水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析與工程治理

李燕宏，張慧穎

(1.云南省元謀縣水務(wù)局，云南 楚雄 651300； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201)

1 概 述

隨著大量水庫(kù)工程項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，水庫(kù)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象也日益突出。1961年3月6日，湖南資水柘溪水庫(kù)在蓄水初期，后壩上游右岸巖體突然發(fā)生高速滑坡，總體積約165×104m3，形成高21 m的涌浪，漫過(guò)壩頂，沖毀了壩上臨時(shí)擋水物并造成人員傷亡[1]。1963年10月9日，意大利瓦依昂水庫(kù)左岸近壩地段發(fā)生巨型滑坡，激起高250 m的涌浪，翻越壩頂，滑坡導(dǎo)致整個(gè)水庫(kù)失效報(bào)廢，沖毀隆加羅尼等附近多個(gè)村莊，遇難人數(shù)高達(dá)1 925人[2]。1976-1985年，湖北省黃龍?zhí)端娬鞠群蟀l(fā)生滑坡73次，總體積達(dá)9 000×104m3以上，且這些滑坡體大多集中在居民和耕地區(qū)，對(duì)百姓造成較大的損失[3]。這些事故對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了威脅，因此對(duì)水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分必要的。本文以某水庫(kù)邊坡為研究對(duì)象，首先對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，然后提出相應(yīng)的工程治理方案。

2 工程概況

水庫(kù)位于云南西北部的東西向轉(zhuǎn)南北向的小河溝谷中，分山嶺最高2 122.30～2 054.88 m，一般為1 827.20～2 021.80 m左右，河床高程1 688～1 723 m，山頂與河床相對(duì)高差139.20～298.80 m。河谷兩岸坡呈V形，谷底呈U形，為山間狹窄型河谷，局部因發(fā)育一級(jí)階地而為寬谷式河谷。壩址區(qū)河床高程1 683.07～1 684.50 m，左岸地形坡度為30°～45°。

整個(gè)滑坡體區(qū)域地勢(shì)西(后緣)高東(前緣)低，局部呈階梯狀斜坡地貌，上陡下緩。根據(jù)勘察結(jié)果，巖層傾向北西，傾角20°～40°，為單斜巖層。地層連續(xù)性好，巖層產(chǎn)狀基本穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層南西端穿過(guò)左壩肩，上盤為C3d地層，下盤為C3d、C3w、P1z地層，力學(xué)性質(zhì)為壓扭性，斷裂面傾向南東，傾角73°，斷層帶寬約3～5 m；由壓碎巖及糜棱巖組成，為阻水?dāng)嗔选?/p>

3 滑坡體計(jì)算模型建立

3.1 滑坡模型

基于有限元計(jì)算模型，研究在地震作用下滑坡的發(fā)生以及發(fā)展過(guò)程[4-6]。首先將土體假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)的、線彈性體、均質(zhì)各向同性體材料，然后將水庫(kù)左岸邊坡地形圖導(dǎo)入模型軟件，通過(guò)等高線建立三維實(shí)體模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔勘察結(jié)果和臨空面揭露的左岸邊坡土體情況，將邊坡土體劃分為3層，左岸邊坡三維模型劃分為37 491個(gè)單元、8 063個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再將模型導(dǎo)入計(jì)算軟件，見圖1。

圖1 有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

本次分析選用Mohr-Coulomb塑性模型。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘察綜合分析，選取的滑坡體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 滑坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)本次分析自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析，將圖1中水庫(kù)左岸邊坡模型施加靜力邊界條件，在模型的四周施加法向位移約束，底部施加豎直向位移約束。

4 滑坡體穩(wěn)定性分析

4.1 位移場(chǎng)

滑坡體沿Z向的位移和整體位移見圖2。

圖2 滑坡體位移圖

從圖2可以看出：①滑坡體中部及上部表層位置均發(fā)生沉降，最大沉降發(fā)生在滑坡體頂部位置，最大沉降量達(dá)8.95 cm；②位移矢量集中分布于滑坡體上層后緣部位，并指向坡腳位置，這與整體位移云圖所表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)是一致的，同時(shí)也表明滑坡體有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)

滑坡體主應(yīng)力云圖、切應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖見圖3。

圖3 滑坡體應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖

從圖3可以看出：①滑坡體并未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，基本上以壓應(yīng)力為主；②基巖附近的滑坡體主應(yīng)力等值線平滑，但在位于滑坡體中層和淺層土體附近產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，這表明滑坡體可能沿土體中層和淺層滑面發(fā)生破壞。滑坡體中分布有大量塑性區(qū)，且出現(xiàn)有零星的拉張區(qū)域，也說(shuō)明該區(qū)域可能發(fā)生破壞。

5 滑坡體加固措施

5.1 加固方案

對(duì)于淺層地表使用土釘加固，長(zhǎng)度3 m，共布設(shè)土釘22根；深層土體使用錨桿加固，共布設(shè)錨桿13根，長(zhǎng)度為30 m；角度均為10°。同時(shí)，表層土體使用不透水混凝土噴護(hù)加固，具體加固模型見圖4。

圖4 加固措施

5.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求，在邊坡土體表層噴混凝土，其強(qiáng)度一般工程不得低于C15，重要工程不低于C20，在此選取噴射混凝土C20噴射于邊坡表面進(jìn)行防護(hù)。錨桿、土釘及混凝土單元參數(shù)取值見表2。

表2 錨桿、土釘及混凝土物理力學(xué)參數(shù)

5.3 位移場(chǎng)

加固后的滑坡體沿Z向的位移和整體位移見圖5。

圖5 加固后滑坡體位移圖

從圖5可以看出，加固后滑坡體位移主要以沉降位移為主，最大位移2.83 cm，越靠近中部臨空面，位移以橫向位移為主。與治理前相比，其位移量也降低了一個(gè)量級(jí)，表明錨桿及土釘約束住了邊坡的橫向位移，起到了加固邊坡的作用。

5.4 應(yīng)力場(chǎng)

加固后的滑坡體主應(yīng)力云圖、切應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖見圖6。

圖6 加固后滑坡體應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖

從圖6可以看出，加固后滑坡體的塑性區(qū)主要集中在邊坡表層上部及中部區(qū)域，邊坡表層塑性零星擴(kuò)張區(qū)域大量減少，表明滑坡體是穩(wěn)定的。

6 結(jié) 論

以某水庫(kù)左岸邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法，研究了滑坡體加固前后的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)域響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)實(shí)勘測(cè)結(jié)果吻合。加固前，位于滑坡體中層和淺層土體附近產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，邊坡將沿土體中層和淺層滑面發(fā)生破壞。加固處理后，由于錨桿和土釘?shù)淖饔?，邊坡位移大幅度下降；塑性區(qū)分布主要集中在邊坡表層中部及中部偏下區(qū)域，邊坡表層塑性零星擴(kuò)張區(qū)域也大量減少，加固措施起到了顯著的治理作用。