卡拉水电站田三滑坡体稳定性敏感因素分析

李红英,谭跃虎,李二兵

(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京 210007)

拟建的卡拉水电站位于雅砻江干流中游河段,为雅砻江梯级开发11级中的第6级,上游与杨房沟水电站衔接,下游与锦屏一级水电站毗邻。工程区内滑坡体发育且规模巨大,分布有上田镇、田三、岗尖、下马鸡店、草坪等多个大型滑坡体和崩坡积体。若出现滑坡,将造成水库淤积或河道堵塞,并会危及大坝及其他枢纽建筑的安全。因此,滑坡体的稳定性是决定坝址选择的控制性因素之一。笔者以田三滑坡体为例,对库区内滑坡体进行稳定性分析。田三滑坡体位于雅砻江右岸,处于上坝址与中坝址之间,总体呈长方形展布,平均厚度为40m,总体积为3662.2万m3。

1 滑坡体稳定性敏感因素

1.1 地形地貌

依据滑坡体的不同区段、物质组成及地形差异将滑坡体自上而下分为A区、B区和C区,分区要素见表1;A区、B区位于中后部,基本以公路为界;C区位于前部,以中部台地前缘为界,滑坡体全貌见图1。在高程2.26km以上坡度为20°～25°,以下总体坡度为30°～35°。前部地形存在较多变形破坏现象,稳定性较差;中后部未发现破坏现象,稳定性较好,有常住居民[1]。

1.2 地层岩性

该滑坡体组成物质较复杂,据钻孔平洞揭露,主要由残坡积层、崩坡积层及中部滑坡堆积层、底部滑带等组成。滑坡堆积层根据破碎程度可细分为2个亚层：粉质黏土夹碎石层和块石层。残坡积层为粉质黏土夹碎石,碎石含量为10%～40%;崩坡积层为碎块石夹粉质黏土,主要成分砂岩、板岩含量为60%～70%。粉质黏土夹碎石层以碎块石为主,碎块石含量约为30%～40%;块石层主要由变质砂岩、板岩大块石组成。滑带土为粉质黏土夹砾石,并有少量碎石。岩层产状为35°N～55°W,NE∠20°～55°,顺坡倾向,局部岩层由于受揉皱影响,岩层产状变化较大[2]。

图1 田三滑坡体全貌Fig.1 Panorama of Tiansan Landslide

表1 田三滑坡体分区要素Table1 Partitioning elements of Tiansan Landslide

1.3 滑坡成因及地质构造

中更新世晚期以来本区进入峡谷期,河谷强烈下切,岸坡高度不断增加,在随后长期的地质历史过程中,滑坡形成所需要的条件逐步形成,唯独缺少前缘临空条件。强大的自重应力持续作用于岸坡岩体,滑移变形趋势保持不变,前缘受阻部位产生弯曲变形,导致坡面隆起并伴随岩体扩容破碎。随着坡面隆起和坡内扩容加剧,在地震或暴雨诱发下,易产生溃屈破坏[3-4]。

区内前波断层距离滑坡体后缘1.50km,未发现其他较大断裂构造带通过。滑坡区地处前波断层的下盘,雅砻江右岸边坡为中倾左岸偏下游的顺向坡,河流走向与岩层走向接近一致,沟谷延伸长,切割深。基岩节理发育,主要发育有3组：(a)20°N～30°WNE∠40°～60°面较平直,延伸较长,为层面、顺坡、密集发育。(b)70°N～80°ESE∠80°～86°面较平直,延伸较长,切坡,面附铁锰质膜 。(c)10°N～20°WSW∠40°～50°面较平直,延伸较长,横切坡,面附铁锰质膜。

1.4 水文地质条件

滑坡体在高程2.30km以上较缺乏地表水,冲沟均为季节性流水,旱季时均无水,现场调查未发现泉水点出露。在高程2.30km以下,中部的1条大冲沟有常年流水,流量较大,其余冲沟均为季节性流水。地下水接受大气降水补给,向雅砻江排泄。另外,在滑坡体前缘有多处地下水渗出点,出水量较小。滑坡区的地下水为潜水,潜水面形态与地形大致相当,根据钻孔水位观测成果,地下水位埋深较深,一般埋深为30～60m。

1.5 降雨

雅砻江区域地处青藏高原与四川盆地过渡地带,气象条件的垂直分带性明显,每年6—9月为雨季,年平均降雨量950.0mm左右。高程3.00km以下的河谷地带,降雨量较充沛(年平均降雨量为796.7mm),属较典型的亚热带气候区。气候突变明显,降雨具有集中性和突发性,降雨量大,分布极不均匀。笔者使用SLOPSEEP/W软件对滑坡体进行渗流分析(计算模型如图2所示),划分区域为4边形单元格,上边界按照降雨量定义,同时坡脚处定义水头高度,初始地下水位按照基岩定义。稳定渗流分析以日为单位步长进行叠加,整个计算不考虑水分蒸发和地下水位变化。为研究降雨历时对田三滑坡体的影响,模拟了100 mm/d的降雨强度持续10d的地下水位变化。

图2 滑坡体Ⅳ-Ⅳ剖面渗流模型Fig.2 Seepagemodel of landslide at profileⅣ-Ⅳ

从渗流云图可知[5],降雨第1天滑坡体表层便有微小的局部饱和区;降雨第2天B区的饱和带逐渐向下,C区饱和带逐渐加深;至第5天,B区饱和带与地下水联通并使地下水位抬升,C区至第8天与地下水联通并使地下水位抬升;至第10天,C区上部饱和区域逐渐变大,地下水位继续抬高,地下水情况变复杂,C区和B区结合部的地下水几乎达到滑坡体表面。可以看出,降雨时间长度对田三滑坡体的影响较大,降雨不仅在表层形成局部饱和带,而且随着降雨时间增长滑坡体内地下水位抬升越来越明显,地下孔隙水压力的变化也越来越复杂,使得孔隙水压力消散迅速,进而影响滑坡体的整体稳定性。这说明降雨历时对滑坡体的稳定性起到重要的决定作用。将当日计算得出的渗流场与SLOP软件耦合,可以计算渗流场对应的滑坡体安全系数F,如图3所示。

图3 100mm/d降雨持续10d田三滑坡体安全系数趋势Fig.3 Safety coefficient variation of Tiansan Landslideduring 10-day rainfall with intensity of 100 mm/d

从图3可以看出,降雨时间越长,田三滑坡体的安全系数越低,滑坡体越不安全。总体上C区安全系数小于B区和A区,这与现场观测的结果是一致的。在发生滑坡的时间顺序上,A区先于B区和C区。

1.6 库水位升降

库水位突然降低,涉水滑坡体内地下水位下降缓慢,较大的水力梯度形成较大的动水压力,加大了沿地下渗流方向的滑动力,可能引起老滑坡的复活和新滑坡的产生。同时一部分地下水排出,库岸受到的浮托力突然减小,致使库岸陷落压密,可能激发很高的超孔隙水压力,使压密带抗剪强度急剧降低导致岸坡失稳。另外,蓄水后水位上升,库面水域变得更加开阔,山谷风及库水的流动会引起对库案的冲刷作用,使案坡后移,河谷深切,岸坡变陡。库水冲刷坡脚,切断滑动面使之临空,斜坡失去底部支撑,其稳定平衡便会遭到破坏。现场调研结果表明,滑坡体在天然状况下不存在和保持高孔隙水压力的水文地质条件,水库蓄水将改变地下水的赋存条件,通过计算Ⅳ-Ⅳ剖面安全系数可知,在库水位骤升骤降的过程中,地下水将产生较高的水力梯度,对滑坡的稳定性影响较大,滑坡安全系数逐步降低,故滑坡稳定性分析应充分考虑水位变化的影响。

1.7 地震

卡拉水电站近场区内断裂构造较为发育,主要发育有2组断裂,均为早、中更新世活动断裂,不具备发生6.5级以上强震的构造背景,但5～6级左右地震具有较大的随机性。不同地震烈度对应的水平加速度和垂直加速度如表2所示。

滑坡稳定性计算结果表明,当地震烈度为6～8时,滑坡体整体及分区稳定性均在基本稳定状态之上;当地震烈度达到9后,边坡安全系数为0.872,滑坡体处于失稳的状态。可以看出,安全系数随地震烈度的增加而线性递减,因此地震对滑坡体的安全影响巨大。

表2 不同地震烈度所对应的水平和垂直加速度Table2 Horizontal and vertical acceleration with different seismic intensities

2 滑坡体稳定性评价

2.1 工况组合

根据以上分析,滑坡体风险分析需要考虑不同工况组合(不同工况)的影响[6-7],见表3。本文计算以Ⅳ-Ⅳ剖面作为计算模型,如图4所示。

表3 田三滑坡体稳定性计算工况及工荷组合Table 3 Stability calculation conditions and load combinations of Tiansan Landslide

2.2 参数确定

工程现场勘察过程中,通过试验获取了一定数量的样本数据,但数量有限,加之滑坡体巨大,地质情况复杂,无法达到统计要求,因此引入Bayes优化法[8-11]对滑坡体岩土参数进行优化分析。采用工程类比分析法确定滑坡体稳定性计算参数的分布类型及参量,即通过工程类比法对滑坡体物理力学参数进行统计,获得概率分布函数,以此为先验函数;以田三滑坡体自身试验样本概率分布函数为似然函数,通过Bayes优化得到后验函数,即稳定性计算的参数取值。由于篇幅有限,仅将C区优化计算结果列于表4中。

2.3 稳定性计算

为了能有效模拟出滑坡体的实际情况,根据滑坡体参数后验分布改良函数,通过Risk软件,采用Monte-Carlo方法[12-14]随机抽取1万组数据,同时对各个土层抽取样本进行随机组合。根据随机组合数据进行滑坡体整体稳定性计算,计算方法以Bishop法和M-P法为基础[8],以安全系数为直观反映,计算由GEO-SLOPE软件进行。为解决1万组抽样数据带来的输入难题,利用自编对接程序Edit and Run将随机数据导入GEO-SLOPE软件,然后结合不同工况及荷载计算。以安全系数小于1的组合为失稳组合,统计其在1万组数据中所占比例,得到滑坡体在该工况的失稳概率,如表5所示。

图4 田三滑坡体Ⅳ-Ⅳ主剖面计算剖面Fig.4 Calculation profile of main profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

表4 田三滑坡体C区岩土参数Bayes优化结果Table 4 Optimization results of rocKand soil parameters of of Tiansan Landslide in zone C using Bayes method

表5 滑坡体Ⅳ-Ⅳ剖面稳定性计算成果汇总Table5 Overall results of stability calculation of profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

计算结果表明：在工况1(天然)、工况2(正常蓄水)条件下,田三滑坡体安全系数均值均在1.2以上,失稳概率为0,稳定性较好,有较高的安全储备。蓄水对田三滑坡体的稳定不利,与工况1相比,工况3(暴雨)下安全系数有较大幅度的降低,但失稳概率为0,稳定性仍较好。工况4(蓄水暴雨)和工况5(水位骤降)条件下,失稳概率分别为1.05%～5.17%和2.91%～4.65%,说明受蓄水和暴雨的影响,田三滑坡体稳定性明显下降,存在失稳的可能。工况6(地震)条件下,田三滑坡体失稳概率为2.36%～2.49%,2个剖面稳定性较接近,而在工况7(蓄水地震)条件下,田三滑坡体的失稳概率为21.93%,受蓄水影响较大,稳定性差。

3 结 语

a.卡拉水电站工程区田三滑坡体随着坡面隆起和坡内扩容加剧,在外界作用下更易失稳破坏;其层面与节理裂隙的不良组合为滑坡体变形失稳提供了边界,陡倾坡内的裂隙为地下水入渗创造了条件。通过对降雨、库水水位升降和地震等外在因素的敏感性分析,可知滑坡体在天然状况下不存在产生和保持高孔隙水压力的水文地质条件,水库蓄水将改变地下水的赋存条件,库水位骤升骤降对滑坡体的稳定性影响较大;在短期降雨条件下,滑坡体稳定性降低不多,但是随着降雨时间增长滑坡体失稳概率增加;地震峰值对滑坡体稳定性影响较为明显。

b.基于蒙特卡洛模拟思想,在岩土参数概率密度函数已知的条件下采用Risk软件进行抽样,将数据录入GEO-SLOPE软件中进行计算,得到滑坡体7种工况下的失稳概率。从计算结果可知,在蓄水地震工况下,C区失稳概率较大,该工况下处于不安全状态。另外,滑坡体受蓄水和暴雨的影响较大,稳定性变差。

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