水庫邊坡穩定性分析與工程治理

李燕宏，張慧穎

(1.云南省元謀縣水務局，云南 楚雄 651300； 2.云南農業大學 水利學院，昆明 650201)

1 概 述

隨著大量水庫工程項目的開發建設，水庫邊坡失穩現象也日益突出。1961年3月6日，湖南資水柘溪水庫在蓄水初期，后壩上游右岸巖體突然發生高速滑坡，總體積約165×104m3，形成高21 m的涌浪，漫過壩頂，沖毀了壩上臨時擋水物并造成人員傷亡[1]。1963年10月9日，意大利瓦依昂水庫左岸近壩地段發生巨型滑坡，激起高250 m的涌浪，翻越壩頂，滑坡導致整個水庫失效報廢，沖毀隆加羅尼等附近多個村莊，遇難人數高達1 925人[2]。1976-1985年，湖北省黃龍潭水電站先后發生滑坡73次，總體積達9 000×104m3以上，且這些滑坡體大多集中在居民和耕地區，對百姓造成較大的損失[3]。這些事故對人民生命和財產安全造成了威脅，因此對水庫邊坡穩定性進行研究是十分必要的。本文以某水庫邊坡為研究對象，首先對邊坡穩定性進行三維數值計算，然后提出相應的工程治理方案。

2 工程概況

水庫位于云南西北部的東西向轉南北向的小河溝谷中，分山嶺最高2 122.30～2 054.88 m，一般為1 827.20～2 021.80 m左右，河床高程1 688～1 723 m，山頂與河床相對高差139.20～298.80 m。河谷兩岸坡呈V形，谷底呈U形，為山間狹窄型河谷，局部因發育一級階地而為寬谷式河谷。壩址區河床高程1 683.07～1 684.50 m，左岸地形坡度為30°～45°。

整個滑坡體區域地勢西(后緣)高東(前緣)低，局部呈階梯狀斜坡地貌，上陡下緩。根據勘察結果，巖層傾向北西，傾角20°～40°，為單斜巖層。地層連續性好，巖層產狀基本穩定，構造簡單，斷層南西端穿過左壩肩，上盤為C3d地層，下盤為C3d、C3w、P1z地層，力學性質為壓扭性，斷裂面傾向南東，傾角73°，斷層帶寬約3～5 m；由壓碎巖及糜棱巖組成，為阻水斷裂。

3 滑坡體計算模型建立

3.1 滑坡模型

基于有限元計算模型，研究在地震作用下滑坡的發生以及發展過程[4-6]。首先將土體假設為連續介質的、線彈性體、均質各向同性體材料，然后將水庫左岸邊坡地形圖導入模型軟件，通過等高線建立三維實體模型。根據現場鉆孔勘察結果和臨空面揭露的左岸邊坡土體情況，將邊坡土體劃分為3層，左岸邊坡三維模型劃分為37 491個單元、8 063個網絡節點，再將模型導入計算軟件，見圖1。

圖1 有限元模型

3.2 計算參數

本次分析選用Mohr-Coulomb塑性模型。根據室內試驗和現場勘察綜合分析，選取的滑坡體物理力學參數見表1。

表1 滑坡體巖土物理力學參數

根據本次分析自然狀態下的穩定性分析，將圖1中水庫左岸邊坡模型施加靜力邊界條件，在模型的四周施加法向位移約束，底部施加豎直向位移約束。

4 滑坡體穩定性分析

4.1 位移場

滑坡體沿Z向的位移和整體位移見圖2。

圖2 滑坡體位移圖

從圖2可以看出：①滑坡體中部及上部表層位置均發生沉降，最大沉降發生在滑坡體頂部位置，最大沉降量達8.95 cm；②位移矢量集中分布于滑坡體上層后緣部位，并指向坡腳位置，這與整體位移云圖所表現出來的趨勢是一致的，同時也表明滑坡體有向下滑動的趨勢。

4.2 應力場

滑坡體主應力云圖、切應力云圖和塑性區分布圖見圖3。

圖3 滑坡體應力云圖和塑性區分布圖

從圖3可以看出：①滑坡體并未出現明顯的拉應力區，基本上以壓應力為主；②基巖附近的滑坡體主應力等值線平滑，但在位于滑坡體中層和淺層土體附近產生了較為明顯的應力集中區域，這表明滑坡體可能沿土體中層和淺層滑面發生破壞?；麦w中分布有大量塑性區，且出現有零星的拉張區域，也說明該區域可能發生破壞。

5 滑坡體加固措施

5.1 加固方案

對于淺層地表使用土釘加固，長度3 m，共布設土釘22根；深層土體使用錨桿加固，共布設錨桿13根，長度為30 m；角度均為10°。同時，表層土體使用不透水混凝土噴護加固，具體加固模型見圖4。

圖4 加固措施

5.2 計算參數

根據規范要求，在邊坡土體表層噴混凝土，其強度一般工程不得低于C15，重要工程不低于C20，在此選取噴射混凝土C20噴射于邊坡表面進行防護。錨桿、土釘及混凝土單元參數取值見表2。

表2 錨桿、土釘及混凝土物理力學參數

5.3 位移場

加固后的滑坡體沿Z向的位移和整體位移見圖5。

圖5 加固后滑坡體位移圖

從圖5可以看出，加固后滑坡體位移主要以沉降位移為主，最大位移2.83 cm，越靠近中部臨空面，位移以橫向位移為主。與治理前相比，其位移量也降低了一個量級，表明錨桿及土釘約束住了邊坡的橫向位移，起到了加固邊坡的作用。

5.4 應力場

加固后的滑坡體主應力云圖、切應力云圖和塑性區分布圖見圖6。

圖6 加固后滑坡體應力云圖和塑性區分布圖

從圖6可以看出，加固后滑坡體的塑性區主要集中在邊坡表層上部及中部區域，邊坡表層塑性零星擴張區域大量減少，表明滑坡體是穩定的。

6 結 論

以某水庫左岸邊坡為研究對象，采用數值模擬方法，研究了滑坡體加固前后的應力、位移、塑性區域響應，計算結果與現實勘測結果吻合。加固前，位于滑坡體中層和淺層土體附近產生了較為明顯的應力集中效應，邊坡將沿土體中層和淺層滑面發生破壞。加固處理后，由于錨桿和土釘的作用，邊坡位移大幅度下降；塑性區分布主要集中在邊坡表層中部及中部偏下區域，邊坡表層塑性零星擴張區域也大量減少，加固措施起到了顯著的治理作用。