賦存環(huán)境對(duì)干海子滑坡體穩(wěn)定性影響研究

殷秋雨，李仁江，冷先倫，方 波，4，付曉東

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司 移民工作局，四川 成都 610000； 4.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

滑坡體的穩(wěn)定性狀態(tài)是其賦存環(huán)境下多種因素共同作用的表現(xiàn)，具有復(fù)雜性和綜合性。庫水位漲落[1]、暴雨[2]和地震[3]是誘發(fā)庫岸滑坡的關(guān)鍵因素。干海子滑坡是溪洛渡水庫近壩庫段的重點(diǎn)滑坡，規(guī)模巨大。賦存環(huán)境作為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量針對(duì)性的研究工作，如：TOHARI等[4]在模型槽內(nèi)進(jìn)行滑坡試驗(yàn)，得出了不同工況下邊坡的破壞模式；CATANE等[5]自制了室內(nèi)模型槽，研究了滲流誘發(fā)邊坡破壞造成的含水率、土體位移變化規(guī)律；方景成等[6]對(duì)庫水位變動(dòng)速率與降雨強(qiáng)度進(jìn)行了單因素與雙因素聯(lián)合作用下的敏感性分析；徐永強(qiáng)等[7]與徐翔[8]等利用有限元分析軟件 GEOSTUDIO 對(duì)滑坡瞬態(tài)滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和邊坡穩(wěn)定性分析；鄧琴等[9]利用FLAC3D軟件分析邊坡的剪應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，根據(jù)剪應(yīng)變的集中帶獲取邊坡的多個(gè)潛在滑面；JIA等[10]與BERILGEN[11]等，建立模型分析了邊坡在水位漲落作用下的性能。然而，上述研究少有針對(duì)賦存環(huán)境結(jié)合不同周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行穩(wěn)定性研究。干海子滑坡體因其特殊的歷史演化過程、賦存環(huán)境因素和工程重要性，研究其在庫水調(diào)度過程中的穩(wěn)定性是保障溪洛渡水電工程健康運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。

本文針對(duì)溪洛渡水電站庫區(qū)干海子滑坡體，在詳細(xì)分析其地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過分析現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形發(fā)展規(guī)律，初步判斷滑坡的可能破壞形式，進(jìn)而采用二維極限平衡分析方法[12]，開展滑坡體在建設(shè)期、蓄水期及運(yùn)營(yíng)期不同賦存環(huán)境條件下的穩(wěn)定性分析。研究其在庫水位漲落、暴雨及地震等條件下的穩(wěn)定性和可能的破壞區(qū)域與形態(tài)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)干海子滑坡體的穩(wěn)定性，揭示賦存環(huán)境對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和方法支持。

1 賦存環(huán)境

1.1 區(qū)域降雨環(huán)境

干海子滑坡體所處的近壩庫段地勢(shì)高差懸殊，氣候垂直變化顯著，河谷干熱，高山陰冷潮濕，屬典型的亞熱帶氣候區(qū)。該區(qū)平均值降雨量為586.3～851.2 mm，主要集中在4～10月，占全年的90.37%～96.55%；多年平均蒸發(fā)量2 139.0 mm，多年平均相對(duì)濕度67%，平均風(fēng)速3.0 m/s。暴雨多集中在6～8月，根據(jù)永善縣雨季開始、終止日期、保證率和部分地區(qū)月降雨量資料，該區(qū)域最大日降雨量可達(dá)100.0 mm(見圖1)。

圖1 永善縣雨季開始、終止時(shí)間及保證率Fig.1 The start, end date and guarantee rate of the rainy season in Yongshan County

1.2 水庫調(diào)度

水庫調(diào)度由雨季、枯水季和發(fā)電共同來控制(見圖2)。溪洛渡水電站水庫發(fā)電年調(diào)度規(guī)則如下：

圖2 溪洛渡水庫水位變化時(shí)間過程曲線Fig.2 Water level-time course curve of Xiluodu reservoir

(1) 雨季來臨前，為迎接強(qiáng)降雨，需降低水庫水位留出庫容。4月初至5月底水位下降，最低水位約為540 m。

(2) 根據(jù)防洪需求，在雨季末期到枯水季來臨之前為水庫水位持續(xù)平穩(wěn)上升階段，10月到年底，水庫水位達(dá)到最高600 m。

(3) 當(dāng)水庫水位處于保證出力區(qū)時(shí)，電站按保證出力工作；若水庫已蓄水至正常蓄水位600 m時(shí)，則按來水流量發(fā)電。

1.3 地震環(huán)境

根據(jù)國(guó)家地震局的國(guó)家地震烈度區(qū)劃資料和水庫地質(zhì)資料，認(rèn)為影響溪洛渡水電站壩區(qū)附近水庫區(qū)穩(wěn)定性的周邊地震帶主要是馬邊-鹽津地震帶。該地震帶位于水庫東側(cè)，距干海子滑坡20～30 km，北起馬邊附近，經(jīng)靛蘭壩、瑪瑙、璜瑯、大關(guān)木桿河至吉利鋪，分布在西北偏北方向，長(zhǎng)約120 km，寬約20 km，與馬邊-鹽津隱伏斷裂帶分布方向基本一致。滑坡區(qū)地震危險(xiǎn)主要來自于該地震帶的影響，地震基本烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度0.15g。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)條件

干海子滑坡體位于金沙江右岸，距壩址14 km?；麦w前緣堆積高程390 m，后緣高程700 m，鉆孔揭示厚度為55.66～166.04 m，滑坡體積約4 700萬m3，主滑方向N25°W。滑體上部主要由陽新灰?guī)r碎塊組成，局部架空；下部主要由志留系砂頁巖碎塊組成，結(jié)構(gòu)密實(shí)。主滑面沿志留系地層下部頁巖發(fā)育，剪出口高度為490 m，滑動(dòng)面向下游傾斜3°～5°?；瑤Ш穸葹?.50～2.30 m，由志留系泥頁巖巖屑和角礫夾泥組成，擠壓緊密。干海子滑坡體屬于滑坡堆積體，位于庫岸的右側(cè)，為堆積層順基巖界面滑坡。區(qū)內(nèi)基巖產(chǎn)狀變化較大，總體上從上游往下游產(chǎn)狀從N10°～40°E/SE∠10°～15°變?yōu)镹40°～60°W/NE∠12°～18°。干海子滑坡體主滑剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 滑帶巖體力學(xué)參數(shù)

為了獲得岸坡的基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在干海子滑坡體開展了原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)[13]。干海子滑坡體滑帶土的基本物理力學(xué)參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)分別列于表1和表2。

表1 滑坡體滑帶土基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of landslide slip zone soil

表2 滑坡體滑帶力學(xué)參數(shù)建議取值Tab.2 Suggested value for mechanical parameters of landslide slip zone

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)干海子滑坡體在水庫運(yùn)行過程中的變形過程，在滑坡體的前緣、主體和后緣布設(shè)了表觀變形觀測(cè)墩5個(gè)(TP1～TP5)，監(jiān)測(cè)剖面大致垂直于岸坡(見圖3)。變形測(cè)點(diǎn)方向及符號(hào)規(guī)定：表面變形成果采用金沙江坐標(biāo)系，X方向?yàn)樯舷掠畏较颍赶蛳掠螢椤?”；Y方向?yàn)樽笥野斗较颍赶蜃蟀稙椤?”；H方向?yàn)樨Q直方向，下沉為“+”，反之為負(fù)。2013年5月6日取得了首期測(cè)值，截至2014年11月6日的特征值如表3所列，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)550 d。X方向(上下游)的最大累積位移變化量為513.60 mm(TP5測(cè)點(diǎn))；Y方向(左右岸)的最大累積位移變化量為766.75 mm(TP5測(cè)點(diǎn))；Z方向(豎直向)的最大累積位移變化量為613.50 mm(TP5測(cè)點(diǎn))。3個(gè)分量變形程度為Y>Z>X。對(duì)X方向位移而言，均為正值，說明整體向下游方向變位；Y方向位移均為正值，說明坡體體向臨江河谷方向變位；H方向變位為正值，表現(xiàn)為沉降。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：位于滑坡體前緣“垮堵灣”附近測(cè)點(diǎn)(TP5)的累計(jì)位移值明顯大于滑坡體主體部位測(cè)點(diǎn)(TP3、TP4)和后緣唐家灣座滑體上測(cè)點(diǎn)(TP1、TP2)的累計(jì)位移值，表明滑坡在前緣失穩(wěn)的可能性較大。

表3 變形測(cè)點(diǎn)位移增量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Displacement increment statistics results of deformation points

圖3 干海子滑坡主滑斷面剖面示意Fig.3 Geological generalization diagram of main sliding section of Ganhaizi landslide

3 滑坡穩(wěn)定性分析

通過地質(zhì)分析和模型概化建立了3個(gè)穩(wěn)定性分析模型(見圖4)，分別研究干海子滑坡體的整體、局部和前緣的穩(wěn)定性，探討賦存環(huán)境對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響。以DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，結(jié)合滑坡體的賦存環(huán)境特征，設(shè)置了持久、短暫、偶然3種工況。干海子滑坡體在水庫調(diào)度周期內(nèi)經(jīng)歷了建設(shè)期、蓄水期和運(yùn)行期3個(gè)周期。建設(shè)期的持久工況取金沙江的天然水位，滑體水位取旱季水位，短暫工況的荷載增加強(qiáng)降雨；蓄水期的持久工況考慮了蓄水過程與蓄水速率的影響，短暫工況的荷載增加強(qiáng)降雨；運(yùn)行期的持久工況為溪洛渡水庫正常蓄水位與水庫水位調(diào)節(jié)過程，短暫工況的荷載為快速泄水與強(qiáng)降雨，偶然工況取持久工況與地震的組合。依據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》，采用二維極限平衡法(M-P法)，分析各周期和工況下干海子滑坡安全系數(shù)變化過程，進(jìn)而研究賦存環(huán)境對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析時(shí)水庫調(diào)度過程中水庫水位變化速率為2 m/d，日降雨量取100 mm。

圖4 干海子滑坡體剖面穩(wěn)定性分析模型Fig.4 Section stability analysis model of Ganhaizi landslide

3.1 溪洛渡水電站建設(shè)期干海子滑坡體穩(wěn)定性分析

溪洛渡水電站建設(shè)期干海子滑坡不同工況條件下的安全系數(shù)匯總列于表4。匯總結(jié)果表明：① 剖面在建設(shè)期持久工況下，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.598，中部滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.689，前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.037；在建設(shè)期短暫工況下，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.573，中部滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.655，前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)為0.857；典型剖面在建設(shè)期偶然工況下，安全系數(shù)在0.833～1.221之間。② 強(qiáng)降雨條件下，滑坡安全系數(shù)均有不同程度的減小。③ 在地震影響下，滑坡安全系數(shù)顯著降低，相較于自然狀態(tài)下降0.2～0.4。

表4 建設(shè)期干海子滑坡體剖面不同工況安全系數(shù)Tab.4 Summary of safety factors of Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir construction period

3.2 溪洛渡水電站蓄水期干海子滑坡體穩(wěn)定性分析

溪洛渡水電站蓄水期干海子滑坡體不同工況條件下的安全系數(shù)匯總列于表5。分析蓄水期不同賦存環(huán)境的影響結(jié)果可知：① 干海子滑坡體在蓄水期持久工況下，水位分別為540，560，600 m時(shí)，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.537，1.514，1.464，中部滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.595，1.579，1.503，前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為0.948，0.937，0.949；在短暫工況下，(降雨條件)，水位分別為540，560，600 m時(shí)，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.533，1.513，1.463，中部滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.582，1.574，1.500，前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為0.934，0.929，0.937。② 干海子滑坡體蓄水期內(nèi)隨著水位的升高，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低。持久工況下，540 m水位時(shí)安全系數(shù)為1.595，560 m水位時(shí)安全系數(shù)為1.579，600 m水位時(shí)安全系數(shù)為1.503。可以看出：當(dāng)水位由540 m上升至560，600 m 時(shí)，每上升20 m，安全系數(shù)依次降低約0.02。③ 短暫工況下，受暴雨的影響，滑坡安全系數(shù)有著不同程度的減小。

表5 干海子滑坡體蓄水期不同工況安全系數(shù)Tab.5 Summary of safety factors for Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir impoundment period

3.3 溪洛渡水電站運(yùn)行期干海子滑坡體穩(wěn)定性分析

溪洛渡水電站運(yùn)行期干海子滑坡不同工況條件下的安全系數(shù)匯總?cè)鐖D5～9所示。比較整體滑動(dòng)、中部滑動(dòng)和前沿滑動(dòng)在不同工況的計(jì)算結(jié)果可知：① 在運(yùn)行期持久工況下，水位條件分別從540 m上升至560 m，從560 m上升至600 m和從600 m下降至560 m時(shí)，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.543，1.527，1.465；中部滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為1.593，1.592，1.511；前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)分別為0.964，1.00，0.903。② 剖面在運(yùn)行期短暫工況下(降雨條件)，水位條件從600 m下降至560 m時(shí)，整體滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.455，中部滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.501，前緣滑動(dòng)的安全系數(shù)為0.893。③ 在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，滑坡體的最不穩(wěn)定時(shí)間出現(xiàn)在庫水位下降時(shí)，安全系數(shù)迅速降低，滑坡體前緣有塌岸的可能。④ 滑坡體運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，遭遇暴雨的影響，安全系數(shù)將進(jìn)一步減小，原因是降雨帶來滑坡含水率升高使土體重度增加，導(dǎo)致其下滑力增加以及土的抗剪強(qiáng)度和阻滑力降低。⑤ 主滑剖面整體滑動(dòng)和中部滑動(dòng)的穩(wěn)定性較好，前緣滑動(dòng)的穩(wěn)定性較差，有前緣塌岸的可能。

圖5 一個(gè)調(diào)度周期短暫工況滑坡體安全系數(shù)變化Fig.5 Landslide safety factor variation of a short-term working condition in a scheduling cycle

圖6 運(yùn)行期540 m→560 m短暫工況滑坡體安全系數(shù)變化Fig.6 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period(540 m→560 m)

圖7 運(yùn)行期560 m→600 m短暫工況整體滑坡體安全系數(shù)變化Fig.7 Landslide safety factor variation of transient working condition in reservoir operation period(560 m→600 m)

圖8 運(yùn)行期(600 m→560 m)短暫工況滑坡體安全系數(shù)變化Fig.8 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m)

圖9 運(yùn)行期(600 m→560 m+降雨)偶然工況滑坡體安全系數(shù)變化Fig.9 Landslide safety factor variation of accidental working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m+rainfall)

4 結(jié) 論

針對(duì)干海子滑坡體在溪洛渡水電站水庫調(diào)度周期內(nèi)的穩(wěn)定性問題，在分析現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用極限平衡方法，開展了滑坡體在水電站建設(shè)期、蓄水期及運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性分析，研究了賦存環(huán)境對(duì)干海子滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：

(1) 干海子滑坡體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形顯示滑坡體前緣變形明顯大于滑坡體主體和后緣，滑坡體前緣測(cè)點(diǎn)受水位影響較明顯，變形量值較大，坡體中后部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形趨于穩(wěn)定。二維極限平衡法分析得到的滑坡體整體、中部及前緣的安全系數(shù)顯示：前緣滑坡體安全系數(shù)明顯小于整體滑坡和中部滑坡的安全系數(shù)，該滑坡體在蓄水過程中前緣穩(wěn)定性較差，分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

(2) 在水庫調(diào)度周期內(nèi)，滑坡體最不穩(wěn)定條件為庫水位下降且遇到暴雨時(shí)。在降雨，特別是暴雨期間，應(yīng)該嚴(yán)格控制庫水位調(diào)度速率，確?；麦w的穩(wěn)定。

(3) 庫水位漲落、暴雨及地震作用是影響干海子滑坡體穩(wěn)定性的重要因素，賦存環(huán)境直接決定了其穩(wěn)定性。蓄水期庫水位上升，滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)減小，導(dǎo)致前緣塌岸發(fā)生的可能性增大；強(qiáng)降雨滲透使得滑坡體含水率升高，導(dǎo)致其下滑力增加以及土抗剪強(qiáng)度和阻滑力降低；當(dāng)有地震作用時(shí)，前緣的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。