白鶴灘遷建集鎮變形體的變形機理及穩定性分析

高 翔，吳佳佳，雷進生，黨潤萌，劉婉純

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

變形體的變形失穩是造成滑坡災害的因素之一。眾多學者已在變形體失穩的預測和治理方面做了很多研究，并取得了大量成果[1- 3]。黃澗秋[4]收集了大量典型大型滑坡災害實例，并對重點涉及不同的地質環境條件和坡體地質結構的大型滑坡進行了深入的分析和討論。張小寶[5]根據地質概況，對變形體的發展演化過程進行了機理分析。呂耀成[6]通過基本地質條件，研究工程地質特征，分析成因機制及力學特征，并采用有限元強度折減法和剛體極限平衡法，評價了變形體的穩定性。姜龍[7]應用D-InSAR監測技術，研究了阿拉溝水庫庫區左岸變形的變形破壞機理，同時對變形體的穩定性進行了評價。因此，當工程中遇到存在變形體問題，查明其形成的背景、變形破壞機理以及可能出現的破壞類型，以保障工程建設的順利進行以及建成后的正常運行。

本文以白鶴灘遷建集鎮變形體為工程實例，從變形破壞特征及成因機制等方面進行研究分析，采用有限元強度折減法，計算其不同工況下的穩定性，為后續工程處理措施提供理論支撐。

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段(攀枝花至宜賓)，是金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級水電站中的第2級。為滿足白鶴灘電站樞紐區和圍堰區移民搬遷的需求，在四川省涼山州寧南縣及云南省巧家縣規劃了移民安置點。寧南縣白鶴灘鎮新址為樞紐區移民安置點之一，該場地位于金沙江左岸新建村斜坡上。新建村斜坡總體地勢西北高南東低，前緣臨金沙江，后緣分水嶺高程2680m，水庫蓄水后，將淹沒高程825m以下區域。新址場地位于新建村斜坡中部，分布高程833～1064m，占地面積約49.20萬m2，規劃安置移民人數4507人。

新建村斜坡地質構造上存在變形體，變形體前緣位于寧南縣白鶴灘鎮新址場地上部，幾乎緊挨著集鎮。變形體內存在層間錯動帶C8，為順層軟弱面，分布在凝灰層頂層，受該軟弱面的影響，變形體存在下滑的可能。

2 基本地質條件及變形機理分析

2.1 地貌特征

變形體位于新建村斜坡Ⅱ區、白鶴灘鎮遷建工程新址場地西側，3#、4#沖溝之間，分布高程范圍為1010～1190m，面積1.04×105m2，體積125×107m3。后緣高程1190～1145m，呈圈椅狀負地形；前緣高程1030～1010m，機耕道下方呈陡坡地形；南側上部為N40～50°W向拉裂縫，鋸齒狀，在高程1100m及以下，拉裂縫不明顯，僅見較連續的巖面產狀一側走向略轉、傾角變陡；北側邊界不甚明顯，沿山脊后順4#沖溝南側岸坡展布。

2.2 地層巖性

變形體至上而下分布有第四系崩坡積及殘坡積土層、二疊系上統峨眉山組玄武巖(P2β)。變形體內原生構造發育不完整，斷裂構造不充分，但存在層間錯動帶C8。該錯動帶是形成變形體的主要原因。

2.3 地下水及埋深

地下水主要為第四系松散堆積物含水層和基巖裂隙含水層，與其相對應的地下水類型為孔隙性潛水和基巖裂隙水。

根據本次勘探期間對鉆孔進行終孔水位觀測和前期勘探過程中鉆孔揭露，場區地下水位5.95～77.35m，埋藏深度差別較大，埋藏地層在粗粒、巨粒土和破碎巖體中為主，以孔隙水為主，受季節影響較大，部分鉆孔為非同時期鉆孔，地下水埋深差異較大。本期勘探過程中鉆孔基本采用植物膠護壁，孔內水位多為假水位，場區內覆蓋層透水性較好，場區穩定地下水位埋藏較深。

3 變形機理分析

3.1 變形體物理力學參數

變形體破壞特征比較明顯，根據變形強弱的不同，將變形體分為5個區。分別為變形殘留區、拉裂變形區、卸荷變形區、擠壓變形區和擠壓變形區前緣。

各類土體物理力學參數計算取值見表1。

表1 各類土體物理力學參數計算取值

3.2 變形體形形成條件

3.2.1地形地貌條件

位于金沙江左岸，為一緩傾右岸略偏上游的順向坡，地面坡角與巖層傾角相當，從地形上具備產生順層滑移的條件。根據相關地質資料，該地區地殼現今仍在以每年數mm的速率上升，這就造成河流的下切和淘蝕作用十分強烈，為斜坡的變形破壞提供了前緣臨空面。伴隨著坡體前沿臨空高度增大，順層層間錯動帶在岸坡出露，巖體在自重應力場的長期作用下沿順層錯動帶產生剪切變形甚至失穩。

3.2.2地層巖性及性質

3.2.3地質構造條件

玄武巖層中發育的層間錯動帶和層內錯動帶，產狀與巖層產狀基本一致，且性狀較差，是邊坡穩定的控制性因素。尤其是左岸為斜順向坡，錯動帶可構成邊坡變形失穩底滑面，錯動帶的傾角越陡，邊坡的穩定性越差。

3.2.4地下水

地下水對邊坡穩定的影響主要表現在導致凝灰巖夾層和緩傾角錯動帶軟化，降低其強度，尤其是變形體所在的左岸，為順向坡，緩傾角錯動帶軟化明顯。

3.2.5地震作用

變形體所在的區域，地震活動影響比較強，地震作用容易誘發邊坡變形或失穩。

3.3 變形體形成機制

變形體所在的新建斜坡下游側層間錯動帶C8以上巖體基本剝蝕，斜坡上游側由于有上村梁子的支撐，導致靠近上村梁子側面的斜坡層間錯動帶C8上盤部分巖體殘留，為變形體的形成奠定了物質基礎。

變形體形成之前，斜坡中部及下游側層間錯動帶C9上盤巖體已經剝蝕，原始岸坡為一順層邊坡。伴隨地殼強烈抬升，金沙江深切導致斜坡前沿臨空，巖層傾角與原始地形坡度相近，在地震等特殊工況下，易發生沿軟弱結構面形成牽引式滑動變形。

根據工程區地質測繪，變形體內主要發育2組卸荷裂縫：①以南側變形體邊界裂縫為代表的N50～60°W，SW∠85°；②以變形體后緣L2與前緣L18為代表N30～45°E，⊥或SE∠85°。

4 有限元模型構建及分析

4.1 計算方法

采用有限元強度折減法。建立在強度縮小有限元分析基礎上的邊坡穩定分析的基本原理是將邊坡強度參數粘聚力c和內摩擦角tanφ同時除以一個折減系數F，得到一組新的c和φ值。然后作為一組新的材料參數輸入，再進行試算。當計算不收斂時，對應的F被稱為邊坡的最小安全系數，此時，邊坡達到極限狀態，發生剪切破壞，同時可得到臨界滑動面所在的塑性區。

4.2 計算模型

根據變形體地質情況，BZ4-BZ4、BZ5-BZ5、B1-B1三個位置的剖面地質情況最為不穩定，選取BZ4-BZ4進行穩定分析。剖面位置如圖1所示。

圖1 計算剖面平面位置

根據變形體地質情況，選取BZ4-BZ4剖面(前緣場平后)進行穩定分析，劃分A、B、C、D區，計算模型詳如圖2所示。

圖2 有限元計算模型(BZ4-BZ4場平后剖面)

4.3 本構模型

采用理想彈塑性本構關系，屈服條件采用莫爾-庫侖屈服準則。莫爾-庫侖模型可以考慮球應力張量對材料屈服的影響，對巖土工程材料具有較好的適用性，在巖土工程中廣泛應用。

4.4 計算結果

計算云圖如圖3—4所示。

圖3 BZ4-BZ4剖面持久工況下計算云圖

圖4 BZ4-BZ4剖面暴雨工況下計算云圖

4.5 安全系數

根據有限元強度折減法計算成果，BZ4—BZ4剖面安全系數統計見表2。

表2 BZ4～BZ4剖面安全系數

4.6 有限元穩定計算結論

(1)持久、暴雨工況下，剖面C8層間錯動帶以上土體水平、豎向位移明顯大于層間錯動帶以下土體，層間錯動帶以下土體位移幾乎為零，可見邊坡滑動變形主要發生在層間錯動帶以上位置。

(2)層間錯動帶C8的A區范圍土體水平、豎向位移大于B、C、D區范圍土體，可見A區范圍滑動明顯。這是由于A區C8層間錯動帶參數明顯小于B、C、D區的原因。

(3)持久、暴雨工況下，層間錯動帶C8位置最大剪應變最大，可見邊坡滑動趨勢主要沿層間錯動帶開展，同時C8的A區剪應變大于B、C、D區，可見塑性區未貫穿，滑坡總體穩定，但安全系數(正常工況為1.334)不足1.35，需要加固。

(4)變形體滑動趨勢主要沿C8層間錯動帶開展；滑坡體總體穩定，但持久工況安全系數尚不能滿足規范要求。

5 結論

根據研究區地形地貌、地層巖性、地質構造條件、水文地質條件及地表裂縫發育情況，探究了其變形演化過程、變形破壞特征及成因機制等，采用有限元強度折減法建立持久和暴雨工況下本構模型，分析了持久和暴雨工況下變形體的穩定性。同時考慮到邊坡滑動變形主要發生在層間錯動帶以上位置，塑性區未貫穿，滑坡總體穩定，但層間錯動帶C8的A區范圍土體水平、豎向土體位移范圍較大且安全系數不足規范要求，應對BZ4剖面上部(A區)結合整體采取相應的加固措施，保障后期集鎮的生活安全，以期為類似工程項目起到借鑒作用。