金沙江某水电站库区滑坡力学参数取值及稳定性分析

余先华，聂德新，唐良琴

（1.重庆市沙坪坝区国土资源管理分局，重庆400038；2.成都理工大学，成都610059；3.重庆交通大学，重庆400074）

1 前言

库岸是库区的重要地质环境，而库岸岸坡失稳常常是库区的地质灾害之一。库岸岸坡失稳导致地质灾害，尤其是库区岸坡的工程地质条件复杂多变，库水动力作用强烈，水库岸坡失稳是影响水库工程安全的重大地质灾害问题。库岸滑坡可能会在水库蓄水后的稳定性以及由于产生新的变形、破坏的程度如何，是否会危及滑坡上村庄的安全，滑坡下滑是否会产生较大的涌浪危及乡镇人民生命财产安全。因此，开展库区滑坡稳定性分析评价至关重要，为水库蓄水提供必要的防治依据。

2 滑坡基本特征

金沙江某水电站库区滑坡位于金沙江右岸，距离某水电站坝址约20 k m处。该区域内有程海大断裂通过，且滑坡的控制面主要受断裂影响，坡度30°，有多条冲沟切割，物质结构较松散。根据现场调查滑坡在天然状态基本稳定，蓄水后可能解体，局部失稳。滑坡体前缘最低高程为1 170 m，后缘最高高程为1 750 m，高程差为650 m，坡度约为30°，其全貌图见图1。该滑坡由三个区即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区组成的滑坡群。滑体与后缘基岩分界线明显，具有典型滑坡特征，即后缘呈圈椅型地貌。

图1 库区滑坡全景图Fig.1 Panoramic view

图2 Ⅰ区滑坡剖面形态Fig.2 Section of LandslideⅠ

本文以Ⅰ区滑坡（剖面图见图2）为研究对象，根据滑坡周边地形地貌、后缘残留滑面、滑坡前部台阶的特征，结合现场调查得到的滑坡后缘坡度36°，按照最大剪应力面的趋势，可以得到该滑坡的前部厚度120～140 m，中部厚度50～80 m，后部厚度10～30 m，前缘高程1 170 m，后缘高程1 500 m，高差达300余m，体积约2 900×104m3。

库区褶皱、断裂均较发育，主要构造线走向为NN W向和NNE向。褶皱核部岩层陡倾，挤压紧密，伴有岩浆侵入或断层发育，向两翼逐渐舒缓，并发育次级小褶曲，两翼岩层产状变化较大。

3 滑坡滑带土强度参数取值分析

3.1 前缘剪出口地段滑带土的基本物理指标

本次工作在滑坡前缘剪出口开挖探槽揭露出滑带（图3）。在前缘剪出口地带开挖多个探槽，选择多处有代表性的滑带土，在多个点上采集原状样，现场测定物理指标，滑带土的密度多在22 k N／m3左右，含水量10%左右，滑带土的饱和度大多在70%～80%（表1），具有较好的代表性，可以作为评价力学参数的依据之一。

图3 库区某滑坡前缘剪出口Fig.3 Shear at the front of a landslide

表1 库区某滑坡滑带土物理指标Table 1 Physical indicators of soil at a landslide

3.2 滑带土强度参数取值分析

在实际情况中，从钻孔或者平洞中所取得的滑带土由于已经离开了其赋存环境，再加上水分的蒸发和外界环境的扰动，这样在室内所做试验得到的强度参数已经不能代表真实环境下的抗剪强度。以往的滑带土参数取值通常是根据在现场所取得的滑带土带回室内进行剪切试验，然后将根据剪切试验得到的c、φ值作为滑带土的抗剪强度参数进行计算。但是这样所得到的滑带土参数有着很大的局限性，因为不同滑面上的c、φ值是不尽相同的，并且由于滑带土在现场情况下和在实验室里所处的外部环境是不相同的，这样所得到的c、φ值是不具有普遍代表性的。因此，本次利用成都理工大学聂德新教授完成的国家自然科学基金项目中的方法对滑带土进行取值分析：首先在室内进行滑带土的压缩试验，获得孔隙比e与正应力p之间的关系；然后利用有限元技术计算滑带土不同部位的正应力，以得到其孔隙比；再利用孔隙比e和含水量w之间的关系得到滑带土不同部位的含水量；最后利用含水量与抗剪强度指标之间的关系得到c、φ值。

（1）滑带土的室内压缩试验

在室内将现场取回的滑带土配制成接近液限的试样，放入高压固结仪中，分别以25 k Pa、50 k Pa一直到1 600 k Pa进行加压，得到的e－p关系曲线见图4。

图4 滑带土e－p关系曲线图Fig.4 e－p curve of slip band soil

（2）利用室内剪切试验获得含水量与c、φ值的关系

从表1可知，滑带土塑液限，分别为13.5%和28.6%，因此做剪切试验时，滑带土的含水量从10.4%一直做到19.3%，一共做了6组试验。根据上面的试验结果可以得出含水量与摩擦系数（f）、内聚力（c）之间的相关曲线（图5，图6）。

图5 滑坡滑带土摩擦系数（f）与含水量（w）之间关系曲线Fig.5 Relation curve between friction coefficient and water conten

图6 滑坡滑带土内聚力（c）与含水量（w）关系曲线Fig.6 Relation curve between cohesion and water content

3.3 滑带土强度参数综合取值

利用含水量与摩擦系数（f）、内聚力（c）之间的相关，可以得到滑带土在饱和度为75%的情况下不同位置的强度参数。考虑安全因素，取平均值再折减，综合取值得到滑带土的抗剪强度参数（表2）。

表2 滑坡滑带土抗剪强度参数取值Table 2 Shear strength parameters for slip band soil

4 滑坡稳定性分析及涌浪计算

4.1 滑坡稳定性分析

关于滑坡稳定性计算的方法很多，如萨尔码法、传递系数法、毕肖普法和极限平衡法等，这些方法在解决实际问题时各有长短。结合该滑坡实际地层岩性、剖面形态等多方面因素，本文选取了应用广泛的传递系数法作为计算其稳定性的方法，对坡体潜在滑动面在不同工况条件下的稳定性进行计算。根据滑坡体变形影响因素、滑坡周边地理环境以及滑坡所在地区的地质构造条件，考虑了各种合理的组合方式对滑坡的稳定性现状进行评价，在考虑天然、地震、蓄水及蓄水加地震4种工况条件下，分别对滑坡的稳定性进行了计算。由于本地区地震烈度为Ⅶ度，取其地震加速度为0.16 g。水库库水位按1 223 m考虑，水库蓄水后滑坡体中地下水位暂按与库水位持平的高度1 223 m考虑。

表3 各种工况条件下滑坡稳定性系数Table 3 Landslide stability coefficients under various working conditions

从表3计算结果可知，在目前天然状态下该滑坡稳定性系数分别为K＝1.55，滑坡处于稳定状态。但是在暴雨季节或地震等影响下，滑坡前缘会有小范围的垮塌，滑坡前缘有局部失稳的现象。当水库蓄水至1 223 m后，在地震的作用下，滑坡稳定性系数分别降低为0.87，滑坡将出现变形破坏，应该引起重视。

4.2 滑速涌浪计算

（1）从前面的调查滑坡资料及稳定性计算成果，滑坡的滑速涌浪计算的滑面形态应按圆弧法考虑，圆弧位置是通过最危险滑面搜索得到的（表4）。

（2）由于滑坡规模较大，且滑体物质主要为碎块石土，从野外调查结果，滑坡一次性整体下滑失稳的可能性不大，其主要破坏模式应为前部碎块的局部塌滑。因此，计算过程中，滑体宽度（沿河流方向长度）仅取整个宽度的一部分，计算取值前缘宽度为210 m，该值是根据野外调查结果得来的。

（3）滑面参数取值如下：c值取0.05 MPa，f值水上部分取0.52（相当于27.5°），水下部分取0.4（相当于21.8°），天然状态容重为22 k N／m3，饱和容重为23 k N／m3。

（4）计算条分如图7所示。

（5）计算获得的滑速、历程曲线见图8、图9，从图中可以看出滑速在2.5～6.5 m／s之间，滑动的轨迹见图10。

图7 计算条分图Fig.7 Line drawing for calculation

图8 潘家铮法滑速、滑距ig.8 Sliding speed and movement by Panjiazhen Approach

表4 滑速涌浪计算结果（按正常蓄水位1 223 m计算）Table 4 Calculations of sliding speeds and upsurge heights

5 结论

（1）通过现场仔细地调查、现场取到滑带土，室内测定了滑带土的物理指标。借助土的物理性质与力学性质的相互关系，室内采用拟合试验、直剪试验，建立起滑带土物理指标与环境条件（应力）、强度参数的关系。

图9 能量法滑速、滑距Fig.9 Sliding speed and movement by Energy Approach

图10 滑动轨迹Fig.10 Sliding track

（2）本文采用传递系数法对滑坡在4种工况下的稳定性进行计算分析，该滑坡的目前稳定性为1.55，水库蓄水后，在地震的作用下，滑坡的稳定性为0.87。计算结果表明：在持续蓄水位和地震工况下，该滑坡局部处于不稳定状态，发生滑坡可能性很大，分析结果与实际相吻合。

（3）本文采用潘家铮法、能量法进行涌浪计算。计算结果表明：水库蓄水后会发生破坏，且估计最大涌浪高度为4.0 m，应注意防治。

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