官地水電站壩前覆蓋層堆積體邊坡的穩定性分析與評價

彭文明，王方亮，付 敬，陳 強

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072;2.長江科學院，湖北武漢 430010)

1 前 言

我國西南地區高山峽谷地貌發育，地震沿斷裂體系活動頻繁，河谷發育史上的強烈下切使得河谷邊坡產生強烈的表生改造，各種類型的淺表生時效變形現象發育，邊坡大規模崩塌，形成了大量的滑坡堆積體。我國大型的水利設施如水電站大多建立在該地區，而第四紀的堆積體通常處于臨界狀態，當施工期遇到開挖、降雨以及運營期蓄水時，由于堆積體邊坡受荷情況發生變化引起內力重分布，可能引發坡體開裂、滑坡，給施工人員的安全和工程建設的順利進行帶來安全隱患。因此，查清堆積體邊坡的規模及形態特征，分析堆積體的成因和穩定性問題就成為工程建設時必須解決的主要工程地質問題。本文采用快速拉格朗日程序FLAC3D，對官地水電站左岸壩前覆蓋層堆積體進行三維數值穩定性計算。通過對邊坡表層堆積體的力學參數進行敏感性分析，根據目前邊坡的穩定現狀，結合三維強度折減方法分析獲得的邊坡安全系數，來確定覆蓋層堆積體力學參數的綜合取值;模擬邊坡的施工及運行工況，分析邊坡的開挖變形、應力場變化規律及塑性區分布;研究邊坡可能的失穩模式、失穩區域及安全系數，對錨固效果進行評價;以科學地指導設計與施工，確保水電站工程的安全施工和大壩的正常運行。

2 堆積體邊坡的工程地質特征

大型堆積體由于其物質組成、邊界條件等的不均一性和地下水位及地應力等因素的多變性，決定了該類邊坡的失穩模式、滑移形式及滑面形成特征等方面的復雜性，特別是其失穩形式往往不是整體下滑，而是通常在斜坡最薄弱部位、抗滑阻力最小部位，在下滑力最集中部位先形成剪出口，導致局部滑移，而后在下滑力和慣性力作用下形成斜坡的整體下滑。這是大型堆積體失穩的特殊規律。官地壩前左岸覆蓋層堆積體位于雅礱江左岸岸坡段，岸坡前緣順雅礱江河谷弧長約1.5km，雅礱江以S20°W方向流入岸坡前緣，后逐漸偏轉至S25°E方向流出岸坡。

左岸覆蓋層岸坡表面存在分布范圍較廣的崩積物、坡積物、殘積物、沖洪積物，接觸關系較復雜，多混雜分布，崩坡積物在邊坡表面分布最為廣泛，是壩前左岸覆蓋層邊坡最主要的組成部分;殘坡積物大面積分布在下游邊界附近的岸坡表面，上游邊界高程1 300m附近也可見殘積物局部富集。由于受到巖性、構造、地形的控制作用，覆蓋層在平面、剖面上分布存在差異，最大厚度逾60m，其內發育滑坡和傾倒變形體。邊坡內發育較大規模斷裂主要為近南北向展布、向西陡傾的三條斷層。這三條斷層正好發育在覆蓋層分區邊坡內或位于坡體后緣，對邊坡的變形破壞起到一定的控制作用。邊坡巖體風化高程效應比較明顯，隨高程的增加，風化作用加強，深度增大;在河床內基巖偶見強風化，風化程度、深度均相對較淺，厚度相對穩定。而高程1 350m左右全強風化深度可達52.3m，主要分布在F1斷層附近;同一高程上，風化程度也存在不均一現象。風化作用使得位于覆蓋層邊坡高位處的巖體破碎、結構面張開、次生黏土礦物形成。

根據岸坡覆蓋層目前變形破壞跡象以及可能發生的變形破壞的規律將岸坡覆蓋層劃分為A、B、C、D、E五個區域(見圖1)。其中B區變形破壞現象較為明顯，主要表現為高程1 350m之下的橋臺邊坡的變形破壞，既有覆蓋層內的滑塌，也包含基巖的變形破壞，邊坡整體處于一種潛在不穩定狀態，雖已采取了臨時支護措施，但難以保持邊坡的長期穩定。D區為雅礱江流向由N20°E轉向S25°E的河灣處岸坡，區內發育一處中型覆蓋層滑坡(見圖2)，滑坡上游邊界位于邊坡中部山脊下游約200m，下游邊界位于覆蓋層上游邊約120m，順河長約320m，順坡長約330m，最大厚度約40m，體積90萬m3，前緣高程1 235～1 240m，后緣高程1 490～1 500m?；麦w地形略呈圈椅狀，上下游邊界均發育小型沖溝，并呈雙溝同源態勢。在高程1 240m、滑坡體上下游側均可見Ⅱ級階地堆積物與基巖出露。根據現場調查，滑坡中后部樹木大多向坡外傾斜，表明滑坡表部有一定的蠕動變形。

圖1 壩前左岸覆蓋層邊坡工程地質平面

3 覆蓋層邊坡的穩定性分析

圖2 D區KB5工程地質剖面

鑒于覆蓋層邊坡沿基覆界面分布的崩積物、坡積物等具明顯的三維效應，各種成因的堆積物在平面、剖面上的分布存在著較大的變化，有必要根據邊坡的空間形態和地質條件，建立三維地質概化模型，采用數值模擬方法對覆蓋層邊坡的穩定性進行研究。限于研究對象的復雜性及文章的篇幅，本文結合覆蓋層邊坡的地質、地形及分區特點，采用顯式有限差分法，選取穩定性最差的區域，建立覆蓋層邊坡D區的三維數值模型，重點研究D區的變形模式及其穩定性。

由于覆蓋層邊坡表面存在各種成因類型的坡積體介質，包括崩積物、坡積物、殘積物等，各種介質多相互疊加、夾雜分布，其物質組成具復雜性、多樣性，力學參數具有高度的不確定性，給三維數值建模及力學參數取值帶來了極大的困難，因而在計算中對地質模型作了相應的概化，將邊坡表層堆積體視為一種綜合介質?？紤]到崩坡積物在邊坡表面分布最為廣泛，是覆蓋層邊坡最主要的組成部分，故以崩坡積物力學參數為主要依據，通過對D區模型在天然狀態下覆蓋層力學參數的反算，最終確定表層覆蓋層合理的計算參數。將相應的力學參數用于D區模型在多種工況下的三維穩定性分析，研究D區覆蓋層邊坡可能存在的滑移模式及相應的安全系數。

3.1 三維數值模型與計算條件

計算模型包含了微風化玄武巖、全強風化巖體，斷層 F5、F2、F1，KB5 滑坡體及滑帶，表層覆蓋層、壓坡體、擋墻。模型沿x、y、z軸的計算范圍為570m×650m×650m，其中x軸垂直河床方向(平行KB5剖面)，指向河床為正;y軸與x軸垂直，正y順河流方向;z軸鉛直向上為正。底部高程900m。計算域剖分了80 453個單元、27 605個節點。計算域四周采用法向約束，底部三向約束，地表自由。初始應力場為自重應力場。全強風化和微風化巖體，斷層F1、F2、F5、KB5滑坡體、滑帶均采用實體單元模擬，斷層厚約2.0～3.0m，滑帶厚1.0m。在D區模型中模擬了低線公路、高低連接線公路的開挖與支護以及坡腳壓坡。低線公路邊坡支護措施主要采取了3m和6m長的砂漿錨桿，高低連接線公路邊坡的支護采用4.5m長的砂漿錨桿。巖土體本構模型采用Mohr－Coulomb模型。材料計算參數見表1。

大壩上游側邊坡工程抗震設防類別為丙類，其基巖水平峰值加速度取50年超越概率10%的值即0.114g。在運行工況基礎上，采用擬靜力法按規范要求對地震荷載進行模擬;降雨工況模擬是在運行工況基礎上，考慮強降雨作用，采用降雨強度為200 mm/d(按四川盆地降雨臨界強度進行取值)，降雨持續時間為1d，采用非飽和滲流－應力耦合方法模擬降雨過程對邊坡穩定性的影響。

表1 覆蓋層堆積體邊坡D區材料的物理力學參數采用值

3.2 計算成果分析

(1)滑帶力學參數敏感性分析。考慮到滑帶的力學參數對滑坡的穩定性起著控制性作用，故首先對KB5滑坡體的滑帶參數進行敏感性分析。除滑帶外的其他巖體采用表1所列的計算參數。當KB5滑帶的力學參數取φ=24°、c=50kPa，天然狀態下KB5滑坡安全系數為1.04;若考慮降雨的影響，滑坡的安全系數進一步降低，有可能產生失穩，表明該參數取值偏低。當滑帶取φ=26°、c=60kPa時，天然狀態下滑坡安全系數為1.13;若疊加降雨工況，此時安全系數為1.10，該參數取值下的計算結果偏高。當滑帶取φ=25°、c=55kPa時，天然狀態下滑坡安全系數1.08，與目前邊坡的穩定現狀基本相符，故在以下各工況分析時滑帶均采用此強度參數。

(2)天然邊坡的穩定性。邊坡淺部巖土體基本處于低壓應力或拉壓應力狀態，塑性區分布主要集中在表層覆蓋層、KB5滑體及滑帶、全強風化帶巖體及斷層F1、F2、F5內，受拉或拉剪屈服區主要集中在邊坡表層巖土體內，壓剪屈服區主要集中在滑帶、滑體及全強風化帶巖體內。邊坡淺層出現成片的屈服區，表明天然狀態下覆蓋層邊坡淺部包括KB5滑坡體的穩定性較差。天然邊坡的穩定性主要受滑帶控制，當邊坡處于臨界失穩狀態時，最大剪應變集中出現在滑帶部位，滑帶上部滑體沿滑帶產生明顯朝坡外的位移，表明D區的失穩首先發生于KB5滑坡體。由強度折減法得到的潛在破壞區也集中在滑帶內，邊坡安全系數為1.08。

(3)施工擾動對邊坡穩定性的影響。低線公路及高低連接線公路的開挖引起開挖坡面產生順坡向位移，變形區主要集中在滑坡體，開挖后邊坡的安全系數仍為1.08，表明公路開挖對滑坡的整體穩定性影響不大。這是因為開挖挖除了部分滑體，也減小了滑體的下滑力。但從滑坡的整體位移趨勢來看，施工開挖對滑坡的變形十分不利。開挖后及時錨固對邊坡淺部巖土體變形起到了一定的約束作用。錨桿受力普遍不大，邊坡安全系數為1.09。當邊坡坡腳進行壓坡和施加擋墻處理后，邊坡的受力狀態得到有效改善，整體穩定性也有較明顯的提高，安全系數為1.23。

(4)運行期邊坡的穩定性。在現狀水位下邊坡表層覆蓋層、滑帶及強風化巖體內分布有大片的塑性區，為拉或壓剪屈服區。水庫蓄水至1 330m高程水位后，邊坡巖土體內的孔隙水壓力增大，有效應力減小，淹沒在庫水位以下的坡體內塑性區范圍有明顯增加;蓄水引起KB5滑坡體整體沿滑帶朝坡外變形，表層覆蓋層也產生順坡向的位移;邊坡安全系數為1.19。水庫蓄水后邊坡潛在的破壞區出現在KB5滑體部位與覆蓋層上部，由于邊坡前緣的壓坡和擋墻作用，使得處于極限失穩狀態下的坡體前緣變形受到了很大的約束。

(5)地震、降雨對邊坡穩定性的影響。受水平地震荷載的作用，滑坡區域產生了明顯的變位，整個滑體沿滑帶產生順坡向變形，位置在KB5滑坡體上部。地震工況下邊坡安全系數為1.09。降雨引起的坡體變形與邊坡地形和高度有關。D區邊坡遭遇強降雨，其影響區域主要集中在蓄水水位高程1 330m以上的淺部坡體。在降雨作用下，該部位表層覆蓋層和滑體整體向下變形，但位移較小，對整個邊坡的應力及塑性區分布影響不大。

4 結論與建議

從邊坡現狀分析，目前覆蓋層邊坡D區處于基本穩定狀態，但安全儲備不高;穩定性主要受滑帶控制，在各種分析工況下邊坡潛在的失穩區均位于表層覆蓋層和滑帶內，破壞模式為沿滑帶滑動。天然狀態下D區的安全系數為1.08，在邊坡坡腳進行壓坡和施加擋墻后，安全系數達到1.23，邊坡整體穩定性有了明顯提高。綜合宏觀地質分析和三維數值分析結果，壩前左岸覆蓋層邊坡最可能的失穩模式是一種遞進式的崩塌滑移破壞，水庫蓄水后若遭遇強降雨、地震等極端不利的情況，有可能出現大范圍的整體滑移，因此，加強邊坡的排水設施以及運行期邊坡的長期觀測十分必要。

［1］四川省雅礱江官地水電站可行性研究重編報告［R］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2005.

［2］雅礱江官地水電站壩前左岸覆蓋層分布區邊坡穩定性分析報告［R］.成都:成都理工大學，中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2007.

［3］金海元，溫森.阿海水電站左岸壩前堆積體邊坡穩定性綜合研究［J］.水利水電技術，2008(5):16－19.

［4］陳祖煜.水利水電工程堆積體邊坡穩定分析和工程措施研究［J］.貴州水力發電，2003(4):5 －10.