白鶴灘遷建集鎮(zhèn)變形體的變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析

高 翔，吳佳佳，雷進(jìn)生，黨潤(rùn)萌，劉婉純

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變形體的變形失穩(wěn)是造成滑坡災(zāi)害的因素之一。眾多學(xué)者已在變形體失穩(wěn)的預(yù)測(cè)和治理方面做了很多研究，并取得了大量成果[1- 3]。黃澗秋[4]收集了大量典型大型滑坡災(zāi)害實(shí)例，并對(duì)重點(diǎn)涉及不同的地質(zhì)環(huán)境條件和坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的大型滑坡進(jìn)行了深入的分析和討論。張小寶[5]根據(jù)地質(zhì)概況，對(duì)變形體的發(fā)展演化過(guò)程進(jìn)行了機(jī)理分析。呂耀成[6]通過(guò)基本地質(zhì)條件，研究工程地質(zhì)特征，分析成因機(jī)制及力學(xué)特征，并采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法，評(píng)價(jià)了變形體的穩(wěn)定性。姜龍[7]應(yīng)用D-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究了阿拉溝水庫(kù)庫(kù)區(qū)左岸變形的變形破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)變形體的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。因此，當(dāng)工程中遇到存在變形體問(wèn)題，查明其形成的背景、變形破壞機(jī)理以及可能出現(xiàn)的破壞類型，以保障工程建設(shè)的順利進(jìn)行以及建成后的正常運(yùn)行。

本文以白鶴灘遷建集鎮(zhèn)變形體為工程實(shí)例，從變形破壞特征及成因機(jī)制等方面進(jìn)行研究分析，采用有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算其不同工況下的穩(wěn)定性，為后續(xù)工程處理措施提供理論支撐。

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段(攀枝花至宜賓)，是金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個(gè)梯級(jí)水電站中的第2級(jí)。為滿足白鶴灘電站樞紐區(qū)和圍堰區(qū)移民搬遷的需求，在四川省涼山州寧南縣及云南省巧家縣規(guī)劃了移民安置點(diǎn)。寧南縣白鶴灘鎮(zhèn)新址為樞紐區(qū)移民安置點(diǎn)之一，該場(chǎng)地位于金沙江左岸新建村斜坡上。新建村斜坡總體地勢(shì)西北高南東低，前緣臨金沙江，后緣分水嶺高程2680m，水庫(kù)蓄水后，將淹沒(méi)高程825m以下區(qū)域。新址場(chǎng)地位于新建村斜坡中部，分布高程833～1064m，占地面積約49.20萬(wàn)m2，規(guī)劃安置移民人數(shù)4507人。

新建村斜坡地質(zhì)構(gòu)造上存在變形體，變形體前緣位于寧南縣白鶴灘鎮(zhèn)新址場(chǎng)地上部，幾乎緊挨著集鎮(zhèn)。變形體內(nèi)存在層間錯(cuò)動(dòng)帶C8，為順層軟弱面，分布在凝灰層頂層，受該軟弱面的影響，變形體存在下滑的可能。

2 基本地質(zhì)條件及變形機(jī)理分析

2.1 地貌特征

變形體位于新建村斜坡Ⅱ區(qū)、白鶴灘鎮(zhèn)遷建工程新址場(chǎng)地西側(cè)，3#、4#沖溝之間，分布高程范圍為1010～1190m，面積1.04×105m2，體積125×107m3。后緣高程1190～1145m，呈圈椅狀負(fù)地形；前緣高程1030～1010m，機(jī)耕道下方呈陡坡地形；南側(cè)上部為N40～50°W向拉裂縫，鋸齒狀，在高程1100m及以下，拉裂縫不明顯，僅見(jiàn)較連續(xù)的巖面產(chǎn)狀一側(cè)走向略轉(zhuǎn)、傾角變陡；北側(cè)邊界不甚明顯，沿山脊后順4#沖溝南側(cè)岸坡展布。

2.2 地層巖性

變形體至上而下分布有第四系崩坡積及殘坡積土層、二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖(P2β)。變形體內(nèi)原生構(gòu)造發(fā)育不完整，斷裂構(gòu)造不充分，但存在層間錯(cuò)動(dòng)帶C8。該錯(cuò)動(dòng)帶是形成變形體的主要原因。

2.3 地下水及埋深

地下水主要為第四系松散堆積物含水層和基巖裂隙含水層，與其相對(duì)應(yīng)的地下水類型為孔隙性潛水和基巖裂隙水。

根據(jù)本次勘探期間對(duì)鉆孔進(jìn)行終孔水位觀測(cè)和前期勘探過(guò)程中鉆孔揭露，場(chǎng)區(qū)地下水位5.95～77.35m，埋藏深度差別較大，埋藏地層在粗粒、巨粒土和破碎巖體中為主，以孔隙水為主，受季節(jié)影響較大，部分鉆孔為非同時(shí)期鉆孔，地下水埋深差異較大。本期勘探過(guò)程中鉆孔基本采用植物膠護(hù)壁，孔內(nèi)水位多為假水位，場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層透水性較好，場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定地下水位埋藏較深。

3 變形機(jī)理分析

3.1 變形體物理力學(xué)參數(shù)

變形體破壞特征比較明顯，根據(jù)變形強(qiáng)弱的不同，將變形體分為5個(gè)區(qū)。分別為變形殘留區(qū)、拉裂變形區(qū)、卸荷變形區(qū)、擠壓變形區(qū)和擠壓變形區(qū)前緣。

各類土體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算取值見(jiàn)表1。

表1 各類土體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算取值

3.2 變形體形形成條件

3.2.1地形地貌條件

位于金沙江左岸，為一緩傾右岸略偏上游的順向坡，地面坡角與巖層傾角相當(dāng)，從地形上具備產(chǎn)生順層滑移的條件。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，該地區(qū)地殼現(xiàn)今仍在以每年數(shù)mm的速率上升，這就造成河流的下切和淘蝕作用十分強(qiáng)烈，為斜坡的變形破壞提供了前緣臨空面。伴隨著坡體前沿臨空高度增大，順層層間錯(cuò)動(dòng)帶在岸坡出露，巖體在自重應(yīng)力場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下沿順層錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生剪切變形甚至失穩(wěn)。

3.2.2地層巖性及性質(zhì)

3.2.3地質(zhì)構(gòu)造條件

玄武巖層中發(fā)育的層間錯(cuò)動(dòng)帶和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，且性狀較差，是邊坡穩(wěn)定的控制性因素。尤其是左岸為斜順向坡，錯(cuò)動(dòng)帶可構(gòu)成邊坡變形失穩(wěn)底滑面，錯(cuò)動(dòng)帶的傾角越陡，邊坡的穩(wěn)定性越差。

3.2.4地下水

地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在導(dǎo)致凝灰?guī)r夾層和緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶軟化，降低其強(qiáng)度，尤其是變形體所在的左岸，為順向坡，緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶軟化明顯。

3.2.5地震作用

變形體所在的區(qū)域，地震活動(dòng)影響比較強(qiáng)，地震作用容易誘發(fā)邊坡變形或失穩(wěn)。

3.3 變形體形成機(jī)制

變形體所在的新建斜坡下游側(cè)層間錯(cuò)動(dòng)帶C8以上巖體基本剝蝕，斜坡上游側(cè)由于有上村梁子的支撐，導(dǎo)致靠近上村梁子側(cè)面的斜坡層間錯(cuò)動(dòng)帶C8上盤部分巖體殘留，為變形體的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

變形體形成之前，斜坡中部及下游側(cè)層間錯(cuò)動(dòng)帶C9上盤巖體已經(jīng)剝蝕，原始岸坡為一順層邊坡。伴隨地殼強(qiáng)烈抬升，金沙江深切導(dǎo)致斜坡前沿臨空，巖層傾角與原始地形坡度相近，在地震等特殊工況下，易發(fā)生沿軟弱結(jié)構(gòu)面形成牽引式滑動(dòng)變形。

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)測(cè)繪，變形體內(nèi)主要發(fā)育2組卸荷裂縫：①以南側(cè)變形體邊界裂縫為代表的N50～60°W，SW∠85°；②以變形體后緣L2與前緣L18為代表N30～45°E，⊥或SE∠85°。

4 有限元模型構(gòu)建及分析

4.1 計(jì)算方法

采用有限元強(qiáng)度折減法。建立在強(qiáng)度縮小有限元分析基礎(chǔ)上的邊坡穩(wěn)定分析的基本原理是將邊坡強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角tanφ同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的c和φ值。然后作為一組新的材料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算。當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，對(duì)應(yīng)的F被稱為邊坡的最小安全系數(shù)，此時(shí)，邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時(shí)可得到臨界滑動(dòng)面所在的塑性區(qū)。

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)變形體地質(zhì)情況，BZ4-BZ4、BZ5-BZ5、B1-B1三個(gè)位置的剖面地質(zhì)情況最為不穩(wěn)定，選取BZ4-BZ4進(jìn)行穩(wěn)定分析。剖面位置如圖1所示。

圖1 計(jì)算剖面平面位置

根據(jù)變形體地質(zhì)情況，選取BZ4-BZ4剖面(前緣場(chǎng)平后)進(jìn)行穩(wěn)定分析，劃分A、B、C、D區(qū)，計(jì)算模型詳如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型(BZ4-BZ4場(chǎng)平后剖面)

4.3 本構(gòu)模型

采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服條件采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。莫爾-庫(kù)侖模型可以考慮球應(yīng)力張量對(duì)材料屈服的影響，對(duì)巖土工程材料具有較好的適用性，在巖土工程中廣泛應(yīng)用。

4.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算云圖如圖3—4所示。

圖3 BZ4-BZ4剖面持久工況下計(jì)算云圖

圖4 BZ4-BZ4剖面暴雨工況下計(jì)算云圖

4.5 安全系數(shù)

根據(jù)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算成果，BZ4—BZ4剖面安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 BZ4～BZ4剖面安全系數(shù)

4.6 有限元穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論

(1)持久、暴雨工況下，剖面C8層間錯(cuò)動(dòng)帶以上土體水平、豎向位移明顯大于層間錯(cuò)動(dòng)帶以下土體，層間錯(cuò)動(dòng)帶以下土體位移幾乎為零，可見(jiàn)邊坡滑動(dòng)變形主要發(fā)生在層間錯(cuò)動(dòng)帶以上位置。

(2)層間錯(cuò)動(dòng)帶C8的A區(qū)范圍土體水平、豎向位移大于B、C、D區(qū)范圍土體，可見(jiàn)A區(qū)范圍滑動(dòng)明顯。這是由于A區(qū)C8層間錯(cuò)動(dòng)帶參數(shù)明顯小于B、C、D區(qū)的原因。

(3)持久、暴雨工況下，層間錯(cuò)動(dòng)帶C8位置最大剪應(yīng)變最大，可見(jiàn)邊坡滑動(dòng)趨勢(shì)主要沿層間錯(cuò)動(dòng)帶開(kāi)展，同時(shí)C8的A區(qū)剪應(yīng)變大于B、C、D區(qū)，可見(jiàn)塑性區(qū)未貫穿，滑坡總體穩(wěn)定，但安全系數(shù)(正常工況為1.334)不足1.35，需要加固。

(4)變形體滑動(dòng)趨勢(shì)主要沿C8層間錯(cuò)動(dòng)帶開(kāi)展；滑坡體總體穩(wěn)定，但持久工況安全系數(shù)尚不能滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

根據(jù)研究區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件及地表裂縫發(fā)育情況，探究了其變形演化過(guò)程、變形破壞特征及成因機(jī)制等，采用有限元強(qiáng)度折減法建立持久和暴雨工況下本構(gòu)模型，分析了持久和暴雨工況下變形體的穩(wěn)定性。同時(shí)考慮到邊坡滑動(dòng)變形主要發(fā)生在層間錯(cuò)動(dòng)帶以上位置，塑性區(qū)未貫穿，滑坡總體穩(wěn)定，但層間錯(cuò)動(dòng)帶C8的A區(qū)范圍土體水平、豎向土體位移范圍較大且安全系數(shù)不足規(guī)范要求，應(yīng)對(duì)BZ4剖面上部(A區(qū))結(jié)合整體采取相應(yīng)的加固措施，保障后期集鎮(zhèn)的生活安全，以期為類似工程項(xiàng)目起到借鑒作用。