庫水位升降作用下某水電站庫區滑坡穩定性研究

李青春，余曉華

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072；2.水電工程質量監督總站，北京 100120）

庫水位升降作用下某水電站庫區滑坡穩定性研究

李青春1，余曉華2

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072；2.水電工程質量監督總站，北京 100120）

庫區堆積體邊坡的變形破壞及穩定性問題已成為制約水電開發的主要工程地質問題之一。本文基于黑水河某水電站庫區一滑坡體，在查明滑坡體基本地質條件的基礎上，通過二維邊坡穩定計算和滲流分析，對庫水位升降作用下滑坡體的穩定性進行研究。結果表明，庫水位升降影響滑坡體A區穩定性較為明顯。在水位上升過程中穩定性有先增加后減小再上升的趨勢，而在水位下降過程中穩定性有先減小后增加的趨勢。

水位升降；滑坡體；穩定性研究

0 前 言

西南地區是我國水能資源的主要聚集區，是我國水電開發的重要“基地”，一系列大型乃至巨型水電站相繼開工建設。這些地區地質條件復雜，地質環境脆弱，新構造運動活躍，內外動力作用強烈，分布有大量的堆積體邊坡。這些庫區堆積體邊坡的變形破壞及穩定性問題已成為制約水電開發的主要工程地質問題之一，也逐漸成為研究的熱點問題。而水位變化是引起庫岸邊坡變形失穩的關鍵因素之一，在三峽等水電站庫區已出現多起水位升降引起的庫岸邊坡變形失穩案例，聶德新［1］、唐輝明［2］、廖紅建［3］等學者對庫水位升降下的庫岸邊坡穩定問題進行一定的研究。本文基于黑水河某水電站庫區一大型滑坡，在現場地質調查的基礎上，通過室內試驗及工程反算獲取滑坡體物理力學參數，應用巖土工程分析軟件geostudio，對庫水位升降作用下滑坡體的穩定性進行研究。

1 滑坡體工程地質概況

滑坡體距離壩址約3 km，為一形態不規則的滑坡體，上游以沖溝為界，沖溝切割最深約20 m，長約850 m，從滑坡后緣貫通到前緣剪出口形成一個完整邊界。下游邊界以西爾瓜子溝和黑水河相匯的山脊之間的沖溝為界，切割深度達2～5 m。滑坡體形態上表現為前緣和中部稍寬，后緣則逐步收斂，在平面呈圈椅狀，滑坡分布高程2 050～2 644 m，前緣達黑水河邊，中部高程2 320～2 500 m，后緣2 602～ 2 644 m，滑坡整體上地形起伏微小，坡度36°～42°，滑坡體厚度35～65m，體積約1 341萬m3（見圖1）。在電站庫水位升降過程中，滑坡體前緣出現復活跡象。新復活滑坡的后緣錯臺分布在2 320～2 340 m高程，前緣剪出口目前不可見，應位于庫水位以下，總體方量約450萬m3。

根據鉆孔結合現場調查，滑坡體及周圍區域內出露的地層第四系及三疊系基巖，各地層主要特征為：

（1）風積土（Q4eol），分布于滑坡的高高程地帶，物質組成以細粘粒為主，由巖石風化碎屑物質經風力搬運作用至此地降落，堆積所形成，厚約1.5～20 m；

（2）滑坡堆積碎石土（Q4del）：是滑坡體主要物質組成，厚度30～62 m，碎石粒徑2～10 cm，，成分以變質石英砂巖和炭質千枚巖為主，間夾白色石英礦物，土石比約4∶6；

（3）滑帶土（Q4del）：分布于鉆孔基覆界線附近，以碎塊石夾巖屑、碎石土，角礫土夾強風化泥化碳質千枚巖為主，平均厚度約1～3 m，碎塊石有一定磨圓度，角粒直徑多以0.5～1 cm為主，泥化千枚巖層面具有擠壓鏡面和擦痕跡象；

（4）雜谷腦組變質石英砂巖（T2z）：以中厚層狀變質細粒鈣質石英砂巖為主，巖層較完整，巖層傾角較陡，產狀148°～155°∠45°～62°。

2 滑坡分區及變形破壞特征

該水電站正常蓄水位2 133 m，死水位2 063 m，水位消落70 m，為年調節水庫，蓄水后，滑坡體前緣出現了較大的變形。通過對滑坡勘探成果以及現場變形情況的調查，在綜合評價的基礎上把滑坡體分成了2個大區，即A區強變形區和B區弱變形區，A區后緣高程位于2 305～2 324 m，根據各大區的特征又分為多個亞區（見圖2），各區變形破壞特征如下：

圖1 滑坡體工程地質平面示意

圖2 滑坡體分區

A1區：強變形松動區，整體上處于蠕滑狀態，后部主要變形跡象在2 290 m高程處的錯臺，錯距2～5 m，前緣臨近庫岸位置，庫岸再造和多層次級解體現象明顯。

A2區：強變形拉裂區，整體上處于蠕滑狀態，其后緣錯距達23～27 m，坡度約50°，在滑動過程中主要以整體滑動為主，僅在高程2 210 m處的反坡臺坎，存在新滑坡次級解體的現象。

A3區：強變形解體區，整體上變形跡象非常明顯，橫縱裂縫交織發育，區內還存在多級的次級解體和變形錯臺。

B區：B區變形而相對集中出現在B2區內，以古滑坡體長期蠕滑累計變形而成的老裂縫為主，裂縫都是沿著斜坡體上陡緩交接的部位拉開，且裂縫向下貫通的深度較淺，反映裂縫由淺表層覆蓋物滑動產生，表明B區還處于地表蠕變過程。

3 穩定性分析評價

勘探揭示，滑坡體是由一個大型古滑坡及在其上復活的新滑坡共同組成，在庫水位變動過程中，新復活次級滑坡已經歷一次完整的變形破壞過程，并達到目前狀況下的新平衡狀態，但滑坡體的蠕滑仍在繼續，在庫水位繼續上升后，整個新復活滑坡體仍存在失穩的可能性，新復活體下滑后，失去支撐的上部古滑坡體就會有失穩的可能。

在以上地質分析的基礎上，為深入研究庫水作用下堆積體邊坡的變形破壞特征，采用GEO-Studio軟件對庫水位升降過程滑坡體穩定性進行定量計算分析。

3.1 計算參數選取

滑帶土強度參數的取值根據室內初步試驗結果和基于實驗結果的參數反演方法確定。參數反演以強變形解體區A3區典型斷面作為反演剖面，A3區在蓄水至2 103 m時產生劇烈蠕滑，結合邊坡變形發展狀態實際情況，本次反演取FS固定值0.95。在安全系數FS＝0.95條件下，通過公式分別計算當φ在20°～28°時的粘聚力值，通過工程類比確定當φ＝24°～25°時，反演出C＝52.5～65 kPa，通過線性優化組合分析：當φ＝24.7°，C＝58 kPa時，FS＝0.948 96，基本符合蓄水至2 103 m后新復活區活動狀態，FS值基本在0.95～1.0的范圍內。因此，根據室內試驗成果結合參數反算，該滑坡體穩定性分析計算參數見表1。

表1 滑坡體物理力學計算參數綜合取值

3.2 計算模型建立

計算模型包括滑坡穩定性計算及滲流分析模型建立。滑坡穩定性計算及滲流分析均采用剖面Ⅱ分析。根據不同材料分層建立計算模型。采用有限元方法計算不同工況下地下水浸潤線，考慮水位上升、水位下降等工況下對滑坡滲流場影響進行模擬分析，相關計算模型見圖3。

3.3 計算工況

根據庫水位升降運行要求，取水位下降速率0.5 m／d和水位上升速率1 m／d進行穩定分析。考慮特殊情況庫水位升降幅度變化對滑坡影響，本次分別取2 m／d上升和2 m／d下降對滑坡穩定性分析，水位升降作用下的計算工況見表2。

表2 滑坡穩定分析計算工況匯總

3.4 穩定性計算

根據勘探揭示及地質分析，滑坡體在水位升降過程中，滑坡體產生整體下滑的可能性不大，以多級的解體式下滑為主，A區將率先出現變形失穩，A區變形失穩后，古滑坡前緣形成臨空面，影響后部B區穩定，因此，穩定性分析首先分析水位升降過程中A區穩定性，進而研究B區的穩定性。

（1）水位上升A區穩定性。通過搜索A區在以2 m／d和1 m／d上升時不同水位下的最小穩定性系數，穩定性系數與時間關系見圖4、5。

水位上升速率在2 m／d時，滑坡體穩定性先隨庫水位上升而增高，隨后開始降低，而后繼續升高。水位至2 090 m高程左右，穩定性系數下降幅度不斷增大，新復活區局部出現變形破壞，水庫蓄水至2 100 m時，穩定性系數FS＝0.933，新復活區存在失穩的可能，水位至2 118 m時，穩定性系數大于1.0；而以1 m／d上升時，滑坡穩定性系數先增加后減小，蓄水至2 075 m后，穩定性系數隨水位上升逐漸減小，最小穩定性系數為FS＝1.029。

（2）水位下降過程中A區穩定性。計算通過搜索A區在以0.5 m／d和2 m／d從2 133 m水位下降時不同時刻的最小穩定性系數，穩定性系數與時間關系見圖6、7。

圖4 水位上升（2 m／d）時間與穩定關系

圖5 水位上升1 m／d時間與穩定關系

圖6 水位下降（0.5 m／d）時間與穩定關系

圖7 水位下降（2m／d）時間與穩定關系

水位下降速率在0.5 m／d時，滑坡體穩定性先隨庫水位下降而降低，至2 130 m水位后隨水位下降而升高，最小穩定性系數1.018，處于極限平衡狀態；而以2 m／d下降時，滑坡穩定性系數也先減小后增加，下降至2 110 m時，最小穩定性系數為0.997，可能產生變形破壞。

（3）B區穩定性計算。雖B區受水位升降影響較小，但A區在水位升降作用下穩定性多處于失穩～極限平衡，若出現失穩，會導致B區局部形成較高的臨空面，從而降低B區的穩定性。

因此分析A區失穩后，B區穩定性也十分重要。分析以Ⅲ-Ⅲ′剖面為典型剖面，首先計算B區整體穩定性，整體穩定性以古滑坡滑帶作為潛在滑移面，計算模型見圖8、表3，計算結果可知；A區失穩后，古滑坡（B區）在天然、暴雨、地震工況下整體穩定性較好。

高程2 410 m地表局部出現較大的變形，且存在拉張裂縫，B區局部穩定性分析以2 410m裂縫為入口，自動搜索最危險滑面，計算分析結果表明在暴雨狀態推測的次級解體穩定系數FS＝0.894，次級解體處于失穩，在地震工況下次級解體穩定性FS＝0.989，在天然狀態下穩定性系數FS＝1.074，處于欠穩定狀態，綜上表明推測次級解體在暴雨、地震狀態下失穩，在天然狀態下處于欠穩定狀態。

表3 A區失穩后古滑坡（B區）穩定性計算

4 結 論

（1）文中滑坡體為一古滑坡體，古滑坡體沿基覆界線附近產生過滑動，在水庫水位升降過程中前緣出現變形垮塌或失穩。

（2）庫水位升降對滑坡體A區穩定性影響較為明顯。在水位上升過程中穩定性有先增加后減小再上升的的趨勢，而在水位下降過程中穩定性有先增加后減小的趨勢；且穩定性與水位升降速率關系較大，以2m／d上升時，在2100m水位附近A區將出現失穩，以1m／d上升時，在2075m水位附近穩定性系數最小，處于蠕滑變形狀態。

P642.22

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1003-9805（2015）04-0036-04

2015-01-06

李青春（1983-）男，重慶合川人，工程師，從事水利水電及巖土工程勘察設計工作。