(帶)貫通—滑移示意

(5)折斷面(帶)貫通并產(chǎn)生滑移破壞。眾多巖質(zhì)邊坡中，由于原生地質(zhì)成因或后期內(nèi)外動力地質(zhì)改造作用，常常于坡體內(nèi)形成走向平行于坡面的陡、緩2組斷續(xù)結(jié)構(gòu)面，這2組結(jié)構(gòu)面的存在對反傾岸坡傾倒變形具有極大的影響[4]。邊坡在傾倒的同時，伴隨有坡體沿坡內(nèi)順傾結(jié)構(gòu)面的滑移變形，當(dāng)傾倒達(dá)到一定程度時，坡體將最終沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移破壞[5]。從勘探揭露情況看，鉆孔及平硐中同時揭露了滑動帶和巖體的折斷帶，表明坡體在傾倒變形持續(xù)發(fā)展的過程中，形成了多期(次)的折斷帶，當(dāng)坡體變形發(fā)展至一定程度，巖體沿上部的強(qiáng)傾倒折斷帶貫通后產(chǎn)生滑移破壞并形成目前的底滑面(帶)，而底滑面(帶)下部仍殘留有傾倒的巖體和折斷帶。對坡體主要發(fā)育的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行組合分析認(rèn)為，①、②組與邊坡整體走向近平行且傾坡內(nèi)，不能直接構(gòu)成邊坡的潛在滑移面；③、④組結(jié)構(gòu)面走向與邊坡大角度相交，且分別分布于坡體兩側(cè)，可能形成坡體的側(cè)裂面；⑤組為中～緩傾結(jié)構(gòu)面，走向與邊坡近平行傾坡外，延伸較短，可追蹤折斷面(帶)并形成貫通性滑移面產(chǎn)生滑移破壞。

3.2 變形成因機(jī)制

拉金神谷坡體自2019年6月坡體出現(xiàn)變形開始，至2019年8月底逐漸趨于收斂。其變形過程基本上劃分為啟動、加速滑移、減速并趨于收斂3個階段。

第1階段?；麦w受到內(nèi)、外部因素的強(qiáng)烈影響，坡體后緣產(chǎn)生拉張裂縫，同時由于剪切變形加劇以及良好的臨空條件，坡腳出現(xiàn)局部變形。坡體變形的第1階段見圖3。

圖3 坡體變形的第1階段

第2階段?；w在啟動加速度作用下獲得初始滑速，滑體后緣變形速度持續(xù)增加，前緣堆積體不斷受到后緣物質(zhì)擠壓和推動，后緣環(huán)形拉裂縫形成，坡體有產(chǎn)生裂縫的趨勢。坡體變形的第2階段見圖4。

圖4 坡體變形的第2階段

第3階段。受地形條件限制，滑坡體從后緣啟動，變形逐漸發(fā)展至地形略緩的中部，坡體產(chǎn)生縱、橫拉裂縫，并不斷克服土體的抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生明顯裂縫，運動速率有所降低，進(jìn)入減速階段并逐漸趨于收斂。坡體變形的第3階段見圖5。

圖5 坡體變形的第3階段

水庫蓄水后，庫水位由1 876 m高程蓄水至1 906 m高程，水位上升了30 m。受地下水位抬升影響，坡體前緣水下部分產(chǎn)生懸浮減重效應(yīng)，阻滑段滑體的有效重度減??；前緣部分底滑面(帶)、碎石土軟化，抗剪強(qiáng)度參數(shù)大大下降，滑面上的有效應(yīng)力減少或抗滑阻力減少[6]，坡體在重力作用下產(chǎn)生沿既有的滑移面產(chǎn)生整體變形調(diào)整，造成坡體后緣、側(cè)緣拉裂，坡面形成多條張拉裂縫和剪切縫。因此，水庫蓄水是本次坡體再次產(chǎn)生調(diào)整變形的主因。

4 穩(wěn)定性評價

對滑坡體穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行計算分析[7]，分別沿底滑面(帶)與傾倒折斷面(帶)進(jìn)行穩(wěn)定性計算。巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值見表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值

經(jīng)計算，坡體在蓄水后沿底滑面(帶)在正常工況下整體安全系數(shù)為1.036～1.101，下游突出山梁A2區(qū)及B區(qū)安全系數(shù)較高，暴雨工況下安全系數(shù)為1.03～1.09，地震工況下安全系數(shù)為0.99～1.04，基本上處于極限平衡狀態(tài)。沿下部傾倒折斷面(帶)正常工況下整體安全系數(shù)為1.189～1.483，暴雨工況下安全系數(shù)為1.18～1.39，地震工況下安全系數(shù)1.13～1.34，表明坡體沿下部傾倒折斷面(帶)整體是穩(wěn)定的。從計算結(jié)果分析，滑坡整體失穩(wěn)下滑的可能性不大，但滑坡前緣臨水局部岸坡仍存在調(diào)整變形，破壞形式以局部解體坍塌為主。

5 變形趨勢分析

從監(jiān)測成果分析，坡體變形總體上經(jīng)歷了加速變形→平穩(wěn)變形→減速變形→趨于收斂4個階段。自2019年6月22日監(jiān)測以來至2019年7月6日坡體處于加速變形狀態(tài)，Vmax=2.92 mm/h，日變形量最大為70 mm；2019年7月6日～2019年8月5日處于平穩(wěn)變形狀態(tài)，Vmax=2 mm/h，日變形量最大為48 mm；2019年8月5日～27日處于減速變形狀態(tài)，V=1～0.5 mm/d； 2019年8月27日以后逐漸趨于收斂狀態(tài)，V=0.1～0.2 mm/d。2020年以來各GNSS監(jiān)測點平均變形速率已降為0.08 mm/d。坡體變形速率變化過程見圖6?？傮w上看，坡體蠕滑變形速率已小于0.2 mm/d，持續(xù)時間已近12個月，可判定其整體變形趨于收斂。

圖6 坡體變形速率變化過程

綜合分析認(rèn)為，當(dāng)坡體下錯滑落后，上部的重量減小，重心降低，下滑力減小，坡體變形趨于收斂；另 一方面，由于坡體滑面中段為巖塊被剪斷構(gòu)成的呈臺階狀，當(dāng)繼續(xù)向下沿臺階狀剪切時，可能遇有大的臺階而逐漸停止下來[3]。

6 結(jié) 語

本文基于烏弄龍水電站庫區(qū)拉金神谷坡體蓄水后變形情況，對其成因機(jī)制與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)從地形地貌上看，拉金神谷坡體為滑移后形成的典型地形；坡體表部分布有較厚的碎石土層，下伏基巖受區(qū)域斷裂影響，巖性復(fù)雜，斷層、裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，構(gòu)成了坡體變形的主要物質(zhì)基礎(chǔ)；高陡的反向坡體使巖層傾倒折斷并追蹤傾坡外的中緩結(jié)構(gòu)面形成貫通的滑移面，最終滑移形成滑坡。

(2)水庫蓄水后，受地下水位抬升、坡體前緣部分底滑面(帶)、碎石土軟化等因素影響，坡體在重力作用下沿既有的滑移面產(chǎn)生整體變形調(diào)整。

(3)目前，在坡體中部、下游臨沖溝側(cè)形成許多弧形和縱向裂縫，水泥路面大部分拉開，部分房屋開裂，應(yīng)力逐步在調(diào)整釋放。多種方法監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，目前坡體變形速率減緩，整體變形已趨于收斂。