白鶴灘水庫初次蓄水對雙河段岸坡穩(wěn)定性的影響預(yù)測分析

馮文凱，易小宇，白慧林，李大龍，楊 競，尹保國，齊 洋

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，成都 610059；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310014)

20世紀(jì)至今，水庫蓄水造成的塌岸問題頻繁出現(xiàn)，典型的案例如意大利瓦伊昂水庫滑坡[1-2]，其造成的影響巨大，因而水庫岸坡穩(wěn)定性問題成為中外水利水電工程最為重視的研究課題之一。

近幾十年，在中國水利水電工程建設(shè)發(fā)展的背景下，中外學(xué)者對于庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性方面的研究獲得一定成果。對于某一庫區(qū)而言，庫水升降過程、滲流場特征以及岸坡穩(wěn)定性三者之間具有密切的聯(lián)系[3]，其中水位驟降影響效果更為顯著[4]。唐紅梅等[5]基于3D激光掃描技術(shù)，獲得土質(zhì)岸坡變形破壞演化過程，在此過程中孔隙水壓力呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定、波動以及穩(wěn)定增長的變化特征；楊恒等[6]從干濕循環(huán)角度分析土體滲透性的變化，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)過程、次數(shù)對土體質(zhì)量、含水率有較大影響；周劍等[7]結(jié)合三峽庫區(qū)木魚包滑坡長達(dá)15年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Geostudio數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)隨著庫水位的變動，坡體穩(wěn)定性、變形速率均呈現(xiàn)規(guī)律性變化；江強(qiáng)強(qiáng)等[8]通過大型物理模擬，對三峽庫區(qū)老滑坡展開研究，發(fā)現(xiàn)水位抬升過程中坡體變形速率偏低，水位下降過程中變形速率明顯加快；李永康等[9]在秭歸縣白家包滑坡研究中得出相似的結(jié)論；Zheng等[10]建立三種不同角度岸坡模型，通過水位升降得出水位變化過程中岸坡失穩(wěn)過程，認(rèn)為水位變化對岸坡的影響強(qiáng)于靜水位環(huán)境；Tang[11]通過大量調(diào)查統(tǒng)計，總結(jié)出5類塌岸模型，分析得出不同類型塌岸的演化特征及庫水作用機(jī)制；李鵬岳等[12]在研究中同樣選用了Geostudio軟件，其研究發(fā)現(xiàn)庫水抬升過程中坡體穩(wěn)定性呈現(xiàn)先升高再降低的特征，并且水位抬升速率越大，坡體穩(wěn)定性升高后衰減的程度越大。鄧永煌等[13]、趙代鵬等[14]對于庫水引起的付托減重效應(yīng)展開了深入研究。

圖1 岸坡工程地質(zhì)剖面圖(A-A′)Fig.1 Engineering geological profile of bank slope (A-A ′)

從現(xiàn)有研究成果來看，大量研究案例均位于水庫蓄水以后，對于水庫蓄水前進(jìn)行的岸坡穩(wěn)定性預(yù)測分析成果偏少，尤其是對初次蓄水條件的分析不足?；诋?dāng)前水庫岸坡研究成果以及對白鶴灘庫區(qū)詳細(xì)調(diào)查，現(xiàn)選取白鶴灘庫區(qū)一處典型土質(zhì)岸坡為研究對象，采用室外試驗、數(shù)值模擬相結(jié)合的手段對其在將來初次蓄水條件下岸坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行預(yù)測，旨在為后期白鶴灘庫區(qū)的塌岸問題研究提供借鑒和指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

研究對象為云南省巧家縣金塘鄉(xiāng)雙河左岸、金沙江右岸岸坡，地理坐標(biāo)102°59′50.43″E、26°46′21.73″N。該岸坡坡腳為303省道，在建東川格勒-巧家縣高速公路(簡稱格巧高速)從坡肩穿過，線路高程880 m；水庫正常蓄水位825 m，防洪限制水位785 m，死水位765 m。

研究區(qū)屬于中高山地貌，地形變化復(fù)雜，坡頂為斜坡平臺，坡度為10°～15°，分布高程為870～1 070 m；斜坡前緣坡度較陡，為40°～50°，發(fā)育兩條沖溝，坡面局部裸露處受降雨沖刷形成多道水槽，分布高程750～870 m；坡腳地勢平坦，坡度為5°～10°，屬金沙江階地、漫灘，分布于高程750 m以下。該范圍屬于金沙江水系，地下水主要為堆積層內(nèi)孔隙水，以潛水形式分布，部分為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。

根據(jù)野外調(diào)查，研究區(qū)出露基巖分別為二疊系上統(tǒng)峨眉山組(P2β)致密塊狀、氣孔狀玄武巖、二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組(P1q+m)深灰～灰色致密塊狀灰?guī)r，表層巖土風(fēng)化破碎，多呈碎塊狀，灰?guī)r產(chǎn)狀319°∠35°。上覆第四系殘坡積(Q4el+dl)角礫土、沖洪積(Q4al+pl)卵礫石土，結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。角礫土呈淺灰、黃褐色，表層土體呈稍密～中密，中下部土體較密實，碎石、角礫含量為50%～60%，土層厚度為40～70 m(圖2)，主要分布于坡頂平臺。岸坡處于小江斷裂帶內(nèi)，坡頂有一處小江斷裂帶分支斷層(F12-2)穿過，斷層傾角70°，屬于逆斷層(圖3)。

圖2 殘坡積角礫土Fig.2 Rresidual deluvial breccia soil

2 土體物理力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)場取殘坡積角礫土、沖洪積卵礫石土試樣進(jìn)行室內(nèi)物理參數(shù)測試。角礫土天然密度1.56～1.84 g/cm3，天然含水率8%～13%，飽水密度1.60～1.92 g/cm3，飽和含水率19.6%～21.8%，角礫、碎石主要灰?guī)r、玄武巖風(fēng)化殘留物，呈棱角狀～次棱角狀；卵礫石土天然密度1.65～1.82 g/cm3，天然含水率12%～18%，局部已達(dá)到飽和狀態(tài)，含水率約21.3%，飽水密度1.71～1.88 g/cm3。

圖3 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖Fig.3 Engineering geological plan of the study area

由于現(xiàn)場取樣對試樣原生結(jié)構(gòu)造成一定破壞，為了準(zhǔn)確獲取土體天然、飽水條件下力學(xué)參數(shù)，選用法國Phicometre原位巖土兩用鉆孔剪切試驗儀進(jìn)行現(xiàn)場試驗。該設(shè)備主要由剪切探頭、法向應(yīng)力氣壓控制裝置、提供剪應(yīng)力的油壓千斤頂和連桿以及油管等附屬部分組成(圖4)。其原理主要通過法向壓力系統(tǒng)使探頭內(nèi)橡膠模膨脹，將環(huán)形探頭表部剪切刃片壓入土體內(nèi)，再向上逐漸提拉獲得剪切力，并記錄剪切位移，由此得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最后根據(jù)莫爾-庫倫理論求取強(qiáng)度參數(shù)[15]。

在測試前，先對儀器進(jìn)行標(biāo)定，記錄注水量(V)、標(biāo)準(zhǔn)壓力(P)、剪切探頭直徑(D)，由此獲得P-V、D-V關(guān)系曲線，如圖5所示。通過擬合得出P-V、D-V曲線的函數(shù)關(guān)系式：P=10-11V5-2×10-8V4+2×10-5V3-0.008 5V2+1.84V+5.12，R2=0.98；D=0.046 5V+47.62，R2=0.97。

根據(jù)鉆孔剪切儀使用說明，綜合考慮該岸坡地下水、設(shè)計初始法向應(yīng)力等因素，按照式(1)～式(3)對法向應(yīng)力、剪應(yīng)力進(jìn)行修正。

σ=σ0+γw(hw+h0)-Pe

(1)

σ=σ0+γw(hw+h0)-f(V)

(2)

(3)

1為計時器；2為千分表；3為測試數(shù)據(jù)顯示器；4為連桿；5為測力計；6為中空千斤頂；7為測試扎；8為剪切探頭；9為氣壓控制系統(tǒng)；10為千斤頂加壓泵圖4 鉆孔剪切儀組件示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole shear test

圖5 P-V、D-V關(guān)系曲線Fig.5 P-V,D-V relationship curves

式中：σ為法向應(yīng)力修正值，kPa；σ0為初始設(shè)計法向應(yīng)力，kPa；τ為剪應(yīng)力修正值，kPa；Tmax為加載過程中測得剪切破壞后最大剪力，kN；Pe為P=f(V)函數(shù)值，kPa；hw為地下水位深度，m；h0為法向壓力控制裝置內(nèi)穩(wěn)定水位面距離地面高度，m；rw為水的重度；S為剪切表面面積，S=πDL，L為剪切探頭有效長度，D為g(V)函數(shù)值。

經(jīng)修正后，擬合得出如圖6所示的天然、飽和狀態(tài)下殘坡積角礫土正應(yīng)力-剪應(yīng)力(σ-τ)關(guān)系曲線，擬合度較高。通過莫爾-庫倫強(qiáng)度理論分析得出，天然條件下角礫土內(nèi)摩擦角為43.1°，內(nèi)聚力為18.3 kPa，飽水后內(nèi)摩擦角為26.3°，內(nèi)聚力為 7.2 kPa，內(nèi)聚力降幅60.65%，內(nèi)摩擦角降幅40.0%。由此可見，角礫土內(nèi)聚力受含水率的影響程度強(qiáng)于內(nèi)摩擦角，其原因在于角礫土內(nèi)的細(xì)粒組分主要由黏土礦物組成，遇水后原生結(jié)構(gòu)在水分子作用下擴(kuò)張、膨脹，導(dǎo)致土體黏聚強(qiáng)度降低，而角礫之間的摩擦受孔隙水影響程度相對較弱，此時摩擦強(qiáng)度構(gòu)成飽水狀態(tài)下角礫土的主要組成部分。

3 水庫蓄水對岸坡穩(wěn)定性的影響

3.1 模型概化

選用Geostudio軟件中的SEEP模塊、SLOPE模塊進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性耦合分析，主要考慮當(dāng)前水位、死水位線765 m水位、825 m水位條件下的滲流場特征以及岸坡穩(wěn)定性變化特征。計算剖面選取A-A′剖面，該剖面通過勘查鉆孔、野外調(diào)查綜合確定，巖土體層序關(guān)系與實際工程開挖揭露情況一致。

由于岸坡結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，水庫蓄水的影響帶主要在殘坡積角礫土層，為了把握研究對象的主次關(guān)系，對分析模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)概化，以達(dá)到最佳分析結(jié)果。假設(shè)：①地層中玄武巖、灰?guī)r均屬于硬質(zhì)巖，分析圖層中將兩種巖性歸為一類；②模型中不考慮淺樁基、路基對岸坡穩(wěn)定性的影響；③將同一圖層材料視為均質(zhì)體。按上述假設(shè)條件建立如圖7所示的分析模型，共4 924個節(jié)點(diǎn)，4 783個單元，左右兩側(cè)采用水頭邊界，坡面為自由下滲邊界。

圖6 角礫土剪應(yīng)力-正應(yīng)力擬合曲線Fig.6 Fitting curve of shear stress-normal stress of breccia soil

圖7 岸坡模擬分析概化模型Fig.7 Generalization model of bank slope simulation analysis

3.2 計算參數(shù)及條件

圖8 材料土水特征曲線Fig.8 Soil water characteristic curve of materials

模型滲流分析中的土水特征曲線(soil-water characteristic curve，SWCC)基于實測飽和含水率、殘余含水率，滲透系數(shù)取格巧高速公路工程實測值0.042～0.056 cm/s，通過SEEP模塊內(nèi)置Van-Genuchten模型估算角礫土、卵礫石土SWCC曲線(圖8)；基巖采用飽和材料參數(shù)。

數(shù)值模擬旨在研究初次蓄水條件下岸坡穩(wěn)定性特征，主要考慮當(dāng)前水位上升至死水位線765 m，死水位線765 m上升至正常蓄水位825 m兩種工況下岸坡滲流場特征及岸坡穩(wěn)定性特征。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖9所示為當(dāng)前水位條件下岸坡滲流場特征，可以看出，在階地范圍內(nèi)地下水位線存在于卵礫石土層中，水位深度為15～20 m，與前期勘察資料相符；隨著高程增大，地下水位線主要分布在基覆界面，上覆殘坡積角礫土多處于非飽和狀態(tài)，格巧高速公路勘察孔內(nèi)也未見穩(wěn)定地下水。地下水位線形態(tài)與地形具有一致性。

圖9 當(dāng)前水位岸坡滲流場特征Fig.9 Characteristics of seepage field of current water level bank slope

隨著水位上漲，至死水位765 m時，坡腳陡緩變化段地下水位線明顯提高，坡體中后部地下水位線未表現(xiàn)出明顯的提升，地下水位線整體呈現(xiàn)緩-陡-緩的變化趨勢(圖10)。當(dāng)水位升至825 m，地下水位線出現(xiàn)更為顯著的變化，地下水位線提升幅度增大，埋深50～60 m，水位線較緩，無明顯起伏形態(tài)，滲流流線角度約15°(圖11)；按格巧高速公路當(dāng)前規(guī)劃線路，部分樁基將處于地下水位以下。

結(jié)合不同水位條件下岸坡滲流場特征進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性耦合分析。當(dāng)前水位條件下，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.238；當(dāng)水位升至765 m，地下水位線上升，飽和-非飽和過渡帶深度提升，岸坡土體含水率整體提高，土體力學(xué)強(qiáng)度衰減，抗剪切能力減弱，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低至1.098，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，受影響高程段為740～920 m(圖12)；水位再次升高至825 m時，飽水范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，土體含水率區(qū)間增大，岸坡縱深土-水結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，水位線附近土體軟化，并且具有良好臨空條件，坡體穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.010，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，但由于水位線以下大部分受到庫水反壓作用，因而受影響高程段縮小至815～935 m(圖13)。

圖10 765 m水位岸坡滲流場特征Fig.10 Seepage field characteristics of bank slope with 765 m water level

圖11 825 m水位岸坡滲流場特征Fig.11 Seepage field characteristics of 825 m water level bank slope

圖12 765 m岸坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.12 Analysis results of 765 m bank slope stability

圖13 825 m岸坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.13 Analysis results of 825 m bank slope stability

3.4 岸坡穩(wěn)定性影響評價

現(xiàn)有研究成果表明，水對土體的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面，孔隙水作用于顆粒之間，起到潤滑作用，削弱顆粒間摩擦阻力，降低摩擦強(qiáng)度[16]；另一方面，孔隙水與土體發(fā)生反應(yīng)，包括顆粒間膠結(jié)體、土體自身的礦物組分，導(dǎo)致土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，這個過程中化學(xué)溶蝕、離子交換可導(dǎo)致黏聚強(qiáng)度衰減[17]。白鶴灘庫區(qū)蓄水將造成雙河左岸岸坡角礫土結(jié)構(gòu)損傷，加之孔隙水在粗顆粒間的潤滑作用，促使土體黏聚強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度整體降低，從鉆孔剪切試驗結(jié)果可以看出相似的規(guī)律，但庫水對黏聚強(qiáng)度的影響程度大于摩擦強(qiáng)度。

土體結(jié)構(gòu)決定土體的強(qiáng)度，而土體的強(qiáng)度又是維持坡體穩(wěn)定的主控因素。從前述模擬結(jié)果來看，水位由當(dāng)前狀態(tài)逐漸甚至正常蓄水位825 m，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.238降低至1.010，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)(圖14)。在蓄水至765 m的第一階段，岸坡穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯的降低，所影響岸坡高程段較大，也反映出土體對水敏感性較強(qiáng)，在實際蓄水過程中極有可能表現(xiàn)出沿水位面附近向臨空方向發(fā)生蠕滑變形的跡象。當(dāng)水位線由765 m升至825 m時，庫水影響范圍增大，土體強(qiáng)度的進(jìn)一步衰減導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，在坡體陡傾臨空面條件下，構(gòu)成滑動破壞的趨勢。

圖14 岸坡穩(wěn)定性隨水位線變化趨勢Fig.14 Variation trend of bank slope stability with water level line

由于庫水升至825 m后，765 m水位線附近的岸坡區(qū)承受較大的水壓，這種庫水對岸坡的反壓促使這一坡段穩(wěn)定性反而增大，從而表現(xiàn)出庫水影響的岸坡高程段降低，隨著后期庫水的調(diào)度回落，其所影響的范圍極可能再次擴(kuò)大，并且這個過程中的干濕循環(huán)作用對土體強(qiáng)度的影響更為強(qiáng)烈。

4 結(jié)論

通過野外調(diào)查、現(xiàn)場試驗以及庫水作用下的滲流場-穩(wěn)定性耦合分析，得出以下結(jié)論。

(1)白鶴灘庫區(qū)雙河左岸岸坡屬于典型土質(zhì)斜坡，坡體上覆殘坡積角礫土對水敏感性較強(qiáng)，飽水后內(nèi)聚力降低60.65%，內(nèi)摩擦角降低40.0%，內(nèi)聚力受影響程度大于內(nèi)摩擦角。

(2)初期蓄水至正常蓄水位825 m，隨著水位的上升，岸坡表現(xiàn)出不同的滲流場特征，坡體穩(wěn)定性逐漸降低至臨界失穩(wěn)狀態(tài)，整個過程中，降幅先大后小。

(3)庫水對岸坡土體強(qiáng)度的影響顯著，土體結(jié)構(gòu)遇水損傷、強(qiáng)度衰減是岸坡穩(wěn)定性惡化的主要原因；水位線以下一定深度的反壓作用有利于岸坡局部坡段的穩(wěn)定性，庫水由765 m升至825 m，庫水影響高程段由740～920 m縮減至815～935 m。