山區(qū)水庫蓄水誘發(fā)庫岸滑坡穩(wěn)定性分析及處治措施研究

吳龍生，楊 輝

(1.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限公司，貴州 貴陽 550081；2.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)

1 工程概況

筲箕灣庫岸滑坡位于貴州省內(nèi)構(gòu)皮灘水電站庫區(qū)左岸的甕安縣珠藏鎮(zhèn)方家寨，滑體前緣發(fā)生滑坡，方量約5.6×104m3，滑坡后緣開裂、錯臺變形明顯，局部房屋出現(xiàn)開裂，受滑坡威脅人數(shù)總計(jì)有73戶，193人，威脅固定資產(chǎn)達(dá)3000余萬元。

工程區(qū)內(nèi)的烏江河道總體成NEE向，地形呈階梯狀上升，河道兩岸山脊走向?yàn)镹NE向，由堅(jiān)硬灰?guī)r組成山脊；軟弱巖層出露地段則相對低凹，形成順?biāo)飨蜾忼X狀起伏的單面山地形。工程區(qū)被烏江及大小支流切割，河谷狹窄岸坡陡峻。工程區(qū)出露的地層主要有第四系殘坡積層(Qedl)黏土夾碎石，鉆孔揭露深度為5 m～19.4 m，以及二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)的中厚層深灰色燧石灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖與煤層，巖層產(chǎn)狀為345°<25°～30°。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡特征

按地表物質(zhì)組成、地貌及變形特征，筲簊灣庫岸滑坡可大致分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)，具體分區(qū)見圖1。

圖1 庫岸邊坡分區(qū)示意圖

各區(qū)特征分述如下：

(1)Ⅰ區(qū)位于庫岸邊坡的右側(cè)，區(qū)內(nèi)覆蓋層主要物質(zhì)成分為黏土夾碎石等堆積體組成，區(qū)內(nèi)住戶房屋局部由于地基不均勻變形而開裂，地表無開裂現(xiàn)象，局部有泉點(diǎn)發(fā)育，屬于暫時穩(wěn)定區(qū)。

(2)Ⅱ區(qū)位于整個庫岸邊坡中部，分布高程614 m～820 m，場區(qū)建筑物主要分布于該區(qū)。

①Ⅱ-1區(qū)

該區(qū)為已滑動區(qū)，位于庫岸邊坡前緣，滑坡整體近似呈“橢圓”狀，滑坡體前緣滑動后部分滑體進(jìn)入水庫，產(chǎn)生高約20 m滑坡壁?；w沿垂直河流向長30 m～60 m，順河流向?qū)?80 m～220 m，厚10 m～20 m，滑塌方量約5.6×104m3。

受滑坡壁高、陡等影響，距滑坡后緣水平距離5 m～20 m范圍出現(xiàn)了不少拉裂縫，其中發(fā)育有寬、大裂隙2條，均為NW向，裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)見圖2。

圖2 滑坡后緣裂縫發(fā)育照片

②Ⅱ-2區(qū)

該區(qū)為潛在滑動區(qū)，位于Ⅱ區(qū)后緣，覆蓋層物質(zhì)成份主要為殘坡積黏土夾碎石。該亞區(qū)前緣接Ⅱ-1區(qū)滑坡后緣，滑坡后緣若進(jìn)一步失穩(wěn)，可能牽引該亞區(qū)變形發(fā)展。潛在滑動體滑床為二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)中厚層深灰色燧石灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，巖層產(chǎn)狀345°<30°～45°。

(3)Ⅲ區(qū)為觀測區(qū)，位于庫岸邊坡的左側(cè)，區(qū)內(nèi)覆蓋層主要物質(zhì)成分為松散黏土夾碎石組成，區(qū)內(nèi)住戶房屋、地形均無開裂，屬于暫時穩(wěn)定區(qū)。

2.2 成因分析

由上述特征可知，Ⅰ區(qū)及Ⅲ區(qū)為暫時穩(wěn)定區(qū)，Ⅱ區(qū)為變形區(qū)，故滑坡成因分析重點(diǎn)為Ⅱ區(qū)。

(1)Ⅱ-1滑坡區(qū)變形成因分析

該區(qū)位于庫岸邊坡的前緣，靠近庫岸碼頭，屬于庫岸再造范圍，其前緣長期遭受庫水的浸泡及沖刷作用，逐漸形成局部的陡坎和臨空面，為覆蓋層發(fā)生滑坡創(chuàng)造了條件[1]。汛期暴雨使得區(qū)內(nèi)這一松散不穩(wěn)定土體重度增大，下滑力增加，土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)減小，加之庫水反復(fù)升降過程中對前緣土體沖刷和浸泡，阻滑力進(jìn)一步下降后，引起岸坡前緣覆蓋土層發(fā)生滑坡。蓄水位與邊坡關(guān)系見圖3。

圖3 蓄水位與邊坡關(guān)系示意圖

滑坡發(fā)生后，滑坡體覆蓋在原先被架空坡腳土體上，暫時形成了新的阻滑力，且滑床中下部新坡率較緩，邊坡暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著庫水位對新坡腳的不斷沖蝕，坡腳阻滑力下降后，可能會誘發(fā)新的滑坡產(chǎn)生，滑向庫區(qū)，阻礙河道自由暢流。

根據(jù)上述分析，推斷Ⅱ-1滑坡區(qū)變形模式為蠕滑-拉裂破壞模式，為水庫蓄水誘發(fā)的覆蓋層牽引式滑坡。

(2)Ⅱ-2潛在滑坡區(qū)成因分析

該亞區(qū)位于Ⅱ區(qū)前緣，區(qū)內(nèi)前緣接Ⅱ-1區(qū)滑坡體后緣。該區(qū)前緣平臺由于滑坡的發(fā)生，形成了具有高、陡特點(diǎn)的臨空面，滑坡后緣已發(fā)生明顯拉裂變形，產(chǎn)生多條近平行于新臨空面的拉裂縫，且臨空面的坡率較陡，使得該區(qū)前緣堆積體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或干濕交替等作用下，土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，極易引發(fā)Ⅱ-2區(qū)覆蓋層滑坡。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土試驗(yàn)成果及參數(shù)反演分析，并類比同類巖土層工程經(jīng)驗(yàn)[2-3]，筲箕灣滑坡巖、土體物理力學(xué)參綜合取值見表1。

3.2 計(jì)算剖面、方法及工況

選取地質(zhì)剖面1-1′、2-2′、3-3′、4-4′、5-5′、6-6′共六個剖面進(jìn)行滑坡穩(wěn)定分析。剖面線位置見圖4。

邊坡整體滑坡模式為覆蓋層沿基巖面的折線滑動，故采用瑞典條分法進(jìn)行穩(wěn)定性評價和推力計(jì)算，用Bishop法進(jìn)行校核。由于工程區(qū)相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好，因此不考慮地震荷載，故只考慮天然和暴雨兩種工況。

表1 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值表

圖4 滑坡穩(wěn)定分析剖面布置

3.3 計(jì)算結(jié)果

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 滑坡整體穩(wěn)定分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，可知Ⅱ區(qū)1-1′至5-5′在正常工況下是穩(wěn)定的，但在最不利工況下處于暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài)，不能滿足設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對Ⅱ區(qū)的1-1′至5-5′剖面之間的邊坡進(jìn)行加固處理。

Ⅲ區(qū)6-6′剖面在最不利工況下整體是穩(wěn)定的，無需對邊坡整體穩(wěn)定進(jìn)行防護(hù)，應(yīng)根據(jù)Ⅲ區(qū)中部房屋布置情況，對局部陡坎邊坡進(jìn)行防護(hù)即可。

3.4 數(shù)值模擬分析

選取3-3′典型剖面建立數(shù)值計(jì)算模型，采用有限單元法模擬滑坡后治理前天然工況下邊坡的應(yīng)力-應(yīng)變情況，進(jìn)一步對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價。數(shù)值模擬結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 Z方向位移云圖

圖6 Y方向位移位移云圖

圖7 剪應(yīng)力云圖

圖8 塑性區(qū)分部圖

由圖5～圖8可知，滑坡發(fā)生后，治理前天然工況下，基覆界面基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，再次沿基覆界面發(fā)生滑動的可能性較小。但是，由于前緣覆蓋層滑坡，滑體后緣成為上部(Ⅱ-2區(qū))覆蓋層新的臨空面，且坡度較陡。數(shù)值模擬結(jié)果表明，該部位坡腳剪切應(yīng)力最大，Z和Y方向位移量數(shù)字較大，易沿坡腳向上發(fā)展產(chǎn)生新的滑動面，在Ⅱ-2區(qū)覆蓋層內(nèi)發(fā)生次級滑坡。

上述分析可知，天然工況下Ⅱ-2區(qū)基覆界面雖整體穩(wěn)定，但沿基覆界面出現(xiàn)了不連續(xù)屈服單元，在Ⅱ-2區(qū)若不采取抗滑措施，在暴雨工況或其他較大擾動因素作用下則有可能發(fā)生塑性區(qū)貫通，在基覆界面上發(fā)生新的滑坡。

4 治理措施及效果

4.1 治理措施

山區(qū)水庫蓄水誘發(fā)的庫岸滑坡，因水庫周期性及不定期蓄水、泄洪客觀存在，從而無法從根本上解除滑坡的主要誘因。因此，此類滑坡治理措施只能從滑坡本身著手，即減小下滑力，增加抗滑力[4-5]。根據(jù)筲箕灣滑坡的實(shí)際情況，采取的應(yīng)急處理措施為：抗滑樁+削坡?lián)跬?截排水。

(1)抗滑樁

抗滑樁已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)邊坡及滑坡治理中，是增加抗滑力的有效手段，成為滑坡治理最重要的措施之一。由穩(wěn)定性分析可知，筲箕灣滑坡Ⅱ-2區(qū)為潛在滑坡部位，在最不利工況下仍有滑坡可能，故抗滑樁布置在Ⅱ-2區(qū)垂直于潛在滑坡方向上，根據(jù)錨固段長度不同，樁長15 m～35 m，直徑為2 m，間距為3 m～4 m，抗滑樁共計(jì)90根。

(2)削坡?lián)跬?/p>

Ⅱ-2區(qū)前緣臨空面的坡率較陡，且后緣已發(fā)生明顯拉裂變形，在暴雨或因庫水漲跌干濕交替等作用下，易發(fā)生覆蓋層次級滑坡。坡率法是治理邊坡的最簡單實(shí)用的方法，Ⅱ-2區(qū)坡腳部位無村民住房，可采用削坡法減緩滑坡體坡度。Ⅱ-2區(qū)坡腳處修建M7.5漿砌石重力式擋土墻，擋墻完成后，滑坡前緣陡坎削方減載的土方及截水溝、擋土墻基礎(chǔ)開挖剩余的土石渣回填于擋土墻背側(cè)，并采用挖掘機(jī)碾壓壓實(shí)，形成1∶2的坡率。

(3)截排水

地下水及地表水入滲是導(dǎo)致滑坡的重要誘因之一，筲箕灣庫岸滑坡主要成因雖然為庫水反復(fù)升降過程中沖刷和浸泡前緣土體，但滑坡后緣已出現(xiàn)張拉裂縫，為地表水入滲潛在滑動面提供了有利條件。因此，在Ⅱ-2區(qū)削方減載開挖邊界外側(cè)修筑截水溝，以減少地表水入滲量。

4.2 治理效果分析

(1)治理后數(shù)值分析

采用有限元計(jì)算法模擬抗滑樁+削坡?lián)跬林卫砗蠡聽顟B(tài)。Ⅱ-2區(qū)施加抗滑樁，并對新臨空面進(jìn)行削坡減率后，數(shù)字模擬Z方向位移見圖9，Y方向位移見圖10，抗滑樁Z方向上位移量較小，即沉降量很小，這是因?yàn)榭够瑯兜撞课挥诜€(wěn)定的基巖上。削減Ⅱ-2區(qū)新臨空面(滑坡后緣)坡率并砌筑擋土墻后，數(shù)值模擬的位移量由治理前厘米級變?yōu)橹卫砗蠛撩准墑e，表明該部位覆蓋層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 支護(hù)后Z方向位移云圖

圖10 支護(hù)后Y方向位移位移云圖

(2)變形監(jiān)測分析

筲箕灣庫岸滑坡開展了抗滑樁應(yīng)力觀測、抗滑樁裂縫觀測與抗滑坡體表面變形監(jiān)測三項(xiàng)安全監(jiān)測工作。其中，抗滑坡體表面變形監(jiān)測在抗滑坡體上設(shè)置了綜合位移標(biāo)點(diǎn)6個，布置位置見圖11，在抗滑坡周邊設(shè)置二等三角網(wǎng)點(diǎn)3個，組成二等三角水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)，對抗滑坡體位移標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行前方交會觀測。

抗滑坡體表面變形監(jiān)測于觀測墩完工后2個月測取初始值，抗滑樁施工完畢后按照1次/月的觀測頻率對滑坡外部變形進(jìn)行觀察，坡體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化見圖12。

TP1～TP4位于抗滑樁冠梁上，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，抗滑樁變形大致經(jīng)歷了3個階段：一是滑坡治理施工期間的加速變形階段，二是治理后的緩慢變形階段，三是穩(wěn)定階段，4個觀測點(diǎn)中TP2由于處于主滑部位上，其累計(jì)變形量最大。TP5及TP6位于擋土墻上，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，擋墻部位變形經(jīng)歷兩個階段：加速變形期和緩慢變形期，且變形量相對較大。總體看來，6個觀測點(diǎn)的變形值均小于30 mm，表明治理后滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 觀測點(diǎn)布置示意圖

圖12 滑坡變形觀測成果表

5 結(jié)語

(1)筲箕灣庫岸滑坡其前緣長期遭受庫水的浸泡及沖刷作用，為水庫蓄水誘發(fā)的覆蓋層牽引式滑坡，主要誘因無法解除的情況下，采用抗滑樁+削坡?lián)跬?截排水綜合手段進(jìn)行治理，數(shù)值模擬分析及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，治理后滑坡體外部變形在可控范圍內(nèi)。

(2)山區(qū)水庫蓄水誘發(fā)庫岸滑坡體量較大的情況下，治理抗滑樁數(shù)量較多，深度較大，采用機(jī)械成孔灌注樁，速度較快，安全隱患較小，能夠適應(yīng)應(yīng)急處理的要求。