孤山航電樞紐工程羅行灘滑坡穩(wěn)定性分析與治理設(shè)計(jì)

傅興安 閆福根 譚海

摘要：漢江孤山航電樞紐工程壩址上游右岸羅行灘滑坡為中型堆積體滑坡，體積約70萬(wàn)m3，為避免滑坡失穩(wěn)對(duì)水庫(kù)大壩、電站及道路等造成危害，運(yùn)用摩根斯坦-普萊斯法及不平衡推力傳遞隱式法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定分析，并基于計(jì)算分析成果，設(shè)計(jì)了削方減載及前緣護(hù)腳、地表排水等滑坡治理措施。結(jié)果表明：上述處理措施可有效提高滑坡體的穩(wěn)定性，減小滑坡變形，降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。該綜合加固處理設(shè)計(jì)方案合理可靠，滿足工程要求。

關(guān)鍵詞：羅行灘滑坡； 穩(wěn)定性分析； 滑坡治理； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號(hào)：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.008

文章編號(hào)：1006-0081（2023）06-0042-06

0 引 言

孤山航電樞紐工程位于漢江中上游，在湖北省十堰市內(nèi)，是一座以航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電的航電綜合性樞紐，由船閘、泄水閘、電站廠房、生態(tài)放水閘及魚道等組成。水庫(kù)正常蓄水位為177.23 m，總庫(kù)容為2.12億m3，擋水建筑物為混凝土閘壩，總裝機(jī)容量180 MW［1-2］。大壩上游水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)育羅行灘滑坡體，距壩軸線較近，僅100 m左右，滑坡體規(guī)模較大，如果失穩(wěn)，將危害壩區(qū)道路安全、施工期圍堰運(yùn)行、電站運(yùn)行期泄洪、發(fā)電、漢江通航等。因此，需科學(xué)計(jì)算分析滑坡體在水庫(kù)各運(yùn)行工況條件下的穩(wěn)定性及失穩(wěn)危害程度，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)論，研究確定合理可靠的滑坡治理方案。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外滑坡穩(wěn)定分析常用的計(jì)算方法包括二維剛體極限平衡法及三維有限單元法等。其中，在工程中常用的二維剛體極限平衡分析法包括摩根斯頓-普賴斯（Morgenstern-Price）法、傳遞系數(shù)法等［3］。多位學(xué)者在此基礎(chǔ)上開展了研究，如楊校輝等［4］基于G-A模型，考慮坡面傾角、非飽和區(qū)及飽和區(qū)內(nèi)滲流的影響，建立持續(xù)降雨作用下堆積體邊坡的入滲模型，結(jié)合不平衡推力法，研究了折線型滑裂面堆積體邊坡在持續(xù)降雨作用下穩(wěn)定性；丁保艷等［5］基于不平衡推力法提出了大型高位堆積體滑坡穩(wěn)定性分析的變坡法。為提高滑坡體穩(wěn)定性，減小滑坡變形及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，本文基于“現(xiàn)狀滑坡穩(wěn)定分析-滑坡加固處理-加固后再分析驗(yàn)證”的技術(shù)路線，研究確定合理可靠的羅行灘滑坡治理方案。

1 羅行灘滑坡概況

羅行灘滑坡［6］位于漢江右岸孤山航電樞紐工程壩址上游0.13～0.39 km?；虑熬壐叱?61.50～190.00 m，后緣高程280.50 m，縱向長(zhǎng)約250 m，橫向?qū)?00～250 m，地形總體坡度較緩，滑體厚度為5～28 m，面積約6萬(wàn)m2，體積約70萬(wàn)m3，如圖1所示?；w物質(zhì)主要為碎塊石土，為稍松-松散狀，土石比2∶8，滲透系數(shù)為5.0～7.2 Lu。滑坡體分布第四系松散介質(zhì)孔隙水，埋深0.8～19.0 m?；瑤梁?.7～1.5 m，以礫質(zhì)土為主，后緣傾角為30°～45°，前緣傾角20°左右。滑坡體下伏基巖以片巖及大理巖為主。滑坡體主要土體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)值如表1所示。羅行灘滑坡距離上壩址右壩肩較近，滑坡失穩(wěn)破壞可能對(duì)右岸施工、大壩運(yùn)行和右岸上壩公路安全構(gòu)成危害。天然狀態(tài)下滑坡處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。降雨和坡外水位變動(dòng)對(duì)滑坡后緣穩(wěn)定幾乎沒(méi)有影響?；虑熬壥芙涤旰推峦馑蛔冃斡绊懨黠@，破壞的可能性最大，應(yīng)針對(duì)滑坡前緣進(jìn)行治理。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，羅行灘滑坡可能的破壞模式有3種：① 前緣局部滑動(dòng)破壞；② 沿基覆面整體滑動(dòng)破壞；③ 后緣局部滑動(dòng)破壞。破壞模式示意見(jiàn)圖2。

2 穩(wěn)定計(jì)算方法

根據(jù)羅行灘滑坡結(jié)構(gòu)類型，采用剛體極限平衡法［6］（基于嚴(yán)格條分的摩根斯坦-普萊斯法（以下簡(jiǎn)稱“M-P法”）、不平衡推力傳遞隱式法（以下簡(jiǎn)稱“推力法”））對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定分析。

2.1 摩根斯坦-普萊斯法

摩根斯坦-普萊斯法［7-8］是嚴(yán)格條分法，其計(jì)算示意如圖3所示。首先對(duì)任意曲線形狀的滑裂面進(jìn)行分析，然后推導(dǎo)出滿足力的平衡以及力矩平衡條件的微分方程式如式（1）～（2）所示：

dEdx［1+s′（x）tanφ′m］+dTdx［s′（x）-tanφ′m］=

c′m{1+［s′（x）］2}+

dWdxtanφ′m-s′（x）-Ks-Kss′（x）tanφ′m-

rutanφ′m-ru［s′（x）］2tanφ′m+

dQdx［cosθtanφ′m+sinθtanφ′ms′（x）+

sinθ-cosθs′（x）］（1）

T=ddx［Eft（x）］-s（x）dEdx+

KS［yc-s（x）］dWdx-［yq-s（x）］sinθ+

（xq-x）cosθdQdx（2）

式中：x為坡面水平坐標(biāo)；s（x）為滑動(dòng)面曲線函數(shù)；ft（x）為推力線函數(shù)；c′m=c′/Fs，tanφ′m=tanφ′/Fs，其中c′、φ′為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，F(xiàn)s為穩(wěn)定安全系數(shù)；ru為孔隙壓力比；（xq，yq）為坡面外力作用點(diǎn)坐標(biāo)；（xc，yc）為條塊質(zhì)心坐標(biāo)。

2.2 傳遞系數(shù)法

傳遞系數(shù)法［9-10］是一種非嚴(yán)格條分法，其計(jì)算示意見(jiàn)圖4，基本假設(shè)為條塊間的相互作用力的方向平行于上一條塊的底滑面，條塊間只傳推力不傳拉力，各條塊的平衡方程見(jiàn)式（3）：

Fi=（Wisinai+Qicosai）-cilik+

Wicosai-Ui-Qisinaifik+Fi-1Ψi-1（3）

式中：ci、 fi分別為條塊底部黏聚力及抗滑系數(shù)；li為條塊底部滑面長(zhǎng)度；k為穩(wěn)定系數(shù)；Ψi-1為傳遞系數(shù)。Wisinai+Qicosai表示條塊i的下滑力；cilik+［Wicosai-Ui-Qisinai］fik表示條塊i的抗滑力；Fi-1Ψi-1表示上一條塊傳下來(lái)的不平衡下滑力。先假定k值［11］，從頂塊算起，求出其不平衡下滑力作為第二塊的推力；再進(jìn)行第二塊的計(jì)算；如此計(jì)算至最后一塊，求出最后一塊的不平衡下滑力，若為0，則k即為所求的穩(wěn)定系數(shù)，否則重新假設(shè)并從頭計(jì)算。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定計(jì)算荷載及工況

滑坡體上主要作用包括巖土體自重、地下水、坡外水、地震作用。

（1）巖土體自重作用。地下水位以上，巖土體自重取天然重度；地下水位以下，取飽和重度。

（2）地下水作用。穩(wěn)態(tài)地下水位按天然實(shí)測(cè)水位概化考慮，暫態(tài)暴雨高水位一般按天然實(shí)測(cè)水位抬升2～3 m考慮，局部根據(jù)實(shí)測(cè)水位概化考慮。

（3）坡外水作用。按DL/T 5353－2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，將坡外水位延伸至與滑面相交，對(duì)土條重力和孔隙水壓力進(jìn)行置換，等效為坡外無(wú)水的情況。

（4） 地震作用。本工程地震基本烈度為Ⅵ度，根據(jù)DL/T 5353－2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，不進(jìn)行邊坡地震穩(wěn)定分析。

穩(wěn)定計(jì)算考慮持久工況和短暫工況兩種設(shè)計(jì)工況，相應(yīng)的工況組合詳見(jiàn)表2。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算分析

穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。根據(jù)地質(zhì)宏觀判斷及監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合穩(wěn)定計(jì)算成果分析認(rèn)為：滑坡天然狀態(tài)下未出現(xiàn)整體變形跡象，處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果表明：降雨和坡外水位變動(dòng)對(duì)滑坡后緣穩(wěn)定幾乎沒(méi)有影響，后緣破壞模式的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；滑坡前緣及整體受降雨和坡外水位變形影響明顯，破壞的可能性最大。因此，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)滑坡前緣及整體進(jìn)行治理設(shè)計(jì)。地下水位抬升對(duì)滑坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)降低的影響明顯，因此，截排水措施是滑坡治理優(yōu)先考慮采用的措施。

3.3 滑坡涌浪計(jì)算分析

穩(wěn)定分析成果顯示，滑坡體在水位驟降工況下穩(wěn)定系數(shù)最低?；麓嬖谇熬壘植渴Х€(wěn)及沿基覆面整體失穩(wěn)的可能性。因此，對(duì)滑坡整體或前緣失穩(wěn)后可能造成的危害和影響進(jìn)行分析。

3.3.1 庫(kù)容影響

滑坡破壞失穩(wěn)后的滑體將滑入庫(kù)中，侵占庫(kù)容。羅行灘滑坡在水位驟降工況下，即使按最大失穩(wěn)方量（70萬(wàn)m3）計(jì)算，僅占總庫(kù)容的0.33%，小于死庫(kù)容（上壩址總庫(kù)容為2.1億m3，死庫(kù)容為0.85億m3）。因此，即使在極端情況下，滑坡體失穩(wěn)破壞后入庫(kù)產(chǎn)生的淤積對(duì)庫(kù)容影響很小。

3.3.2 淤積堵江影響

在水位驟降工況下，羅行灘滑坡產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)方量為70萬(wàn)m3。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)各典型剖面全部失穩(wěn)方量的1/3滑入庫(kù)中，淤積形成庫(kù)中壩，按此估算滑坡體失穩(wěn)滑落入庫(kù)（江）導(dǎo)致前緣水庫(kù)淤積的高程可達(dá)163.00 m，可能淤堵電站進(jìn)水口（攔沙坎高程161.00 m）和毀壞魚道上游出口（魚道出口位于羅行灘滑坡前緣）。

3.3.3 涌浪危害

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，工程正常運(yùn)行期，滑坡體失穩(wěn)入庫(kù)（江）產(chǎn)生涌浪，可能對(duì)水庫(kù)運(yùn)行及大壩安全構(gòu)成威脅。施工期失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪對(duì)上游圍堰運(yùn)行安全造成潛在威脅。

滑坡滑落速度、涌浪計(jì)算采用潘家錚經(jīng)驗(yàn)公式［12］進(jìn)行估算。羅行灘滑坡滑坡整體失穩(wěn)后滑入庫(kù)（江）中的滑坡涌浪及淤積高程計(jì)算成果見(jiàn)表4。

根據(jù)涌浪計(jì)算成果，在正常蓄水位177.23 m情況下，上游滑坡涌浪傳到壩址處最大浪高1.04 m。壩頂高程為188.00 m，高于正常蓄水位與最大涌浪高之和。羅行灘滑坡涌浪對(duì)大壩不構(gòu)成安全威脅。

羅行灘滑坡涌浪對(duì)施工期圍堰有嚴(yán)重影響。根據(jù)施工導(dǎo)流布置和圍堰特征，坡外10 a一遇洪水位為181.00 m時(shí)，上游圍堰頂高程為182.30 m，且二期圍堰位于羅行灘滑坡對(duì)岸，對(duì)岸涌浪高即為堰前涌浪高。坡外洪水位181.00 m與堰前最大涌浪高度2.06 m之和大于二期上游圍堰頂高程182.30 m，說(shuō)明施工期滑坡破壞傳至堰前的涌浪會(huì)躍過(guò)堰頂，威脅大壩施工安全。

綜上所述，羅行灘滑坡失穩(wěn)對(duì)水庫(kù)庫(kù)容、大壩運(yùn)行安全的影響不大，但對(duì)壩區(qū)道路安全、施工期圍堰運(yùn)行、電站運(yùn)行期泄洪、發(fā)電、漢江通航危害較大。

4 滑坡治理

4.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算成果及地質(zhì)宏觀判斷，羅行灘滑坡總體治理設(shè)計(jì)采取如下原則。

（1） 以防為主。防止滑坡區(qū)的環(huán)境和條件進(jìn)一步惡化，使滑坡穩(wěn)定性在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。

（2） 針對(duì)性治理。抓住重點(diǎn)和關(guān)鍵地段（主要是涉水滑坡前緣局部），有針對(duì)性地及早采取有效可行的措施進(jìn)行防治。

（3） 簡(jiǎn)單易行。采取的防治措施要因地制宜，簡(jiǎn)單易行，技術(shù)可靠。

（4） 統(tǒng)籌考慮。將滑坡治理與庫(kù)岸防護(hù)、開挖料利用綜合考慮。

根據(jù)上述原則，統(tǒng)籌考慮前緣庫(kù)岸防護(hù)和圍堰填料需要，確定近壩滑坡治理方案為削方減載、地表排水、前緣護(hù)腳。

4.1.1 削方減載及前緣護(hù)腳設(shè)計(jì)

削方減載可有效降低滑坡體下滑力，提高滑坡的穩(wěn)定性，是滑坡整治常用且有效的措施。前緣護(hù)腳措施具有簡(jiǎn)便易行、造價(jià)低廉（回填土石方可利用滑坡削方減載的開挖料）、兼顧前緣庫(kù)岸防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。羅行灘滑坡削方減載及前緣回填壓腳方案如下。

羅行灘滑坡削方減載范圍為高程195.00 m以上滑坡體。具體方案為滑坡體上游側(cè)228 m高程以上滑體均開挖至基覆面，滑坡體下游側(cè)230 m高程以上滑體均開挖至基覆面。

在高程195.00 m設(shè)置一級(jí)10～30 m寬的平臺(tái)，高程195.00 m以上滑體開挖坡比1∶1.2～1∶2.0，沿坡高每隔15 m設(shè)置一級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)寬度3～20 m；高程225.00 m以上滑體全部挖除，開挖面沿滑床自然坡度放坡，開挖坡度自下往上由1∶1.5漸變至1∶0.8。高程195.00～240.00 m范圍內(nèi)基巖開挖面采用C20素噴混凝土封閉，噴射厚度5～6 cm。高程225.00 m平臺(tái)上一級(jí)坡面設(shè)置2～3排坡面排水孔，以防止后緣山體內(nèi)地下水滲入滑坡體。

高程195.00 m以下滑坡體沿自然坡度整平，保留已有道路，消除坡面陡坎和沖溝。高程185.00 m以下坡面陡于1∶2.0的滑坡體采取回填碎石土護(hù)腳措施，回填碎石土坡比1∶2.0～1∶2.5，采用干砌石護(hù)面。削方減載及前緣護(hù)腳典型斷面如圖5所示。

4.1.2 地表排水設(shè)計(jì)

地表排水系統(tǒng)的布置是滑坡綜合治理的重要組成部分，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單可行的治理措施之一。通過(guò)改善滑坡體地表排水系統(tǒng)，可以有效防止滑坡區(qū)的環(huán)境和條件進(jìn)一步惡化，改善滑坡現(xiàn)狀。

地表排水設(shè)計(jì)按20 a一遇暴雨強(qiáng)度、滑坡區(qū)降雨匯水面積及其所需排出的地表徑流進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，充分利用周邊天然沖溝。地表排水工程主要包括周邊截水溝、縱向主排水溝、馬道排水溝、地下涵管等。

（1） 周邊截水溝。為防止后緣山體坡面來(lái)水滲入滑體，沿滑坡邊緣外側(cè)3～5 m周邊布置1條截水溝，將周邊匯水引至縱向主排水溝或坡面天然沖溝。周邊截水溝斷面為梯形，凈底寬0.8 m，凈頂寬2 m，凈高1.2 m，C20混凝土澆筑，如圖6所示。對(duì)局部地形坡度陡峭的截水溝段，設(shè)置消能臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階高度0.2～0.3 m。此外，每30～50 m高差設(shè)一級(jí)3 m×3 m×3 m消力池。

（2） 縱向排水溝。為疏排坡面匯水，沿滑坡縱向設(shè)置縱向排水溝?？v向排水溝斷面為梯形，凈底寬0.6 m，凈頂寬1.5 m，凈高0.9 m，用C20混凝土澆筑，如圖7所示。沿邊坡走向間距約100 m，結(jié)構(gòu)與周邊截水溝相同，在每級(jí)平臺(tái)處設(shè)置2 m×2 m×2 m消力池。

（3） 馬道排水溝。馬道排水溝的主要作用是導(dǎo)排滑體區(qū)域坡面匯水，將匯水引至縱向主排水溝或周邊截水溝內(nèi)。馬道排水溝沿馬道布置或沿等高線布置，斷面為梯形，兩側(cè)坡度均為1∶0.5，C20混凝土澆筑，凈底寬0.4 m，凈頂寬1.0 m，凈高0.6 m，如圖8所示。

（4） 地下管涵。地表排水溝與道路相交時(shí)，采用地下涵管穿過(guò)道路，涵管采用預(yù)制產(chǎn)品，過(guò)流斷面不小于相應(yīng)排水溝斷面。

4.2 近壩滑坡治理后穩(wěn)定性

削方減載及回填壓腳后，羅行灘滑坡后緣滑體被挖除，因此，只需計(jì)算典型剖面整體及前緣的局部穩(wěn)定安全系數(shù)。從滑坡典型剖面穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果（表5）可以看出，采用削方減載和前緣回填壓腳措施后，羅行灘滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

（1）羅行灘滑坡滑體為沿基巖覆蓋層分界面滑動(dòng)的中型滑坡體，距離孤山航電樞紐工程壩址右壩肩較近，滑坡失穩(wěn)破壞將對(duì)右岸施工、大壩運(yùn)行和右岸上壩公路安全構(gòu)成危害。

（2）削方減載及前緣護(hù)腳可有效降低滑坡體下滑力，提高滑坡的穩(wěn)定性。周邊截水溝、縱向排水溝、馬道排水溝、地下管涵等組成的地表排水系統(tǒng)可以有效防止滑坡區(qū)的環(huán)境和條件進(jìn)一步惡化，改善滑坡現(xiàn)狀。

（3）羅行灘滑坡體削方減載、地表排水、前緣護(hù)腳的綜合加固處理方案合理可靠，滿足工程要求。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Stability analysis and treatment design of Luoxingtan Landslide in

Gushan Navigation and Hydropower Project

FU Xing′an，YAN Fugen，TAN Hai

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Luoxingtan Landslide on the right bank upstream of the dam site of Gushan Navigation and Hydropower Project in Hanjiang River is a medium-sized accumulation landslide，with a volume of about 700 000 m3.In order to prevent landslide from causing harm to the reservoir dam，power station and roads，Morgan Stan-Price method and the Unbalanced Thrust Transfer Implicit method were used for slope stability analysis.Based on the calculation and analysis results，landslide control measures such as cutting volume and reducing load，front edge foot protection and surface drainage were designed.The results indicated that the above treatment measures could effectively improve the stability of the Luoxingtan Landslide，reduce landslide deformation and reduce the risk of instability.The design scheme of the comprehensive reinforcement treatment is reasonable and reliable，which meets the engineering requirements．

Key words：

Luoxingtan landslide； stability analysis； landslide governance； Gushan Navigation and Hydropower Project