西藏某水電站近壩庫岸滑坡穩(wěn)定性分析與評價

曾榮福， 肖萬春， 史國坤

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

我國自20世紀80年代以來，滑坡災害呈逐年加重的趨勢，到目前為止，凡是有工程活動的山嶺地區(qū)，幾乎都有滑坡災害發(fā)生，滑坡給人民生命財產(chǎn)造成極大的損失，而且嚴重影響水庫、電站等基礎(chǔ)設(shè)施的安全運營。

水庫庫岸穩(wěn)定性[1-6]與水庫蓄水及水位變化及水庫長期浸泡有很大的關(guān)系，水庫在蓄水過程中，水位的上升或下降逐漸改變庫岸邊坡的水位埋深，同時土質(zhì)邊坡受庫水影響，土體物理力學性質(zhì)逐漸改變，影響著庫岸土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。水庫蓄水后，由于水位上下變動或因風浪作用，對庫岸邊坡不斷掏蝕、沖刷，使水面附近的岸坡被掏空，上部的巖土體失去支撐，就會發(fā)生庫岸局部塌岸再造或滑坡。

本文以西藏某水電站工程為背景，針對近壩庫岸堆積體邊坡的變形現(xiàn)狀，通過勘探、物探、試驗及變形監(jiān)測[7-9]資料，對滑坡堆積體變形破壞機制[10-12]及成因[13-14]進行了分析，對滑坡堆積體在不同工況下，通過采用極限平衡法及有限元[15]強度折減法進行穩(wěn)定性計算[16]分析，驗證了滑坡堆積體的變形破壞形式與變形監(jiān)測相吻合。

因滑坡堆積體規(guī)模巨大，距壩較近，其穩(wěn)定性對電站安全運行有重大影響。因此研究該滑坡堆積體穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 基本地質(zhì)條件和物質(zhì)組成

西藏某水電站滑坡地處庫區(qū)右岸，其下游邊界距壩軸線約2.0 km，呈三角扇形分布，分布高程3 369 m～3 725 m，高差356 m，面積約0.22 km2，最大厚度約70 m，體積約865×104m3。電站于2015年11月下閘蓄水至死水位，12月中旬堆積體出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象，滑坡堆積體下游側(cè)前緣局部出現(xiàn)多條橫向裂縫，中上游側(cè)局部呈圈椅狀，后緣及上下游側(cè)出現(xiàn)不連續(xù)小型張裂縫，隨變形發(fā)展，各裂縫逐漸加寬，后緣延伸連續(xù)呈圈椅狀并形成錯臺，至裂縫全貫通。

1.1 基本地質(zhì)條件

(1) 地形地貌。如圖1所示，在平面圖上，該滑坡堆積體呈三角扇形，由上游側(cè)沖溝及下游側(cè)基巖山脊與扎曲河流相互所圍成的界限，其中上游側(cè)沖溝切割山體深度為5 m～30 m；從縱向上看，滑坡堆積體呈現(xiàn)為較為典型的陡-緩-陡地形地貌特征，在3 660 m高程以上，堆積體后緣基巖地段地形坡度為40°左右； 3 660 m ～3 520 m高程之間堆積體總體坡度為20°，其中堆積體上部3 620 m高程一帶有一小緩坡平臺，地形坡度約3°～10°；3 520 m～3 500 m高程一帶為寬緩平臺(坡度4°)，平臺長度90 m，寬度60 m左右；3 500 m以下地形較陡，坡度為35°～50°。向下游方向，中部緩坡逐步降低(地形坡度約20°)，到居民點緩坡平臺高程為3 440 m，平臺長度90 m，寬度50 m左右。

圖1 滑坡堆積體工程地質(zhì)平面圖

(2) 地層巖性和構(gòu)造。與滑坡堆積體有關(guān)的地層主要為侏羅系下統(tǒng)査郎嘎組(J1ch)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。堆積體分布區(qū)大型斷層及褶皺構(gòu)造不發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為N45°～78°W，NE∠50°～70°，巖層傾向上游偏左岸，為斜—順向坡。其他次級構(gòu)造以層間擠壓錯動帶和節(jié)理裂隙為主。節(jié)理裂隙以陡傾垂直巖層面者較為發(fā)育，一般延伸5 m～20 m。

(3) 水文地質(zhì)條件?；露逊e體無泉水出露，水庫蓄水前河水位高程為3 369 m左右，目前水庫蓄水至3 418 m高程，堆積體處水位抬高了約49 m，約占整個堆積體高度的1/5。根據(jù)鉆孔揭示，堆積體前緣地下水位受庫水控制，基本與庫水持平，中、后部堆積體底界高于地下水位，地下水位于基巖內(nèi)，水力坡降為4%左右。

1.2 物質(zhì)組成

根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆孔揭露，堆積體鉛直厚40 m～68 m。主要由①粉土質(zhì)礫、②碎石混合土、③混合土塊碎石、④孤塊石層、⑤層狀巨塊石及⑥砂卵礫石層等組成，整體結(jié)構(gòu)較為緊密；滑帶土主要為②碎石混合土，前緣接觸帶處于飽和狀態(tài)，后緣接觸帶處于非飽和狀態(tài)；下伏基巖主要為侏羅系下統(tǒng)查郎嘎組(J1ch)紫紅色泥巖與石英砂巖互層。根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖(見圖2)，堆積體與基巖接觸面形態(tài)為斜坡形態(tài)，坡度約23°左右。

圖2 滑坡堆積體典型地質(zhì)剖面(A-A′)圖

2 滑坡堆積體成因

根據(jù)地形地貌、巖土體結(jié)構(gòu)及其分布特征來判別，該堆積體屬于老滑坡堆積體，可能經(jīng)歷過二次滑坡。

首次滑坡成因，當扎曲河下切至高程約3 350 m時，臨河地形條件較陡，邊坡巖性主要為泥巖，巖體質(zhì)量軟，河床至一級坡肩高程差為460 m左右。由于邊坡為順向至斜向坡，巖層傾角為中陡傾，且構(gòu)造擠壓作用強烈，巖石風化強烈，節(jié)理較為發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，全風化與強風化巖體深度大，邊坡穩(wěn)定條件差。在地震、降雨等條件下，造成了邊坡巖土體的失穩(wěn)，并發(fā)生了首次巨大規(guī)模的滑坡現(xiàn)象，形成了規(guī)模巨大的滑坡堆積體?；麦w前緣寬度約500 m，滑坡體的后緣高程約3 820 m，滑坡體中部約3 620 m高程形成了緩坡平臺，形成的滑坡后壁高度約200 m。

再次滑坡成因，首次滑坡前緣延伸至河床，并覆蓋在河床的砂卵石上，抬高河床或堵塞河床。后來，河床經(jīng)過了下蝕、側(cè)蝕作用，首次滑坡體的前緣被下蝕、側(cè)蝕切腳，岸坡變陡，邊坡不穩(wěn)定，在地震、降雨等條件下誘發(fā)，在首次滑坡成因的滑坡體上，發(fā)生了再一次滑坡?；麦w前緣延伸至河床，滑坡體后緣高程約3 600 m，并在滑坡體中部高程約3 510 m及3 440 m形成了較大的緩坡平臺，形成的滑坡后壁高度約90 m。再次滑坡后，滑坡堆積體前緣又經(jīng)過河流的下蝕、側(cè)蝕作用改造，最終形成了現(xiàn)今的地形地貌。

自電站蓄水位至3 413 m后，堆積體產(chǎn)生了蠕滑現(xiàn)象，在老滑坡堆積體的周邊形成了貫通性的張裂縫，目前滑坡堆積體還在繼續(xù)變形中，但變形速率在逐漸減小。

3 滑坡堆積體變形跡象及監(jiān)測

3.1 滑坡堆積體變形跡象

水庫蓄水后，堆積體前緣岸坡出現(xiàn)裂縫，沖溝內(nèi)的后緣邊坡區(qū)域沿基巖與覆蓋層接觸帶可見多條裂縫，裂縫呈羽狀多級展布，大部分裂縫發(fā)育方向與溝邊線基本平行，裂縫寬度最大約為5 cm。兩個月后調(diào)查整個堆積體后緣裂縫發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)于3 660 m～3 670 m高程分布有較連續(xù)的裂縫，寬2 cm～20 cm，最大延伸長約130 m，于后緣面呈弧狀展布。后期根據(jù)地質(zhì)測繪，發(fā)現(xiàn)滑坡堆積體整體和局部變形非常明顯，其前緣與后緣裂縫為貫通狀態(tài)，寬30 cm～100 cm，平均變形速率11.6 mm/d，堆積體主要表現(xiàn)為整體蠕滑和前緣塌岸的變形現(xiàn)象。根據(jù)裂縫分布的特點，變形分為三個區(qū)域，見圖3。

圖3 滑坡堆積體分區(qū)圖

變形Ⅰ區(qū)變形明顯，該區(qū)可見多條順河向裂縫，此外受前緣變形牽引，堆積體的下游側(cè)邊界基巖與覆蓋層交界面附近，同時出現(xiàn)了多條張開的裂縫。整體上該區(qū)開裂成因為水庫蓄水后，堆積體前緣受庫水作用產(chǎn)生了一定規(guī)模的庫岸再造，前緣的變形牽引堆積體Ⅰ區(qū)后緣張裂。根據(jù)裂縫圈定的可能影響范圍長約130 m，寬約170 m，體積約50萬m3。

變形Ⅱ區(qū)處于滑坡堆積體上游側(cè)，該區(qū)變形裂縫寬度延伸長，邊坡的后緣與上、下游，表現(xiàn)為圈椅狀發(fā)展趨勢，接近于貫穿狀態(tài)，目前裂縫最大寬度約為100 cm，最大下錯為83 cm，后緣變形區(qū)域已至地形緩陡交界處。根據(jù)裂縫圈定的可能影響范圍，長約300 m，寬約250 m，體積約115萬m3。

變形Ⅲ區(qū)處于滑坡堆積體的中、后緣，其后緣形成的溝槽裂縫于基覆接觸帶處像羽狀多級分布，下游側(cè)邊界裂縫多沿溝槽分布，后緣裂縫最高分布于3 700 m高程一帶。水庫蓄水至3 415 m左右，對應(yīng)堆積體部位水庫水位抬升約46 m，后緣張開的裂縫呈圈椅狀，寬度變化由原發(fā)現(xiàn)時的20 cm～60 cm至現(xiàn)在的50 m～100 m之間，可見深度0.5 m～3.0 m之間，基本貫通，可見明顯的錯臺。而堆積體中部裂縫張開不明顯，寬度一般小于5 cm，長小于10 m，不連續(xù)，該區(qū)體積約700萬m3。

3.2 堆積體變形監(jiān)測

針對滑坡堆積體的地質(zhì)情況和滑動趨勢，為掌握邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，共布置三條監(jiān)測斷面，15個永久混凝土表面觀測墩，4個測斜孔。

根據(jù)永久表面變形觀測數(shù)據(jù)分析，堆積體變形處于減緩的趨勢，前緣變形量總體大于后緣，自蓄水6個月后堆積體變形有所減緩，堆積體位移速率由以前的10 mm/d～18 mm/d降低至當前的3 mm/d～5 mm/d。主要變形監(jiān)測成果過程線見圖4。

圖4 表面位移測點Gcd1-1位移與時間變化過程線

當前后緣張裂縫寬65 m～120 m之間，可見深度0.5 m～3.5 m之間，基本呈貫通狀，見明顯下錯現(xiàn)象。至2017年5月各觀測點水平向最大累計合位移量為2 714.4 mm(Gcd1-1)，最大累計垂直位移為1 847.1 mm(Gcd1-1)，滑坡堆積體整體變形趨勢為：傾向河床、略向下游(N68°E)。

對堆積體鉆孔ZKj5、ZKj6、ZKj7、ZKj2進行測斜、監(jiān)測，但隨著時間推移，因測斜孔滑移面位置錯斷，各測斜孔陸續(xù)停止監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，各測斜孔呈現(xiàn)向垂直于河床略偏下游的變形，ZKj5突變點位于45.5 m孔深，ZKj6突變點位于71.0 m孔深，ZKj7突變點位于51.0 m孔深，ZKj2突變點位于22.0 m孔深，均與 Qdel-①層碎石混合土對應(yīng)。

3.3 堆積體監(jiān)測分析

水庫蓄水后，根據(jù)2016年1月至2017年5月變形監(jiān)測資料顯示，滑坡堆積體變形速率從2016年1月的10 mm/d～15.4 mm/d降低到2017年5月的1.2 mm/d～2.8 mm/d，目前各觀測點為0.9 mm/d～2.2 mm/d，說明在現(xiàn)庫水位條件下堆積體通過自身的變形調(diào)整，其穩(wěn)定性在逐漸改善。

變形Ⅰ區(qū)內(nèi)分布多條裂縫，根據(jù)監(jiān)測資料，該區(qū)各監(jiān)測點的變形速率從2016年1月的10 mm/d～15 mm/d降低到2017年5月的1.1 mm/d～2.1 mm/d，目前平均日變形量約為1.4 mm/d；裂縫變形趨于平緩，該區(qū)邊坡變形有逐漸變緩的趨勢。因前緣有多條平行河床的張裂縫，分析預測房屋一帶變形Ⅰ區(qū)破壞形式為沿順河向裂縫產(chǎn)生逐級牽引式垮塌，體積較小，不會影響水庫的運行。

變形Ⅱ區(qū)周圈裂縫已基本形成，后緣見整體下錯現(xiàn)象，累計變形量已有數(shù)十厘米。根據(jù)監(jiān)測資料，該區(qū)各監(jiān)測點變形速率從2016年6月的5.0 mm/d～10.0 mm/d降低到2017年5月的2 mm/d～3 mm/d，目前平均日變形量約為1.9 mm/d，當水位繼續(xù)抬升或下降將會進一步影響其穩(wěn)定性。結(jié)合剖面進行分析，塌岸總量小于死水位以下的庫容，不會堵塞水庫。分析預測其破壞形式將以蠕滑塌岸的方式調(diào)整至穩(wěn)定，不會產(chǎn)生大范圍高速滑坡涌浪。

變形Ⅲ區(qū)，坡體內(nèi)裂縫較少，總體變形量均較變形Ⅰ區(qū)和變形Ⅱ區(qū)小。根據(jù)監(jiān)測資料，該區(qū)各監(jiān)測點變形速率從2016年1月的9 mm/d～15 mm/d降低到2017年5月的1.0 mm/d～2.0 mm/d，目前平均日變形量約為1.3 mm/d。

4 堆積體穩(wěn)定性分析與評價

4.1 計算方法

堆積體距大壩2 km～3 km，水庫邊坡類別為B類?；麦w對其下游電站大壩等建筑物存在一定的影響，其安全級別為Ⅱ級。

采用極限平衡法，對于圓弧滑動采用簡化畢肖普法，對于折線滑動采用摩根斯坦-普萊斯法。計算軟件采用理正巖土計算6.0。并采用有限元強度折減法，對失穩(wěn)模式進行模擬。

4.2 邊坡失穩(wěn)模式及參數(shù)確定

(1) 邊坡失穩(wěn)模式。根據(jù)監(jiān)測、測斜資料成果結(jié)合鉆孔揭示情況分析，堆積體滑帶土為碎石混合土層，確定堆積體以第①種模式(以堆積體下部碎石混合土的軟弱層為底滑動帶的深層滑動模式)滑動，為驗證可能滑動模式②(前緣塌岸模式)的穩(wěn)定狀況，同時對其進行了計算復核。

(2) 參數(shù)確定。堆積體規(guī)模大，根據(jù)鉆孔揭示，堆積體以礫質(zhì)粉土、碎塊石混合土、混合土塊碎石、孤塊石層為主，該堆積體計算參數(shù)主要結(jié)合室內(nèi)試驗、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、物質(zhì)組成，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范、手冊類比同類工程經(jīng)驗以及參數(shù)反算確定。堆積體發(fā)生了滑動現(xiàn)象，并且當前為蠕滑狀態(tài)，有參數(shù)反演的條件，因此巖土體物理力學參數(shù)的選取主要依據(jù)試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)反算綜合得出。

反算主要根據(jù)滑坡發(fā)育階段確定堆積體的穩(wěn)定系數(shù)，因堆積體周圈裂縫已經(jīng)形成，滑動帶已全部貫通，整體沿滑動面緩慢移動，滑坡堆積體穩(wěn)定系數(shù)0.95≤K<1.00。按上述方法，確定的穩(wěn)定性參數(shù)見表1。

表1 堆積體參數(shù)綜合取值表

4.3 計算結(jié)果

4.3.1 極限平衡法計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果以及測斜孔成果顯示，堆積體主要變形趨勢是沿軟弱層滑動，因此穩(wěn)定計算將滑動模式①作為計算控制滑動模式，其余滑動模式只計算正常蓄水位持久工況。計算結(jié)果見表2。

表2 堆積體穩(wěn)定計算結(jié)果表

計算結(jié)果表明，滑動模式①，在庫水位自現(xiàn)有水位(3 415 m)上升至正常蓄水位(3 418 m)時，安全系數(shù)略有降低，其中持久及短暫工況安全系數(shù)在0.968～0.994之間，偶然工況在0.912～0.932之間。說明目前滑坡堆積體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，這也與堆積體的監(jiān)測與測斜孔資料相吻合；而滑動模式②安全系數(shù)明顯低于安全控制標準。根據(jù)監(jiān)測資料，堆積體目前變形雖仍在持續(xù)發(fā)生，但無加速突變現(xiàn)象，堆積體不會產(chǎn)生大范圍高速滑動。水庫繼續(xù)蓄水時堆積體的變形可能出現(xiàn)短時間的增加，但一段時間后會趨于穩(wěn)定。

4.3.2 有限元強度折減法計算結(jié)果

本次運用PHASE2軟件基于莫爾-庫侖準則的有限元強度折減法，對堆積體在正常蓄水位狀態(tài)下，進行失穩(wěn)模擬，計算參數(shù)采用表1，邊界條件采用底部固定約束的方式。

正常蓄水狀態(tài)下，典型剖面穩(wěn)定性系數(shù)為0.962，小于1.00，說明堆積體處于失穩(wěn)狀態(tài)。

堆積體正常蓄水狀態(tài)下，典型A-A1′剖面強度折減至臨界失穩(wěn)時最大剪應(yīng)變及總位移圖如圖5、圖6所示。由圖表明，正常蓄水狀態(tài)下，堆積體下部碎石混合土最大剪應(yīng)變均較大，且臨界失穩(wěn)時下部碎石混合土層弱面的總位移較大，即認為正常蓄水狀態(tài)下堆積體穩(wěn)定性系數(shù)最低的滑面為下部碎石混合土層弱面，與極限平衡所得結(jié)果較接近，有限元強度折減法計算結(jié)果與極限平衡法計算結(jié)果相吻合。

圖5 正常蓄水位3 418 m時堆積體最大剪應(yīng)變云圖

圖6 正常蓄水位3 418 m時堆積體總位移云圖

綜合兩種方法計算結(jié)果分析認為，該滑坡堆積體在3 418 m正常蓄水時，堆積體穩(wěn)定性顯著降低，沿覆蓋層內(nèi)部多層弱面、圓弧滑動。

4.4 穩(wěn)定評價

(1) 天然狀態(tài)?；露逊e體是在河流下切作用下，風化卸荷巖體邊坡順層滑坡形成的老滑坡堆積體，坡面植被良好，無開裂、變形現(xiàn)象，天然狀態(tài)下，堆積體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)水庫蓄水后。水庫蓄水后，庫水劣化了庫水位以下滑帶及土體的物理力學性質(zhì)，誘發(fā)堆積體產(chǎn)生蠕變—蠕滑。根據(jù)堆積體前緣分布裂縫密度大、累計寬度大、變形監(jiān)測變形量大等分析，水庫蓄水，庫水劣化了處于庫水位以下堆積體前緣滑帶及土體的物理力學性質(zhì)，致使堆積體前緣首先蠕變、蠕滑、拉裂、塌岸，如此，降低了堆積體的抗滑力，產(chǎn)生了整體蠕變—蠕滑。

該堆積體為老滑坡堆積體，根據(jù)鉆孔資料及剖面分析，堆積體整體巖土結(jié)構(gòu)松散，滑帶土為碎石混合土層，滑動剪出口位于河床，滑動面全貫通，滑動面傾角較緩，中前部約10°左右。結(jié)合監(jiān)測成果，分析認為，堆積體不具備積累產(chǎn)生高速滑動能量的條件。

根據(jù)監(jiān)測成果表明其蠕滑變形目前仍在發(fā)展，但變形速率已逐漸變小。隨著庫水的升降變化，變形速率可能會出現(xiàn)短暫的增加，并可能產(chǎn)生局部塌滑，但方量較為有限，預測堆積體的變形情況最終將會趨于穩(wěn)定狀態(tài)，不會產(chǎn)生高速滑坡的現(xiàn)象，同時也不會堵塞水庫。

5 結(jié) 論

通過對堆積體的成因分析、變形監(jiān)測，并對其進行穩(wěn)定性計算分析，所得結(jié)論如下：

(1) 堆積體整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，與監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合，雖蠕滑變形目前仍在發(fā)展，但變形速率已逐漸變小。

(2) 堆積體的變形破壞模式為前緣塌岸模式及以堆積體下部碎石混合土這一軟弱層為底滑動帶的深層滑動模式。

(3) 隨著庫水的升降變化，堆積體變形速率可能會出現(xiàn)短暫的增加，并可能產(chǎn)生局部塌滑，但方量有限。

(4) 滑坡堆積體不具備產(chǎn)生高速滑坡的條件，同時也不會堵塞水庫。