某水電站塊石料場棄渣堆積體邊坡穩定性分析與防治措施研究

潘一茜，胡卸文,2

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院， 四川成都 610031； 2.西南交通大學抗震工程技術四川省重點實驗室，四川成都 610031)

西南某水電站塊石料場棄渣堆積體從2004年開始堆放，至今已有十余年，石料主要為塊狀～碎裂狀玄武巖，堆積體前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對高差約80 m，縱向長約210 m，橫向寬約60 m，平均厚約10 m，初步推算體積約21×104m3。按不同堆放位置，棄渣堆可以分為I、II、III三個區域(圖1、圖2)。由于棄渣體結構松散，后期又受2008年“5·12”汶川特大地震、2013年“4·20”蘆山強烈地震，以及降雨的影響，I區棄渣堆積體邊坡后部發生推移變形，中部因前緣臨空，出現棄渣堆頂部下沉、臨空面坡體發生溜滑等變形現象，嚴重威脅坡腳居民安全(圖3、圖4)。因此本文以I區棄渣堆積體邊坡為例，在現場勘查的基礎上對邊坡在不同工況條件下的穩定性進行了系統的分析與評價，提出了相應的防治措施[1]。

圖1　某水電站棄渣堆航拍全景

1　地質環境條件概述

棄渣堆邊坡位于某居民集中區后緣山坡上(圖4)，原始斜坡中上部為玄武巖基巖，地形坡度50°～60°；棄渣堆放部位下伏地層為老崩坡積堆積塊碎石土。成份以玄武巖為主，前緣局部含少量灰黑色千枚巖。地形坡度25°～35°，推測松散層厚度一般5～20 m不等，局部達28.5 m。

就邊坡部位地層巖性而言，主要有：

(1)人工棄渣塊碎石(Q4s)：主要為二疊系上統大石包組(P2d)玄武巖和泥盆系下統上段(D12)粉砂質千枚巖塊碎石，塊石粒徑多為20～30 cm不等，最大塊徑大于1 m，是棄渣堆滑坡的主體。該層結構松散、承載力低，在飽水或人工活動等因素影響下，易沿與下伏老堆積體之間的接觸面產生滑移。

(2)崩坡積含塊碎石粉質黏土(Q4col+dl)：分布于棄渣塊碎石下部，塊石成份為玄武巖和千枚巖，粒徑0.5～2 m不等。結構較緊密，滲透性較差。

受亞熱帶季風氣候、西風帶氣流影響，場地多年平均降雨量為789.9 mm，最大日降雨量為62.5 mm，年均降雨日數146.7 d，降雨多集中在5月～10月，占全年的85 %～90 %。

研究區位于龍門山斷裂構造帶西南段以北25～30 km的金湯弧形構造帶內，地質地震活動相對較弱。但考慮區域地震動峰值加速度為0.15g，場地地震反應譜特征周期Tg=0.40 s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。

2　棄渣堆積體邊坡變形破壞特征

現場勘察表明，滑坡前緣剪出口以老堆積體剪出口變形裂縫為界，后緣以陡崖后壁為界，左、右兩側均以料石堆放邊界的剪切裂縫為界，主滑方向248°，體積約12.6×104m3。

受2008年“5·12”汶川地震和2013年“4·20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，從2014年開始，棄渣堆邊坡開始變形，到2017年變形進一步加劇。整個滑坡體范圍內可見多處長10～30 m的大型裂縫，兩側邊界可見明顯剪切錯動跡象。整個變形區因前緣臨空，出現棄渣堆頂部下沉、坡體發生溜滑，并對棄渣堆前緣老堆積土體產生擠壓剪出等變形，整體可分為四級變形所形成的錯臺與陡坎，每級錯臺高度均在10 m以上。各級下錯臺階裂縫延伸較長，形成最長可達50 m、寬約15 m的錯臺。

圖2　棄渣堆邊坡工程地質平面

圖3　滑坡與保護對象之間關系俯視

圖4　滑坡與保護對象之間關系仰視

根據上述變形破壞特征及裂縫特點，棄渣堆下沉座滑、形成四級臺階，并在前緣下伏老堆積體中擠出，整體屬于推移式滑坡，而每一級平臺棄渣堆表部又具有局部牽引式(后退式)滑移特征。

根據鉆孔、探槽、探井等現場勘查，邊坡可能存在以下三種滑面：(1)棄渣堆與下伏老堆積體接觸界面(即滑坡主滑面)；(2)老堆積體內部(主要分布于滑坡整體剪出口附近，分布較小)；(3)棄渣堆內部(也即滑坡所表現出的四級下錯后壁)。滑體由棄渣體(主體)與老堆積土體(前緣部分)兩部分組成(圖5)。

3　棄渣堆積體邊坡穩定性分析

3.1　計算參數選擇

針對上述棄渣堆邊坡失穩機理，綜合采用參數反演和經驗類比得到各類滑帶土及滑體抗剪強度指標(表1)。

3.2　計算工況

綜合考慮棄渣堆積體邊坡可能承受的各種荷載，確定本次穩定性計算，考慮天然、暴雨兩種工況；且根據地震烈度劃分，研究區處于VII度烈度區，故在穩定性計算時需考慮基本地震加速度值為0.15g。考慮該滑坡涉及保護對象較多，設計推力計算中涉及安全系數取值如下(見表2)。

3.3　傳遞系數法穩定性計算結果

傳遞系數法是在邊坡穩定性計算分析中最常用的一種方法，采用不平衡推力傳遞系數法[2-3]，結合邊坡的地形條件、地層巖性、地下水位線及其變化、水文地質特征，以及搜索出的潛在滑動面對各剖面進行條塊劃分，對邊坡在不同工況下進行了定量計算[4～6]。根據極限平衡原理，運用傳遞系數法，選取1-1＇剖面中的AE滑面、2-2＇剖面中的AD滑面、3-3＇剖面中的AE滑面(圖5)進行計算，計算結果如下表3所示。

表1　邊坡物理力學參數建議值

表2　穩定性計算工況與荷載組合

(a)1-1’剖面

(b)2-2’剖面

(c)3-3’剖面圖5　棄渣堆邊坡滑坡變形體工程地質剖面

依據DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規范》[7]，滑坡穩定性狀態按穩定性系數分為四級(表4)。

表3　邊坡穩定性計算結果

表4　滑坡穩定狀態劃分

從表3可以看出，各代表性剖面計算結果相近，穩定性系數在天然工況下為1.098～1.126，整體處于基本穩定狀態；在暴雨工況下為0.985～1.011，處于不穩定～欠穩定狀態；在地震工況下為1.035～1.069，處于欠穩定～基本穩定狀態。在暴雨工況下1-1’剖面、2-2’剖面、3-3’剖面的剩余推力分別可達454 kN、308.5 kN、462.6 kN，說明邊坡處于不穩定狀態，安全儲備較低，在持續降雨作用下，有整體下滑的危險。

3.4　基于Geo-Studio穩定性計算

為了進一步驗證傳遞系數法結果的合理性，本文運用Geo-Studio軟件對邊坡穩定性進行了數值模擬計算，其原理采用極限平衡法，包括Ordinary法、Bishop法、Janbu法以及Morgenstern-Price法等。該數值模擬方法能計算考慮孔隙水壓力情況下的邊坡穩定性，可靠性得到充分的驗證，效果良好[8]。計算結果見表5。選取代表性剖面，使用M-P法以暴雨工況為例進行計算，數值計算模型見圖6。

數值模擬計算結果也表明，棄渣堆集體邊坡(滑坡)整體在天然工況下處于基本穩定狀態，在暴雨工況下處于不穩定～欠穩定狀態，在地震工況下處于不穩定～欠穩定狀態，與傳遞系數法計算結果相近。

4　防治措施建議

根據已查明的棄渣堆滑坡特征、坡體厚度、保護對象等，同時考慮到防治工程的施工環境、經濟合理性與環境適應性，提出了以下三種比選方案。

(1)方案一：抗滑樁板墻兼攔渣墻+后緣截排水溝。在棄渣堆滑坡前緣邊界處設置抗滑樁，并將抗滑樁伸出坡面適當長度掛樁間板，以防止棄渣體產生局部溜滑或較大塊石發生滾落，同時在后緣統一布設截排水溝系統。根據設計推力，擬設抗滑樁樁截面可采用1.5 m×2.0 m，樁長15～20 m不等。

表5　邊坡穩定性數值模擬計算結果

(a)1-1’剖面

(b)2-2’剖面

(c)3-3’剖面圖6　暴雨工況下棄渣堆邊坡數值模擬計算模型(Morgenstern-Price法)

(2)方案二：全埋式抗滑樁+格賓石籠擋墻+后緣截排水溝。與方案一不同的是，該方案抗滑樁為全埋入式，同時為了防止棄渣堆前緣滑塌、落石滾落，在其前緣布設格賓石籠擋墻，并在后緣統一布設截排水溝系統。根據設計推力，擬設抗滑樁樁截面可采用1.5 m×2.0 m，樁長14～18 m不等。格賓石籠可就地取材，采用棄渣堆塊石用鉛絲籠進行碼砌。

(3)方案三：格構錨索+格賓石籠擋墻+后緣截排水溝。與前述兩種方案不同的是，在棄渣堆滑坡前緣老堆積體部分采用格構錨索，以鎖定滑坡整體穩定，同時在棄渣堆前緣采用格賓石籠擋墻以防止棄渣體產生局部溜滑或者較大碎屑發生滾落，并在后緣統一布設截排水溝系統。三套方案各有特點，從施工條件、治理效果、經濟合理性等綜合比較，建議采用方案一。

5　結論

(1)某水電站棄渣堆邊坡由于受地震、尤其是多次持續降雨影響，棄渣堆下沉座滑、形成四級臺階，并在前緣下伏老堆積體中擠出，屬于推移式滑坡。

(2)通過極限平衡方法對棄渣堆積體各代表性剖面的穩定性進行計算分析，結果表明，棄渣堆積體邊坡在天然工況下處于欠穩定～基本穩定狀態，在暴雨工況下處于不穩定狀態，在地震工況下處于欠穩定狀態。在暴雨工況下剪出口部位設計推力308.5～462.6 kN不等。

(3)根據棄渣堆積體邊坡的特點并結合保護對象，建議采用“抗滑樁板墻兼攔渣墻”方案對滑坡進行治理，即在滑坡前緣設置抗滑樁板墻，控制滑坡整體穩定，同時抗滑樁樁頂高程適當伸出坡面以上一定高度，以防止棄渣體產生局部溜滑或較大的塊石發生滾落，并在后緣統一布設截排水溝系統。