大型深厚緩坡細(xì)粒土堆積體水庫坍岸機(jī)理研究

方 力， 胡 卸 文

(西南交通大學(xué)，四川 成都 611756)

1 概 述

自意大利瓦依昂滑坡[1]、中國千將坪滑坡[2]等大型水庫滑坡發(fā)生后，庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性問題得到越來越多的關(guān)注[3]。嚴(yán)福章等[4]研究發(fā)現(xiàn)引發(fā)庫區(qū)滑坡的重要因素是庫水位升降導(dǎo)致滑帶土抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化。王士天等[5]發(fā)現(xiàn)庫水位快速漲落最易引起滑坡發(fā)生。

從已有研究成果發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)坍岸普遍集中發(fā)生于土質(zhì)邊坡，且一般土體顆粒較粗、坡體較陡的岸坡。而對于深厚緩坡細(xì)粒土堆積體由于其地形坡度緩，一般小于10°，通常認(rèn)為不會發(fā)生大型坍岸變形。因此，對此類大型堆積體水庫坍岸機(jī)理較少涉及[6-7]。寶興河磽磧水電站于2016年建成并組網(wǎng)發(fā)電，其庫水位每年在2 060～2 140 m之間漲落變化。高達(dá)80 m的庫水位變化必然影響庫區(qū)兩岸邊坡坡體內(nèi)地下水運(yùn)行環(huán)境，并形成磽磧庫區(qū)特殊的復(fù)合水環(huán)境動力效應(yīng)，極大地影響和控制庫區(qū)水庫坍岸發(fā)生頻率與規(guī)模，其中以螞堆5號堆積體坍岸最為特殊。該堆積體覆蓋層深厚，顆粒較細(xì)，整體地形坡度緩。根據(jù)以往認(rèn)知，基本不具備發(fā)生大型坍岸條件，但卻在水庫蓄水后十多年間一直處于蠕滑變形狀態(tài)，而且有愈演愈烈趨勢。因此，以螞堆5號堆積體為例，探討大型深厚緩坡細(xì)粒土堆積體水庫坍岸機(jī)理，對該庫區(qū)以及類似水動力條件庫區(qū)坍岸預(yù)測和防治具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。

2 螞堆5號堆積體空間分布及坍岸變形特征

2.1 堆積體基本特征

螞堆5號堆積體位于螞蝗溝右岸，距壩址3.36 km，地貌上為緩坡形態(tài)，堆積體順坡長約690 m，沿河寬約830 m，后緣分布高程2 244 m，前緣分布高程2 075 m，螞堆5號堆積體全景見圖1。堆積體主要由早期冰緣凍融堆積粉土質(zhì)礫組成，結(jié)構(gòu)較松散，堆積體厚度20～70 m，估算規(guī)模約511萬m3。

圖1 螞堆5號堆積體全景

根據(jù)鉆孔揭露，堆積體下伏地層為泥盆紀(jì)千枚巖夾少量灰?guī)r，埋深20～70 m，其表層冰緣凍融堆積碎石土(Q4Prgl)，天然密度20.2～22.2 kN/cm3， >200 mm大塊石少見，而<0.005 mm的黏粒則普遍在12%～33%之間，細(xì)顆粒成分(<0.075 mm)占22%～59%，按土工規(guī)范上可定名為 “礫質(zhì)黏土”。

2.2 堆積體坍岸變形破壞特點(diǎn)

2006年首次蓄水以來，該堆積體前緣就一直存在緩慢蠕滑變形， 2008年5·12地震時，坍滑后緣邊界已經(jīng)到達(dá)環(huán)湖公路部位，出現(xiàn)路基下沉，而且使建造在坡上、坡腳的居民建筑嚴(yán)重受損，最后無法居住。在隨后的15 a中，坍岸一直在持續(xù)發(fā)展，后緣邊界已經(jīng)到達(dá)2 200 m。具體表現(xiàn)為滑體后緣拉張裂縫，中部多級錯臺及兩側(cè)由錯動造成的剪切裂縫。目前各級裂縫性狀不穩(wěn)定，呈繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大趨勢，螞堆5號堆積體坍岸滑坡工程地質(zhì)平面圖和螞堆5號堆積體坍岸滑坡A-A′工程地質(zhì)剖面圖見圖2、3。

圖2 螞堆5號堆積體坍岸滑坡工程地質(zhì)平面圖

3 深厚緩坡細(xì)粒土堆積體坍岸機(jī)理

3.1 數(shù)值模擬

根據(jù)螞堆5號堆積體地質(zhì)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Geo-Studio有限元數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型。堆積體組成概化為三種材料：上部覆蓋層(粉質(zhì)黏土)、中部夾層(碎石土)、下部基巖(千枚巖)。上部和中部覆蓋層采用彈塑性材料模型，底部基巖采用理想彈性材料。模型垂直庫水方向?yàn)?00 m(X軸方向)，豎直方向?yàn)?00 m(Y軸方向)。左右兩側(cè)邊界施加水平向位移約束，底邊界施加位移全約束，其余坡面邊界為自由邊界。有限元數(shù)值計(jì)算本構(gòu)模型見圖4。

圖3 螞堆5號堆積體坍岸滑坡A-A′工程地質(zhì)剖面圖

圖4 有限元數(shù)值計(jì)算本構(gòu)模型

3.1.1 計(jì)算模型本構(gòu)方程及參數(shù)選取

無論坍岸堆積體所在土體是否飽水，地下水在其中運(yùn)動均滿足達(dá)西定律及質(zhì)量守恒原則。其不同之處在于非飽和土的滲流系數(shù)k是一個變量，其隨孔隙水壓力和土體含水率的變化而變化[8]。多孔介質(zhì)下滲流微分方程為[9]：

(1)

式中kx,ky分別為水平方向x和豎直方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；h為總水頭；n為體積含水率；t為時間。

邊界條件包括水頭邊界條件和流量邊界條件，可分別表示為

(2)

式中h、h1分別為滲流場水頭和Γ1類邊界條件下的已知水頭;q為Γ2類邊界條件下單位面積流量(m3/s)；Lx，Ly分別為Γ2類邊界x，y方向的單位法向量。

在設(shè)置滲流邊界條件時，由于堆積體底部千枚巖滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于其他各層，所以在模擬計(jì)算中和左右兩側(cè)邊界一同視為不透水介質(zhì)邊界。2 060～2 140 m坡體表面設(shè)置動水頭邊界，后緣設(shè)置定水頭邊界。

3.1.2 庫水位變動下堆積體岸坡地下水滲流場動態(tài)分析

為研究螞堆5號堆積體坡內(nèi)地下水在磽磧水庫調(diào)蓄過程中滲流場動態(tài)變化，選取一個水文年水位變動作為滲流模擬計(jì)算工況，庫水位運(yùn)行見圖5，共計(jì)350 d。初始水位為最高蓄水位2 140 m，隨后緩慢下降，經(jīng)130 d降至最低蓄水位2 060 m，接著回升到2 140 m。

圖5 磽磧水電站庫水位運(yùn)行圖

地下水滲流場數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖6～8，該類深厚緩坡細(xì)粒土堆積體內(nèi)地下水滲流場隨庫水位的升降而發(fā)生顯著變化。在最初階段(0～80 d)，庫水位從2 140 m緩慢降至2 113 m，浸潤線前緣呈輕微的外凸形，地下水位線與庫水位基本持平。說明隨庫水位下降，坡體內(nèi)地下水緩慢補(bǔ)給庫水且滯后效應(yīng)并不明顯。在隨后的80～130 d，水位快速下降，滑坡體前緣浸潤線呈較為明顯的外凸形，說明在庫水位快速下降過程中，地下水浸潤線的下降速率明顯小于庫水位的下降速率，存在明顯的滯后性。庫水位在130 d時到達(dá)2 060 m最低蓄水位，隨后130～300 d，緩慢抬升，在此過程中滑坡體內(nèi)浸潤線呈輕微內(nèi)凹形，說明隨著庫水位的抬升庫水逐步補(bǔ)給地下水。300～350 d，水庫在2 140 m最高蓄水位附近穩(wěn)定運(yùn)行。堆積體前緣的壅水逐步向中、后緣消散，前緣浸潤線也由內(nèi)凹形逐漸恢復(fù)平緩，最后與庫水位基本持平。說明庫水位上升并于高水位穩(wěn)定運(yùn)營過程中，庫水位對堆積體內(nèi)地下水的補(bǔ)給是由表及里逐步擴(kuò)展的，且需一定時間才能形成穩(wěn)定的地下水滲流場。

圖6 庫水位下降初期地下水滲流場(0～80 d)

圖7 最低庫水位下地下水滲流場(130 d)

圖8 庫水位上升至正常蓄水位下的地下水滲流場(130～300 d)

3.2 基于庫水位變化的緩坡細(xì)粒土堆積體岸坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合螞堆5號堆積體坍岸滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值(表1)，對該堆積體庫水位變化下的穩(wěn)定性計(jì)算以A-A’剖面為例，結(jié)合坡面各級拉裂縫為后緣邊界，進(jìn)行各級潛在弧形滑面計(jì)算分析，顯示在蓄水2 100 m條件下坍岸體的穩(wěn)定性最差，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 螞堆5號堆積體坍岸滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值

表2 螞堆5號堆積體坍岸滑坡最不利蓄水位下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：該堆積體天然工況下分別處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)都小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這說明該堆積體在歷經(jīng)10多年自然演化后仍處于不穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)。尤其受庫水位下降時由于地下水位產(chǎn)生的動水壓力變化是其坍岸的主要原因。

3.3 緩坡細(xì)粒堆積體坍岸變形機(jī)理分析

結(jié)合數(shù)值模擬分析計(jì)算得出的堆積體受庫水位變化的剪應(yīng)變和總位移量(圖9～12)，表明該類堆積體在正常庫水位驟降前，受庫水浮托作用，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。一旦庫水位驟降，堆積體內(nèi)由于滲透性較差，地下水不能同步降落，從而形成水頭差，產(chǎn)生較大的動水壓力，而不利于坡體穩(wěn)定。

圖9 庫水位下降初期最大剪應(yīng)變

圖10 庫水位下降至最低點(diǎn)最大剪應(yīng)變

圖11 庫水位下降初期總位移量

圖12 庫水位下降至最低點(diǎn)總位移量

通過對布設(shè)于該堆積體上的2個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果對比(圖13)，顯示堆積體坍岸變形主要發(fā)生在庫水位下降期間(80～130 d)，且呈前緣(MD1)較大，后緣(MD2)較小的分布形態(tài)，具有明顯的牽引式運(yùn)動特征。

圖13 緩坡細(xì)粒土堆積體坍岸地表監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對比

4 結(jié) 語

采用飽和-非飽和滲流有限元方法，對寶興河磽磧水電站螞堆5號緩坡細(xì)粒土堆積體在水庫庫水位變化中地下水滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，表明在庫水位驟降過程中，該類土體滲透性較差，地下水浸潤線的變化呈凸形，尤其在堆積體邊坡前緣形成較大地下水動水位差，是導(dǎo)致該類岸坡大型坍岸的主要原因。

分析表明，螞堆5號堆積體坍岸變形演化過程與庫水位漲落密切相關(guān)，且是一個不可逆的累進(jìn)過程。在水位上升及高水位穩(wěn)定運(yùn)營期間，螞堆5號體主要發(fā)生沿深層滑帶的緩慢整體變形，位移量相對較小。在水位下降過程中坍岸變形明顯增大，且以堆積體前緣最為突出，并逐漸牽引向堆積體的中、后緣發(fā)展。

螞堆5號緩坡細(xì)粒土堆積體坍岸變形受內(nèi)外因素共同影響，由于庫水位迅速漲落，在坡體內(nèi)外易產(chǎn)生水頭差，形成動靜水壓力，進(jìn)而與基質(zhì)吸力發(fā)生耦合作用，不利于坡體的穩(wěn)定。