拖擔水庫大壩左岸滑坡形成機制與治理措施

王玉川， 劉許超， 郭其峰， 周延國

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003）

0 引言

我國西南地區地處青藏高原東側， 具有獨特的地質環境和活躍的內外力地質條件[1]， 常常是滑坡地質災害的易發區域。 西南地區又是我國水能、 水資源富集區， 近年來， 隨著西部大開發的進程， 西南地區水電工程的建設項目不斷增多， 在水電工程建設及運行過程中， 誘發了大量滑坡地質災害[2-7]， 給工程建設帶來了極大威脅和重大損失。

對于滑坡的成因機制和治理方案的研究，眾多學者結合工程實際做了大量分析和論證工作。 殷躍平[8]通過對復雜地質體中發育的滑坡地質災害防治的基本理論、 設計方法、 施工技術和監控手段的研究， 將滑坡防治工程施工技術劃分為預應力體系、 抗滑樁擋墻體系、 地表和地下排水體系、 注漿改良體系和減載與反壓體系； 王恭先[9]結合滑坡工程實例， 系統分析了滑坡類型與防治措施的關系， 提出了滑坡防治的基本原則和工程措施； 黃潤秋等[10]通過對湯屯高速公路順層邊坡變形破壞機制的研究， 指出滑坡的治理措施重點在于控制碎裂巖體和潛在剪出口的變形， 并提出了“錨索+抗滑樁+排水”的治理措施。 這些從工程斜坡擾動過程與機理，到邊坡穩定定量評價技術方法的研究[11]， 為滑坡的治理提供了豐富的理論和實踐基礎， 形成了“成因分析—穩定性評價—治理方案—效果驗證” 一套成熟的研究思路和方法， 本文在這些研究成果的基礎上， 以拖擔水庫大壩左岸滑坡為例， 研究其發育特征和形成機制， 并充分結合大壩工程布置， 從工程優化設計的角度， 對比論證了滑坡的治理方案。

拖擔水庫位于云南省富民縣， 為擴建工程，樞紐工程由大壩、 溢洪洞、 輸水洞等主要建筑物構成。 大壩設計為粘土心墻石渣壩， 壩高56.8m， 壩頂高程1986.0m， 滑坡發育在擬建大壩左壩肩， 分布高程1984～2075m。

1 工程區地質條件

工程區地處滇中高原， 屬構造侵蝕中山地貌， 區內地層巖性以震旦系下統澄江組（Zac）中厚層-薄層狀中細粒長石石英砂巖為主， 局部夾薄層泥質粉砂巖、 泥巖等， 夾層耐風化能力差， 存在夾層風化和囊狀風化現象。 左岸構造不發育， 巖層呈單斜產出， 產狀一般130°∠40°。

左岸壩肩發育有H4 滑坡， 為基巖順層小型滑坡， 具有分級滑動的特征， 后緣可見錯坎，水庫擴建施工前， 處于欠穩定狀態。

工程區為亞熱帶季風氣候， 多年平均降水量868.9mm， 每年5—10 月為雨季， 降水量占全年降雨總量的87.9%。 11 月至次年4 月為干季， 降水量只占12.1%。 工程區地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水， 受大氣降水補給。 左岸邊坡地下水位埋深較大， 均位于滑坡底滑面以下。

工程區基本地震動峰值加速度為0.15g， 基本地震動反應譜特征周期為0.45s， 相應地震基本烈度為7 度， 區域構造穩定性較差。

2 滑坡特征及形成機制

2.1 變形過程

2017 年12 月， 左岸在H4 滑坡下方修建施工道路時， 誘發H4 滑坡體出現滑塌， 隨后在完成H4 滑坡的清挖和左岸灌漿洞平臺及洞臉邊坡開挖施工后， 左壩肩山體（高程1984m 以上） 出現變形。

2.2 滑坡基本特征

左岸滑坡分布高程1984～2075m， 面積約1.5 萬m2， 滑體厚度10～20m， 方量約25 萬m3。沿滑坡邊界已形成明顯拉裂縫， 以后緣和上游側緣變形最為強烈（圖1）。 主要有以下特征：

圖1 左岸滑坡工程地質平面示意圖Fig.1 Engineering geological map of the left bank

（1） 滑坡發育于中厚層砂巖夾薄層泥質粉砂巖及泥巖地層內， 變形巖體雖能保持原巖層面， 但巖體破碎， 呈碎裂結構， 以2015m 高程為界， 滑坡分上、 下兩個分區； 上部變形區巖體產狀120°～150°∠32°～42°， 下部變形區巖體傾向不變， 傾角變緩， 為19°～26°， 上、 下兩個變形區的交界部位， 在地表產生一條橫向的鼓脹裂縫（圖1）；

（2） 滑坡下部存在一層破碎帶， 層厚4～9m， 反傾向坡內， 產狀6°∠13°， 由坡面向坡內逐漸變厚， 向坡內延伸距離較短， 鉆孔BZK04 未揭露（圖2）， 滑坡沿破碎帶頂部有明顯剪出現象；

（3） 破碎帶下部巖體在靠近破碎帶位置，傾角變陡， 產生傾向滑動方向的弧狀彎曲變形（圖2）；

圖2 左岸滑坡工程地質剖面圖（F-F 剖面）Fig.2 Engineering geological profile（Profile F-F）

（4） 滑坡底滑面為三段式， 后緣沿層面滑動， 中部沿下部變形區內的軟弱夾層滑動， 前緣沿破碎帶頂部滑動。

2.3 變形監測

2018 年4 月10 日開始對左岸邊坡進行變形監測（圖3）。 左岸滑坡水平位移方向為140°～151°， 垂直方向均為沉降變形。 2018 年全年總降雨量697.8mm， 降雨主要集中在5—8 月，滑坡對降雨敏感， 變形速率隨降雨量的增大而顯著增加， 但有一定的滯后， 滯后時間一般3～6 天（圖4）。 滑坡滑動變形分三個階段。

圖3 左岸邊坡監測點分布圖Fig.3 Layout chart of monitoring

圖4 左岸滑坡水平位移速率及降雨隨時間關系曲線Fig.4 Relation curves of horizontal displacement rate of deformation body and rainfall with time

（1） 勻速變形階段： 2018 年5 月28 日之前， 汛前降雨量較小， 滑坡變形緩慢， 水平位移速率一般5～10mm/d， 最大14.8mm/d。

（2） 持續變形階段： 2018 年5 月28 日—9月18 日， 汛期降雨量較大， 水平位移速率顯著增大， 一般20～40mm/d， 最大約70mm/d， 隨后變形速率有所減小， 但整體以一個較高的速率在持續變形， 該階段滑坡地表變形強烈。

（3） 緩慢變形階段： 2018 年9 月18 日以后隨著降雨量減少， 水平位移速率一般在1～3mm/d， 呈逐漸減小的趨勢， 但遇降雨有一定波動。

2.4 形成機制

2.4.1 古滑坡的形成

左岸斜坡陡峻， 巖性為中厚層砂巖夾薄層泥質粉砂巖， 泥質粉砂巖巖性較軟， 在自然風化及降雨入滲等作用下， 易形成軟弱滑面； 斜坡沿軟弱層面發生順層滑移， 下部中厚層-薄層巖體發生傾向臨空方向的隆起變形， 形成了變形性質不同的上、 下兩個分區， 隨著斜坡下部隆起變形的加劇， 將最終被剪斷而導致滑坡的發生， 其滑動模式為“滑移（彎曲） —剪斷”型， 一般該類型的斜坡滑動失穩的過程非常緩慢。 綜合拖擔水庫左岸滑坡變形特征來看， 古滑坡由于滑動速度慢、 滑移距離短等原因， 滑坡解體程度低， 形成了左岸保留原巖層序的破碎巖體， 王運生[12]將其定義為“假基巖”。 該類現象非常特殊， 且隱蔽性高， 勘察時非常容易被認為是構造破碎巖體。

2.4.2 古滑坡擾動復活

左岸上、 下兩個變形區， 在力學機制上，對應于“主動傳力區” 和“被動擠壓區”[5]， 上部變形區在自重應力作用下， 沿古滑坡體后緣滑面產生順層滑移， 此時下部緩傾角變形巖體提供阻滑力， 由于阻滑力較大， 斜坡巖體破碎、導水性好， 邊坡開挖施工前處于長期穩定狀態，后期由于施工開挖主要集中在下部變形區和前緣山體， 斜坡前緣阻滑力減小， 并在下部變形區內沿泥質粉砂巖夾層形成新的滑動面， 左岸邊坡出現變形。

左壩肩下游的H4 滑坡目前已經全部清挖完成， 滑床基巖出露， 其滑動模式和左壩肩滑坡基本一致。 二者滑體厚度差別較大， 底滑面不連續， 應為同時發育在左岸的兩個古滑坡體，且H4 滑坡的存在對左壩肩滑坡提供了一定的阻滑力。

3 左岸滑坡處理方案

3.1 底滑面力學參數反演

滑帶土強度反演是獲取其抗剪強度參數的一種有效途徑[13-14]， 本次反演計算是根據滑坡的變形特征假設滑坡的穩定性系數， 反算滑帶土的抗剪強度參數， 并將所取結果帶入到擾動前的斜坡剖面進行驗算。 采用中國水利水電科學研究院開發的巖質邊坡穩定分析程序EMU 進行邊坡穩定性計算， EMU 是對滑坡體采用傾斜條塊的極限分析上限解的穩定性分析程序， 具備應用最優化方法自動尋找最小安全系數和臨界滑裂面臨界斜分條模式能力[15]， 與Sarma 法具有等效性。

左岸滑坡邊界條件清晰， 為邊坡開挖擾動形成， 底滑面為“三段式”， 滑帶物質主要為泥夾碎屑， 滑動方向平均約145°。 根據邊坡開挖前后穩定性不同， 采用EMU 軟件， 針對典型剖面F-F（圖2） 進行計算。 根據工程壩址區多組巖土體物理力學試驗和邊坡巖體的工程地質特性， 所選用的巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 邊坡巖體物理力學指標

左岸滑坡變形強烈， 依據邊坡當前的變形與穩定性狀況， 現狀地形條件取0.95 的穩定性系數， 進行正常運用條件下的反演分析， 結果如表2 所示。 根據滑帶土的工程地質特性， 其參數取值如表3 所示。

表2 底滑面抗剪強度反演結果（K=0.95）

為驗證底滑面強度參數取值的合理性， 取表3 中抗剪指標φ 和c 的均值， 對左岸剖面FF 開挖前的穩定性進行驗算（圖5-6）， 結果表明： 左岸開挖前， 天然工況穩定性系數約為1.10， 處于穩定狀態； 暴雨工況下， 穩定性系數為1.01， 處于欠穩定狀態。 反演結果與邊坡實際情況相吻合， 表明取值基本合理。

圖5 剖面F-F 原地形天然工況計算結果Fig.5 Calculation of original terrain of nature

表3 底滑面抗剪強度指標建議值

取表3 中飽和抗剪指標φ 和c 的均值， 對現狀地形剖面F-F 在暴雨工況的穩定性進行驗算（圖7）。 結果表明： 極端暴雨條件下， 滑坡的穩定性系數約為0.88， 降幅較大， 存在整體失穩的可能。

圖6 剖面F-F 原地形暴雨工況計算結果Fig.6 Calculation of original terrain of rainstorm

圖7 剖面F-F 現地形在暴雨工況下的計算結果Fig.7 Calculation of current terrain of rainstorm

3.2 計算工況

水庫擴建工程為Ⅳ等工程， 工程規模為?。?） 型， 主要建筑物為4 級建筑物。 左岸邊坡滑坡位于左壩肩， 其安全性狀對大壩影響嚴重，因此確定邊坡級別同主要建筑物級別， 即邊坡級別為4 級。 邊坡計算工況及安全系數取值見表4。

表4 計算工況及安全系數取值表

3.3 滑坡處理方案比選

根據滑坡變形模式及底滑面的分布， 擬采取的處置方案為： ①開挖方案； ②挖錨結合方案； ③抗滑樁方案。

抗滑樁方案由于受地形條件限制， 施工困難， 且造孔施工對滑坡擾動大， 存在較大安全隱患。 另外抗滑樁實施后， 左岸灌漿洞及灌漿實施對加固后的邊坡穩定存在較大擾動， 因此不再深入研究， 重點研究開挖方案和挖錨結合方案。

3.3.1 開挖方案

根據左岸滑坡邊界和底滑面位置， 將滑坡自上而下全部挖除。 為避免滑坡清除后頂部覆蓋層發生淺表層滑動， 清除滑坡頂部覆蓋層至基巖面， 頂部覆蓋層按1∶1.5 坡度進行放坡， 覆蓋層清除至高程約2025.0m 地形坡度較緩部位。

開挖后后緣邊坡根據風化情況進行隨機支護。 另外根據大壩分區以及壩料設計， 開挖石渣料可利用上壩， 填筑至大壩下游排水體以上的石渣設計區。 結合大壩壩基開挖以及大壩填筑施工進度安排， 先對滑坡頂部進行卸荷開挖，開挖至2035m 高程后， 此時不考慮降雨， 安全系數約為1.098， 處于基本穩定狀態， 隨后可啟動大壩壩基開挖、 填筑工作。

開挖總量42.3 萬m3： 其中碎石土27.6 萬m3，石渣14.7 萬m3。

3.3.2 挖錨結合方案

對比分析了滑坡上部開挖至2035.0m 高程+下部錨固方案和上部開挖至2015.0m 高程+下部錨固兩種方案。 滑坡下部巖體為中厚層砂巖夾泥質粉砂巖， 巖體完整性差， 巖體質量屬Ⅳ～Ⅴ類。

（1） 挖錨結合方案（2035m 高程）

根據計算（表5）， F-F 現狀剖面最不利工況為非常運用條件Ⅱ工況， 計算安全系數為0.826， 安全系數不滿足要求， 采用最大錨固力為4300kN/m 的錨索加固后， 安全系數可達到1.062， 滿足穩定要求。 錨索間排距3.5×3m（高度方向按3.0m）， 錨索采用150t， 框格梁按3.5×3m（高度方向按3.0m） 進行布置。 錨索內錨固段布置于滑動底面以下弱風化巖體內， 錨固長度按10m 考慮。

表5 2035m 高程挖錨方案計算成果

主要工程量： 錨索253.5 萬t·m； 混凝土3380m3； 鋼筋507t。 開挖總量29.2 萬m3。

（2） 挖錨結合處置方案（2015m 高程）

根據計算（表6）， F-F 現狀剖面最不利工況為非常運用條件Ⅱ工況， 計算安全系數為0.966， 安全系數不滿足要求， 采用最大錨固力為800kN/m 的錨索加固后， 安全系數可達到1.071， 滿足穩定要求。 錨索間排距按4×4m（高度方向按4.0m）， 錨索采用100t， 框格梁按4×4m（高度方向按4.0m） 進行布置。 錨索內錨固段布置于滑動底面以下弱風化巖體內， 錨固長度按10m 考慮。

表6 2015m 高程挖錨方案計算成果

主要工程量： 錨索67.1 萬t·m； 混凝土1345m3； 鋼筋174t； 開挖總量37.0 萬m3。

3.3.3 方案比選

三方案從施工條件、 施工隱患以及投資方面進行比較（表7）， 滑坡處置方案推薦投資較小， 施工簡單、 方便的開挖處置方案， 開挖方案可根據開挖揭露地質條件及時進行復核， 動態調整開挖設計方案， 對滑坡處理徹底、 明確。同時可利用開挖料直接或者通過轉運上壩， 減少大壩填筑料料場開采量， 以到達減損的目的。另外滑坡全開挖處置后， 左岸原設計的66m 長的灌漿洞將取消， 節省了該部分投資。

表7 左岸滑坡處理方案對比

4 結論

基于拖擔水庫左岸滑坡工程地質條件， 研究了其形成機制和治理措施， 主要有以下認識。

（1） 左岸邊坡為一古滑坡體， 滑動模式為“滑移（彎曲）-剪斷” 型， 存在巖層傾角上陡下緩的上、 下兩個變形分區， 下部變形區內的施工開挖， 使阻滑力減小， 導致古滑坡體復活，并在下部變形區內形成新的順層滑動面。

（2） 此類古滑坡的下部變形區提供阻滑力，是斜坡整體穩定的關鍵， 因此在施工過程中應注意對下部變形區的保護； 另外降雨會加劇古滑坡的變形， 斜坡的排水措施也是減小其變形的關鍵。

（3） 結合大壩工程設計， 對比研究了抗滑樁、 開挖和挖錨結合三種方案， 開挖方案施工簡單、 投資小， 建議左岸滑坡采取開挖方案進行處理。