某水電站壩址滑坡形成機理及穩定性分析評價

劉輝輝，李光亮

(中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，四川成都610031)

某水電站壩址位于橫斷山脈東部的高山峽谷區，區內山高坡陡，地形切割強烈，受地形地貌、地層巖性及地質構造的影響，崩塌、滑坡等不良地質現象極為發育，成為該電站最為突出的主要工程地質問題。筆者以壩址區規模巨大的古滑坡為例，對其形成時間、規模及形成機制進行了系統分析。因該滑坡的穩定性對工程布置方案的優化與具體實施有直接的影響，關系著該電站的正常運行和相鄰體積電站的開發、運用以及工程環境等重要問題，因此，對其蓄水后的穩定性進行了系統評價。

1 滑坡地質特征

1.1 地層巖性

工程區地層以區域性淺變質地槽型沉積建造為主，巖漿活動微弱。地層以奧陶系、二疊系、三疊系較發育，分布較廣。工程區地層巖性主要為奧陶系下統的變質石英砂巖、板巖夾千板巖，志留系板巖、千板巖夾硅質板巖、灰巖，二疊系厚層灰巖，三疊系的上統曲嘎寺組中—厚層夾薄層狀灰巖，少量石炭系灰巖夾板巖。

1.2 滑坡區地質構造

大地構造部位上，工程場區位于“川滇菱形”斷塊上，為甘孜—理塘斷裂帶、理塘—德巫斷裂帶、麗江斷裂帶、金沙江斷裂帶所圍限的次級斷塊“稻城斷塊”的東緣。東鄰理塘—德巫斷裂帶的南延段(德巫—麥地龍)、八窩龍斷裂帶SW端，南鄰木里弧形斷裂帶西翼(圖1)。區內受次級斷塊“稻城斷塊”邊界斷裂帶的影響和控制，地質構造較復雜，斷層、褶皺較發育。工程區主要發育一系列NW向、NE向斷層，組成“棋盤格式”，NW向發育為主，NE向次之(圖1)。

工程場區位于先鋒斷層(F1，NE向)、赤土斷層(F9，NW向)和機落斷層(F2，NW向)所組成的“小斷塊”內，發育有北西向的茸德斷層(F3)、基洼斷層(F4)、撒洼斷層(F5)、索根斷層(F6)及北東向的曼念吉岡斷層(F7)、布讓滿耶斷層(F8)等，發育的主要褶皺有前山背斜、甲溝向斜，褶皺翼部多被斷層斬傷破壞，工程場區處于兩褶皺NW末端，次級褶皺(揉皺、膝形撓曲等)十分發育，巖層產狀變化較大，總體走向N30°～50°W，傾向SW或NE，傾角∠30°～70°不等。工程場區發育的主要斷層特征見表1。

圖1 工程區地質構造綱要

2 滑坡特征及形成機理分析

2.1 滑體特征

從地貌形態看，滑坡呈陡緩相間的臺階狀，其前緣向河床突出，河道向右彎曲呈弧形，坡腳高程2 215 m。滑坡體后緣高程2 500～3 000 m，地形呈槽狀，坡度34°～36°。滑坡堆積體頂部(2 400～2 450 m高程)為一斜坡狀臺地，坡度5～10°，長、寬約200 m，滑塌體積約2 000×104m3。滑坡體下部由于河水沖刷、強烈切割，以及岸坡再造，形成較為穩定的斜坡地帶，坡度30°～45°，沿河上游河岸坡度陡峭。上游側高程2 310～2 350 m坡度較緩，坡度15°～20°，表層堆積有2～4 m的粉土及砂礫石層，下游側滑坡堆積體邊緣為溝形地貌，可見零星殘留Ⅱ級階地的卵(碎)礫石。滑坡前緣坡腳處分布有較多的溶蝕洞穴，說明高水位大致在2 220 m左右。滑舌部位分布有較多的崩塌物質，并見有軟硬相間的砂板巖巨石和帶有層間揉皺的巨型塊、孤石分布(整體滑塌而致)。

表1 工程場區發育的主要斷層特征

鉆孔揭示：滑體組成物質巖性復雜，結構較為緊密，可分為3層。上部為塊(孤)石土，中部為棕黃色粉質粘土夾碎塊(礫)石，下部為解體強烈的基巖，成份主要為灰巖塊、碎石和土及少量的板巖巖屑。

2.2 滑帶性狀特征

勘探顯示：滑坡主滑帶為沿基巖面展布的的軟弱帶，成份主要為土、巖屑，零星間有光滑面。其厚度變化較大，鉆孔揭露厚度1.16～8.9 m，在主滑剖面上，底滑帶呈曲線：前部埋深約46.25～47.40 m，高程為2 173.53～2 172.37 m，主要為不同巖性組成的結合面；中部埋深101.1～110.0 m，高程2 303.05～2 294.15 m；后部埋深66.8～69.8 m，高程2 358.98～2 355.98 m。

根據本次鉆孔取樣試驗，滑帶土的物理特性試驗成果見表2、圖2。

表2 滑坡滑帶粘土化學分析結果

圖2 滑坡體滑帶土顆分曲線

在顆分成果上：前部滑帶土(ZKH01：100.85～102.05 m)，<5 mm顆粒含量為42.99%，2～0.075 mm砂含量為34.70%，<0.075 mm細粒含量為1.55%，天然含水率為4.28%。不均勻系數為168，曲率系數為0.1，分類定名為碎石混合土(SICb)。后部滑帶土(ZKH02：68.55～69.75 m)，<5 mm顆粒含量為61.21%，2～0.075 mm砂含量為23.23%，<0.075 mm細粒含量為23.38%，<0.005 mm粘粒含量為3.53%。天然干密度為1.80 g/cm3；孔隙比為0.52；天然含水率為6.72%。液限為24.0%，塑限為16.0%，塑性指數為8.0。不均勻系數為80，曲率系數為0.5，分類定名為粉土質礫(GM)。說明滑帶物質由于部位的不同物性指標存在明顯的不同。

2.3 滑床特征

據地質測繪和鉆孔資料分析，滑床形態特征主要受本區地質構造情況控制。巖層產狀變化較大，總體產狀：N40°～50°W/SW∠60°～70°，與岸坡走向呈25°～35°交角。主要發育N40°～50°W/SW∠50°～70°(層面及近平行層面的剪切帶)、N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°、N40°～50°E/NW∠50°～70°三個方向的節理。

受上述因素的影響，滑床在主滑剖面上呈不規則的曲面，在縱向上，滑床后部為斷層其影響帶所形成的順坡向斜坡，巖體受斷層影響形成的滑床與斷層產狀近于一致，地表淺部以斷層對附近地層的切割為界。滑體中部在風化卸荷作用下，上部巖體呈強風化卸荷狀，加上層間板巖抗風化能力較低，易形成滑床頂部軟弱面(滑帶)，滑床為順坡向傾斜的巖層面。前部滑床沿茸德斷層及基巖面展布，斷層及其影響帶可能構成部分滑帶。在橫向上滑床呈寬淺的“U”型，上游側沿產狀N40°～50°W/SW∠50°～70°的基巖層面展布；中上部遷就于N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°的節理面和部分巖(層)面所組成的結構面；下游側主要跟蹤產狀N40°～50°E/NW∠50°～70°的節理面等相對軟弱結構面展布。滑床的槽狀地形與本區山坡和陡崖常沿層面與裂隙等相對軟弱結構面發育是一致的。

2.4 滑坡形成機理分析

從滑坡的發育特征可以看出：該滑坡滑動方式比較復雜，前期以整體推動式基巖滑動為主；后期滑體上部又堆積了較多的第四系松散物并發生過多次以牽引式為主滑動。

2.4.1 層間軟巖夾層及層面構成了潛在滑移面

滑動前，岸坡基巖為二疊系岡達概組(P2g)薄—厚層狀灰巖、灰巖夾板巖、硅質巖。由于本區地質構造發育，物理地質現象作用強烈，風化、卸荷普遍。在軟硬相間的厚層灰巖夾薄層板巖層中，二者風化和變形結果不同，較硬的厚層狀灰巖易造成節理的拉裂張開及卸荷崩塌，較軟的薄層狀板巖側易造成風化剝蝕和次生成土，各種地質應力長期作用的結果，進一步加劇了降雨的入滲和巖體的風化，惡化了軟巖夾層的地質條件，形成潛在順層滑移面。

2.4.2 多種結構面的發育組合成有利滑動的邊界條件

滑坡區為斜順向坡基巖地層，總體產狀：N40°～50°W/SW(NE)∠60°～70°，產狀變化較大，揉皺較發育，主要發育三組裂隙：①N40°～50°W/SW(NE)∠50°～70°(層面)；②N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°；③N40°～50°E/NW∠50°～70°。滑坡后緣發育有一推測斷層，總體產狀：N50°W/SW∠60°～70°。①、③組裂隙分別構成上、下游側切割面，②組裂隙和斷層及其影響帶形成后緣切割面，兼具滑動面的作用，滑坡下部發育的斷層及影響帶，巖體破碎，風化強烈，斷層的切割分離，不但造成岸坡基巖斷腳臨空，也構成前緣部分滑帶。

2.4.3 易于滑坡的地形地質條件

滑坡區地處青藏高原強烈隆起區，遭受了多次構造運動，地形高差懸殊，勢能較大。當滑體在重力作用下順層面發生滑移變形時，在下部斷層破碎帶剪出，形成突發性的高速滑坡。滑坡發生時，由于其速度高，體積大，滑體前部滑塌的碎石土不但直接覆蓋于冰水沉積層上，并造成滑體物質在對岸2 375 m高程山坡處也有分布。從地貌形態及滑塌物質分布情況看，該滑坡為整體推動式基巖滑坡。滑體兩側有沖溝切割，使滑坡周圍形成有利于滑動變形的地質邊界條件。地震、降雨入滲等影響也是岸坡變形破壞的誘發因素，在各因素綜合作用下，最終引起邊坡失穩，形成滑坡。

3 滑坡穩定性分系統評價

3.1 計算方法

選擇摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法進行滑坡體穩定性驗算。上述方法能分析特殊結構面(層面折線)對滑坡體的穩定性影響，尤其是地表水、地下水的作用可在岸坡穩定分析中自動計算。該方法還可以分析地震力對滑坡體穩定性的影響，比較客觀的反映了各種控制岸坡穩定的因素的作用。計算模式分三種情況：模式1滑面上部以實測邊界和結構面產狀為依據，中部以滑體上鉆孔揭露的滑面作控制，剪出口選擇河岸邊2 220 m高程溶蝕洞穴發育和砂土含量較多的的軟弱部位，進行整體穩定性分析。模式2滑面上部以實測邊界和結構面產狀為依據，中部以滑體上鉆孔揭露的滑面作控制，前部順滑帶走勢及揭露的黃色土夾碎(礫)石底部軟弱結構面延伸，并以前緣巖性分界的地形陡坎底出口，進行上部土體穩定性研究。模式3根據鉆孔揭露情況，中下部滑帶同模式①的情況，上部沿前部滑帶走勢向上順延切層至地表，進行前部滑體穩定計算。根據水庫運用方式，滑坡體穩定計算條件主要考慮了自然狀況和庫水位在2 224 m高程條件下與加地震荷載不同組合的安全系數(表3)。

表3 滑坡體巖土物理力學參數表

3.2 計算結果

滑坡破壞模式見圖3～圖5、滑坡破壞穩定性計算成果見表2～表6。

圖3 滑坡整體性破壞模式

表4 模式1滑坡整體破壞穩定性計算成果

圖4 滑坡上部破壞模式

表5 模式2滑坡上部破壞穩定性計算成果

圖5 滑坡前緣部份破壞模式

表6 模式3滑坡前部破壞穩定性計算成果

3.3 穩定性評價

滑坡體自然條件下整體(模式1)處于穩定狀態，這和滑坡體上未發現有變形跡象是吻合的。當庫水位在設計高水位(2 225 m)時，各種工況條件下，安全系數仍大于1.03，滑坡體仍處于穩定狀態。模式2上部滑體盡管存在次級以土為主的軟弱帶，但由于其厚度薄，連續性差，不具控制意義，加之滑帶平緩，穩定條件好。模式3安全系數較低，尤其是Ⅶ度地震條件下個別計算結果為1.016～1.021之間，說明地震條件下安全余度不大。計算結果還表明：地震因素對滑坡體穩定性影響較為顯著，地下水位的抬升對滑坡體穩定性具有一定的影響，但不顯著，地下水對滑坡體穩定性更明顯的影響表現在滑面泥質夾層強度的降低。

水庫蓄水后，滑坡堆積體水文地質條件改變不大，岸坡不會產生大規模的變形失穩現象。

滑坡前部由于庫水位頻繁升降，土體強度降低，動水壓力增大，將會有一定的岸坡再造現象。

[1] 陳強，韓軍，艾凱.某高速公路山體邊坡變形監測與分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23(2)：299-303

[2] 李志峰，瑜軍華，張林峰，等.某公路高邊坡現場監測分析[J].東北公路，2003，26(2)：75-78

[3] 樊曉一，喬建平，田宏嶺.丹巴滑坡的位移特征[J].山地學報，2007，25(2)：202-206

[4] 黃潤秋，張倬元，王士天.論巖體結構的表生改造[J].水文地質工程地質，1994，21(4)：17-21

[5] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1994