瀾滄江某巨型堆積體蓄水失穩(wěn)模式預(yù)測研究

胡大儒，肖萬春，王曉朋，吳述彧

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

自然界大量邊坡失穩(wěn)破壞均與水的活動(dòng)有關(guān)，對(duì)于水庫型滑坡，其穩(wěn)定性直接受庫水位升降的影響。水庫蓄水邊坡失穩(wěn)模式的精準(zhǔn)預(yù)測及評(píng)價(jià)對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、防災(zāi)減災(zāi)等均具有重要意義，也是長期困擾業(yè)界的技術(shù)難題。國內(nèi)外學(xué)者在大量工程實(shí)踐及理論研究的基礎(chǔ)上，取得了豐富的研究成果：黃潤秋等[1]經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出國內(nèi)大型滑坡發(fā)育最根本的原因是具有有利的滑坡地形地貌條件，約80%的大型滑坡發(fā)生在環(huán)青藏高原東側(cè)的大陸地形第一個(gè)坡降帶范圍內(nèi)。張倬元等[2-3]提出水庫滑坡常見的5種變形失穩(wěn)模式：蠕滑-拉裂、滑移-壓致拉裂、彎曲拉裂、塑流-拉裂和滑移彎曲。劉才華等[4]通過對(duì)庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理的研究，得出庫水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和浸水滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)的弱化兩方面。羅紅明等[5]和劉新喜等[6]運(yùn)用不平衡推力法進(jìn)行水位驟降時(shí)滑坡穩(wěn)定性分析，得出庫水位升降對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響差異性明顯，地下水作用的力學(xué)模式、庫水位下降速度和滑坡滲透系數(shù)大小是影響滑坡暫態(tài)滲流場變化的主要因素。唐曉松等[7]提出了水位下降過程中滑坡體的變形特征和穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的數(shù)值極限分析方法。其他學(xué)者[8-21]則采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，深入研究了在蓄水位升降時(shí)，涉水型堆積層滑坡、水動(dòng)力型滑坡等穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為滑坡的早期識(shí)別、穩(wěn)定性預(yù)判、預(yù)警措施、治理方案等提供可靠依據(jù)。瀾滄江峽谷區(qū)具有海拔高、晝夜溫差大、干旱少雨、循環(huán)凍融等極端氣象條件，和地形地貌陡峻、風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)條件。因其獨(dú)特的環(huán)境地質(zhì)條件，瀾滄江河谷兩岸堆積體廣泛分布，且規(guī)模巨大。隨著水庫蓄水位的變化，堆積體是否會(huì)發(fā)生變形失穩(wěn)并演化為滑坡災(zāi)害，是工程關(guān)注的重點(diǎn)。本文在地質(zhì)成因分析及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)瀾滄江某巨型堆積體在不同蓄水工況下可能的失穩(wěn)模式進(jìn)行預(yù)測研究，為工程設(shè)計(jì)拓展思路，為同類研究提供參考。

1 堆積體基本地質(zhì)條件

擬建工程為礫石土心墻堆石壩，最大壩高315 m，正常蓄水位2 895 m高程，對(duì)應(yīng)水庫回水長約98 km。該巨型堆積體發(fā)育于瀾滄江左岸壩前5.4 km處，前緣臨江，高程2 655 m，后緣高程3 300 m。堆積體順河向長約1.4 km，垂直河向?qū)捈s700 m，自然坡度32°～37°，堆積體厚10 m～100 m，約4 700萬m3，堆積體范圍內(nèi)發(fā)育多條淺切小沖溝，地表及平洞內(nèi)現(xiàn)狀均未見變形跡象。堆積體地形地貌航拍圖見圖1。

經(jīng)勘探及試驗(yàn)揭示，堆積體下伏基巖為三疊系竹卡組(T2z)英安巖，堆積體由3類土層構(gòu)成：

第①類為有一定膠結(jié)的含細(xì)粒土礫(Qcol+dl-1)，位于堆積體中上部，礫石粒徑3 cm～6 cm，含量約55%，其間為砂質(zhì)土充填，較為密實(shí)，平洞開挖時(shí)可臨時(shí)自穩(wěn)。第②類為較松散的碎礫石層(Qcol+dl-2)，位于堆積體中上部，碎石粒徑5 cm～20cm，含量約45%，礫石粒徑3 cm～5 cm，含量約40%，局部有少量塊石，粒徑20 cm～50 cm，結(jié)構(gòu)松散，平洞開挖到該層時(shí)多塌方。第③類為碎塊石土，夾有少量砂卵礫石(Qcol+dl+al)，主要位于堆積體中下部，碎石含量約40%，粒徑6 cm～20 cm，塊石含量約20%，粒徑20 cm～40 cm，卵石含量10%左右，粒徑6 cm～10 cm。堆積體工程地質(zhì)平面圖見圖2，剖面圖見圖3。

圖1 堆積體地形地貌航拍圖

圖2 堆積體工程地質(zhì)平面圖

圖3 堆積體工程地質(zhì)剖面圖

2 堆積體成因機(jī)制分析

堆積體中上部物質(zhì)組成主要為崩坡積成因的碎塊石和碎石土相間分布，下部受河流改造混雜有少量的沖積砂卵礫石。其形成過程可分4階段：

(1) 崩塌堵江階段。ZKR08、ZKR14等鉆孔揭示的基巖深槽表明，二級(jí)階地以上瀾滄江早期河道應(yīng)偏向左岸，當(dāng)河谷下切至2 670 m高程時(shí)，在地震等因素影響下，左岸高高程風(fēng)化卸荷巖體發(fā)生大規(guī)模崩塌，堆積于岸坡及河床并堵塞河道抬高河床。

(2) 沖堆平衡階段。PDR05平洞揭示的卵礫石及上游河道局部粉土沉積表明，本段河床因崩塌堵江而快速抬升，至2 780 m高程時(shí)，沖、堆趨于平衡，并沉積了較為集中的河流沖積物(③類土)。

(3) 間歇堆積階段。PDR02、PDR03平洞揭示傾斜坡外的沉積韻律表明，堆積體中上部至少經(jīng)歷了15次以上的間歇性崩塌堆積，單次堆積厚度3 m～15 m，以結(jié)構(gòu)松散的塊碎石為主(②類土)。在間隔時(shí)間較長的兩次堆積之間，受降雨、冰雪融水等坡表徑流影響，較多的細(xì)粒土下滲，形成較為密實(shí)并有泥質(zhì)膠結(jié)的含細(xì)粒土(①類土)。

(4) 河谷再下切階段。堆積體前緣受河流沖刷繼續(xù)下切，直至現(xiàn)代河床2 640 m高程，受堆積物擠占，新河道向右岸偏移。隨后堆積體上部繼續(xù)接收新近崩坡積物，直至頂部堆積到3 300 m高程。

3 堆積體物理力學(xué)參數(shù)分析

根據(jù)平洞揭露，堆積體底部基巖與覆蓋層接觸面無明顯的軟弱層面發(fā)育。結(jié)合堆積體地形坡度、碎礫石層天然休止角統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場原位剪切、室內(nèi)直剪及顆分試驗(yàn)成果、現(xiàn)場試坑注水試驗(yàn)，堆積體物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。

表1 堆積體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

4 堆積體蓄水失穩(wěn)模式數(shù)值模擬分析

運(yùn)用Rocscience軟件基于莫爾-庫侖準(zhǔn)則的剛體極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行堆積體穩(wěn)定性及破壞模式分析，運(yùn)用基于飽和非飽和理論的有限元法進(jìn)行堆積體地下水滲流分析。堆積體中上部物質(zhì)組成為稍有膠結(jié)的含細(xì)粒土礫夾薄層松散碎礫石，該碎礫石層抗剪強(qiáng)度稍低，為相對(duì)弱面，層數(shù)15層以上，為潛在滑動(dòng)面。本文僅選取其中淺層、中部、深層3層代表性弱面，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化。基巖按無限強(qiáng)度考慮，各覆蓋土層按均質(zhì)各向同性材料考慮，模型兩側(cè)邊界按水平約束，底部邊界按固定約束考慮，采用平面應(yīng)變條件的6節(jié)點(diǎn)三角形等參元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4.1 水位上升工況模擬分析

分別取2 650 m(天然水位)、2 745 m(施工低水位)、2 815 m(死水位)、2 864 m(施工高水位)、2 895 m(正常蓄水位)等5個(gè)工況進(jìn)行模擬分析，得到堆積體穩(wěn)定系數(shù)與蓄水位關(guān)系見圖4。不同蓄水位堆積體最大剪應(yīng)變?cè)茍D見圖5—圖7。

圖4 蓄水位上升時(shí)堆積體穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

據(jù)圖4—圖7可知，隨著蓄水位的抬升，堆積體水下區(qū)域受孔隙水壓力作用，下滑力及抗滑力均有減小，且各土層遇水軟化，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生較大幅度的降低，不利于堆積體的穩(wěn)定，總體上，堆積體穩(wěn)定性呈逐漸降低趨勢(shì)。當(dāng)水位上升至2 815 m左右時(shí)，堆積體前緣局部開始發(fā)生圓弧型塌滑，隨著水位繼續(xù)上升，前緣塌滑范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng)水位上升至2 880 m左右時(shí)，堆積體中后部將沿碎石層內(nèi)部發(fā)生折線型深層滑移，當(dāng)水位上升至2 895 m左右時(shí)，堆積體沿基覆界面整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)堆積體主要變形模式為中后部推移型。

圖5 蓄水位2 815 m時(shí)堆積體最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖6 蓄水位2 864 m時(shí)堆積體最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖7 蓄水位2 895 m時(shí)堆積體最大剪應(yīng)變?cè)茍D

4.2 水位驟降工況模擬分析

(1) 水位驟降工況選擇。本工程水庫常規(guī)放空工況、本文模擬水位驟降工況見表2、圖8?？紤]到常規(guī)放空水位降速逐漸減小，故模擬工況A按水位恒定降速設(shè)計(jì)，模擬工況B按水位降速逐漸增大設(shè)計(jì)，各工況下，蓄水位總降幅均為102 m，總歷時(shí)均為17 d。

表2 水位驟降工況統(tǒng)計(jì)表

圖8 各工況水位與歷時(shí)關(guān)系曲線圖

(2) 堆積體滲流-穩(wěn)定性耦合分析。堆積體沿基覆界面的整體穩(wěn)定性受水位驟降影響較強(qiáng)，也是工程關(guān)注的重點(diǎn)，因此，本章只進(jìn)行各水位驟降工況下，堆積體沿基覆界面的滲流-穩(wěn)定性耦合分析。堆積體滲流-穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3，堆積體沿基覆界面的整體穩(wěn)定系數(shù)隨水位驟降歷時(shí)、水位降速關(guān)系曲線分別見圖9、圖10。

表3 堆積體滲流-穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

據(jù)圖9可知，各水位驟降工況下，堆積體沿基覆界面的整體穩(wěn)定系數(shù)均小于1.0，均將整體失穩(wěn)。隨著水位的下降，堆積體穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但水位總降幅(102 m)及總歷時(shí)(17 d)一定時(shí)，堆積體穩(wěn)定系數(shù)總降幅基本相當(dāng)。水位下降速率越快，土體內(nèi)地下水來不及排出坡外，出滲點(diǎn)高程越高，滲流力越大，堆積體穩(wěn)定性越差；水位下降速率越慢，土體內(nèi)地下水有足夠時(shí)間排出坡外，趨于與坡外水位平齊，出滲點(diǎn)高程越低，滲流力越小，對(duì)堆積體穩(wěn)定性的影響越小。水位驟降完成后，以2 793 m穩(wěn)定水位保持至第50 d，滲流逐漸微弱，滲透力接近消失，堆積體整體穩(wěn)定系數(shù)將有一定程度升高。

據(jù)圖10可知，水位驟降速率與堆積體穩(wěn)定系數(shù)日增量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，水位降速越大，穩(wěn)定系數(shù)日增量越小(其絕對(duì)值越大)，其相關(guān)函數(shù)類型為二次拋物線：

ΔK=-0.0004V2+0.0015V-0.0078

(1)

式中：ΔK為穩(wěn)定系數(shù)日增量；V為水位降速,m/d。

圖9 各工況堆積體穩(wěn)定系數(shù)與歷時(shí)關(guān)系曲線圖

圖10 堆積體穩(wěn)定系數(shù)日增量與水位降速關(guān)系曲線圖

常規(guī)放空工況歷時(shí)1 d、4 d、10 d、17 d、50 d對(duì)應(yīng)總水頭及滲流場云圖見圖11—圖15。由圖可知，坡內(nèi)流場矢量集中于滲透系數(shù)相對(duì)較大的碎礫石層及坡腳附近一定范圍內(nèi)的碎塊石土夾砂卵礫石，構(gòu)成了堆積體的主要滲流通道。分析可知，水位下降速率越快，坡內(nèi)浸潤線降低幅度越小，內(nèi)外總水頭差越大，滲流力越大，堆積體穩(wěn)定性越差；水位下降速率越慢，坡內(nèi)浸潤線降低幅度越大，內(nèi)外總水頭差越小，滲流力越小，對(duì)堆積體穩(wěn)定性的影響越小。

圖11 常規(guī)放空歷時(shí)1 d時(shí)總水頭滲流場云圖

圖12 常規(guī)放空歷時(shí)4 d時(shí)總水頭滲流場云圖

圖13 常規(guī)放空歷時(shí)10 d時(shí)總水頭滲流場云圖

圖14 常規(guī)放空歷時(shí)17 d時(shí)總水頭滲流場云圖

圖15 常規(guī)放空歷時(shí)50 d時(shí)總水頭滲流場云圖

5 結(jié) 論

(1) 瀾滄江河谷兩岸巨型堆積體廣泛發(fā)育，其成因主要受河谷演化、構(gòu)造切錯(cuò)、巖體風(fēng)化卸荷、河流改造等因素影響，本文所述巨型堆積體的形成機(jī)制主要分為崩塌堵江、沖堆平衡、間歇堆積、河谷再下切等四個(gè)階段。

(2) 運(yùn)用剛體極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法模擬分析顯示，當(dāng)蓄水位上升至2 815 m左右時(shí)，堆積體前緣浸水區(qū)首先發(fā)生局部圓弧型滑塌，并逐漸向后發(fā)展，當(dāng)蓄水位上升至2 880 m左右時(shí)，堆積體中后部將沿碎石層內(nèi)部發(fā)生折線型深層滑移，隨著水位繼續(xù)上升至2 895 m左右時(shí)，堆積體沿基覆界面整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)堆積體主要變形模式為中后部推移型。

(3) 運(yùn)用基于飽和非飽和理論的有限元法進(jìn)行堆積體地下水滲流分析顯示，各水位驟降工況下，堆積體均將發(fā)生整體失穩(wěn)。隨著水位的下降，堆積體穩(wěn)定系數(shù)先降后升，但水位總降幅及總歷時(shí)一定時(shí)，堆積體穩(wěn)定系數(shù)總減小量基本相當(dāng)。水位驟降速率與堆積體穩(wěn)定系數(shù)日增量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)函數(shù)類型為二次拋物線：

ΔK=-0.0004V2+0.0015V-0.0078

(4) 坡體中部碎礫石層及坡腳附近碎塊石土夾砂卵礫石層，構(gòu)成了堆積體的主要滲流通道。水位下降速率越快，坡內(nèi)浸潤線降低幅度越小，內(nèi)外總水頭差越大，滲流力越大，堆積體穩(wěn)定性越差；反之，水位下降速率越慢，對(duì)堆積體穩(wěn)定性的影響越小。