官地水电站坝前覆盖层堆积体边坡的稳定性分析与评价

彭文明，王方亮，付 敬，陈 强

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072;2.长江科学院，湖北武汉 430010)

1 前 言

我国西南地区高山峡谷地貌发育，地震沿断裂体系活动频繁，河谷发育史上的强烈下切使得河谷边坡产生强烈的表生改造，各种类型的浅表生时效变形现象发育，边坡大规模崩塌，形成了大量的滑坡堆积体。我国大型的水利设施如水电站大多建立在该地区，而第四纪的堆积体通常处于临界状态，当施工期遇到开挖、降雨以及运营期蓄水时，由于堆积体边坡受荷情况发生变化引起内力重分布，可能引发坡体开裂、滑坡，给施工人员的安全和工程建设的顺利进行带来安全隐患。因此，查清堆积体边坡的规模及形态特征，分析堆积体的成因和稳定性问题就成为工程建设时必须解决的主要工程地质问题。本文采用快速拉格朗日程序FLAC3D，对官地水电站左岸坝前覆盖层堆积体进行三维数值稳定性计算。通过对边坡表层堆积体的力学参数进行敏感性分析，根据目前边坡的稳定现状，结合三维强度折减方法分析获得的边坡安全系数，来确定覆盖层堆积体力学参数的综合取值;模拟边坡的施工及运行工况，分析边坡的开挖变形、应力场变化规律及塑性区分布;研究边坡可能的失稳模式、失稳区域及安全系数，对锚固效果进行评价;以科学地指导设计与施工，确保水电站工程的安全施工和大坝的正常运行。

2 堆积体边坡的工程地质特征

大型堆积体由于其物质组成、边界条件等的不均一性和地下水位及地应力等因素的多变性，决定了该类边坡的失稳模式、滑移形式及滑面形成特征等方面的复杂性，特别是其失稳形式往往不是整体下滑，而是通常在斜坡最薄弱部位、抗滑阻力最小部位，在下滑力最集中部位先形成剪出口，导致局部滑移，而后在下滑力和惯性力作用下形成斜坡的整体下滑。这是大型堆积体失稳的特殊规律。官地坝前左岸覆盖层堆积体位于雅砻江左岸岸坡段，岸坡前缘顺雅砻江河谷弧长约1.5km，雅砻江以S20°W方向流入岸坡前缘，后逐渐偏转至S25°E方向流出岸坡。

左岸覆盖层岸坡表面存在分布范围较广的崩积物、坡积物、残积物、冲洪积物，接触关系较复杂，多混杂分布，崩坡积物在边坡表面分布最为广泛，是坝前左岸覆盖层边坡最主要的组成部分;残坡积物大面积分布在下游边界附近的岸坡表面，上游边界高程1 300m附近也可见残积物局部富集。由于受到岩性、构造、地形的控制作用，覆盖层在平面、剖面上分布存在差异，最大厚度逾60m，其内发育滑坡和倾倒变形体。边坡内发育较大规模断裂主要为近南北向展布、向西陡倾的三条断层。这三条断层正好发育在覆盖层分区边坡内或位于坡体后缘，对边坡的变形破坏起到一定的控制作用。边坡岩体风化高程效应比较明显，随高程的增加，风化作用加强，深度增大;在河床内基岩偶见强风化，风化程度、深度均相对较浅，厚度相对稳定。而高程1 350m左右全强风化深度可达52.3m，主要分布在F1断层附近;同一高程上，风化程度也存在不均一现象。风化作用使得位于覆盖层边坡高位处的岩体破碎、结构面张开、次生黏土矿物形成。

根据岸坡覆盖层目前变形破坏迹象以及可能发生的变形破坏的规律将岸坡覆盖层划分为A、B、C、D、E五个区域(见图1)。其中B区变形破坏现象较为明显，主要表现为高程1 350m之下的桥台边坡的变形破坏，既有覆盖层内的滑塌，也包含基岩的变形破坏，边坡整体处于一种潜在不稳定状态，虽已采取了临时支护措施，但难以保持边坡的长期稳定。D区为雅砻江流向由N20°E转向S25°E的河湾处岸坡，区内发育一处中型覆盖层滑坡(见图2)，滑坡上游边界位于边坡中部山脊下游约200m，下游边界位于覆盖层上游边约120m，顺河长约320m，顺坡长约330m，最大厚度约40m，体积90万m3，前缘高程1 235～1 240m，后缘高程1 490～1 500m。滑坡体地形略呈圈椅状，上下游边界均发育小型冲沟，并呈双沟同源态势。在高程1 240m、滑坡体上下游侧均可见Ⅱ级阶地堆积物与基岩出露。根据现场调查，滑坡中后部树木大多向坡外倾斜，表明滑坡表部有一定的蠕动变形。

图1 坝前左岸覆盖层边坡工程地质平面

3 覆盖层边坡的稳定性分析

图2 D区KB5工程地质剖面

鉴于覆盖层边坡沿基覆界面分布的崩积物、坡积物等具明显的三维效应，各种成因的堆积物在平面、剖面上的分布存在着较大的变化，有必要根据边坡的空间形态和地质条件，建立三维地质概化模型，采用数值模拟方法对覆盖层边坡的稳定性进行研究。限于研究对象的复杂性及文章的篇幅，本文结合覆盖层边坡的地质、地形及分区特点，采用显式有限差分法，选取稳定性最差的区域，建立覆盖层边坡D区的三维数值模型，重点研究D区的变形模式及其稳定性。

由于覆盖层边坡表面存在各种成因类型的坡积体介质，包括崩积物、坡积物、残积物等，各种介质多相互叠加、夹杂分布，其物质组成具复杂性、多样性，力学参数具有高度的不确定性，给三维数值建模及力学参数取值带来了极大的困难，因而在计算中对地质模型作了相应的概化，将边坡表层堆积体视为一种综合介质。考虑到崩坡积物在边坡表面分布最为广泛，是覆盖层边坡最主要的组成部分，故以崩坡积物力学参数为主要依据，通过对D区模型在天然状态下覆盖层力学参数的反算，最终确定表层覆盖层合理的计算参数。将相应的力学参数用于D区模型在多种工况下的三维稳定性分析，研究D区覆盖层边坡可能存在的滑移模式及相应的安全系数。

3.1 三维数值模型与计算条件

计算模型包含了微风化玄武岩、全强风化岩体，断层 F5、F2、F1，KB5 滑坡体及滑带，表层覆盖层、压坡体、挡墙。模型沿x、y、z轴的计算范围为570m×650m×650m，其中x轴垂直河床方向(平行KB5剖面)，指向河床为正;y轴与x轴垂直，正y顺河流方向;z轴铅直向上为正。底部高程900m。计算域剖分了80 453个单元、27 605个节点。计算域四周采用法向约束，底部三向约束，地表自由。初始应力场为自重应力场。全强风化和微风化岩体，断层F1、F2、F5、KB5滑坡体、滑带均采用实体单元模拟，断层厚约2.0～3.0m，滑带厚1.0m。在D区模型中模拟了低线公路、高低连接线公路的开挖与支护以及坡脚压坡。低线公路边坡支护措施主要采取了3m和6m长的砂浆锚杆，高低连接线公路边坡的支护采用4.5m长的砂浆锚杆。岩土体本构模型采用Mohr－Coulomb模型。材料计算参数见表1。

大坝上游侧边坡工程抗震设防类别为丙类，其基岩水平峰值加速度取50年超越概率10%的值即0.114g。在运行工况基础上，采用拟静力法按规范要求对地震荷载进行模拟;降雨工况模拟是在运行工况基础上，考虑强降雨作用，采用降雨强度为200 mm/d(按四川盆地降雨临界强度进行取值)，降雨持续时间为1d，采用非饱和渗流－应力耦合方法模拟降雨过程对边坡稳定性的影响。

表1 覆盖层堆积体边坡D区材料的物理力学参数采用值

3.2 计算成果分析

(1)滑带力学参数敏感性分析。考虑到滑带的力学参数对滑坡的稳定性起着控制性作用，故首先对KB5滑坡体的滑带参数进行敏感性分析。除滑带外的其他岩体采用表1所列的计算参数。当KB5滑带的力学参数取φ=24°、c=50kPa，天然状态下KB5滑坡安全系数为1.04;若考虑降雨的影响，滑坡的安全系数进一步降低，有可能产生失稳，表明该参数取值偏低。当滑带取φ=26°、c=60kPa时，天然状态下滑坡安全系数为1.13;若叠加降雨工况，此时安全系数为1.10，该参数取值下的计算结果偏高。当滑带取φ=25°、c=55kPa时，天然状态下滑坡安全系数1.08，与目前边坡的稳定现状基本相符，故在以下各工况分析时滑带均采用此强度参数。

(2)天然边坡的稳定性。边坡浅部岩土体基本处于低压应力或拉压应力状态，塑性区分布主要集中在表层覆盖层、KB5滑体及滑带、全强风化带岩体及断层F1、F2、F5内，受拉或拉剪屈服区主要集中在边坡表层岩土体内，压剪屈服区主要集中在滑带、滑体及全强风化带岩体内。边坡浅层出现成片的屈服区，表明天然状态下覆盖层边坡浅部包括KB5滑坡体的稳定性较差。天然边坡的稳定性主要受滑带控制，当边坡处于临界失稳状态时，最大剪应变集中出现在滑带部位，滑带上部滑体沿滑带产生明显朝坡外的位移，表明D区的失稳首先发生于KB5滑坡体。由强度折减法得到的潜在破坏区也集中在滑带内，边坡安全系数为1.08。

(3)施工扰动对边坡稳定性的影响。低线公路及高低连接线公路的开挖引起开挖坡面产生顺坡向位移，变形区主要集中在滑坡体，开挖后边坡的安全系数仍为1.08，表明公路开挖对滑坡的整体稳定性影响不大。这是因为开挖挖除了部分滑体，也减小了滑体的下滑力。但从滑坡的整体位移趋势来看，施工开挖对滑坡的变形十分不利。开挖后及时锚固对边坡浅部岩土体变形起到了一定的约束作用。锚杆受力普遍不大，边坡安全系数为1.09。当边坡坡脚进行压坡和施加挡墙处理后，边坡的受力状态得到有效改善，整体稳定性也有较明显的提高，安全系数为1.23。

(4)运行期边坡的稳定性。在现状水位下边坡表层覆盖层、滑带及强风化岩体内分布有大片的塑性区，为拉或压剪屈服区。水库蓄水至1 330m高程水位后，边坡岩土体内的孔隙水压力增大，有效应力减小，淹没在库水位以下的坡体内塑性区范围有明显增加;蓄水引起KB5滑坡体整体沿滑带朝坡外变形，表层覆盖层也产生顺坡向的位移;边坡安全系数为1.19。水库蓄水后边坡潜在的破坏区出现在KB5滑体部位与覆盖层上部，由于边坡前缘的压坡和挡墙作用，使得处于极限失稳状态下的坡体前缘变形受到了很大的约束。

(5)地震、降雨对边坡稳定性的影响。受水平地震荷载的作用，滑坡区域产生了明显的变位，整个滑体沿滑带产生顺坡向变形，位置在KB5滑坡体上部。地震工况下边坡安全系数为1.09。降雨引起的坡体变形与边坡地形和高度有关。D区边坡遭遇强降雨，其影响区域主要集中在蓄水水位高程1 330m以上的浅部坡体。在降雨作用下，该部位表层覆盖层和滑体整体向下变形，但位移较小，对整个边坡的应力及塑性区分布影响不大。

4 结论与建议

从边坡现状分析，目前覆盖层边坡D区处于基本稳定状态，但安全储备不高;稳定性主要受滑带控制，在各种分析工况下边坡潜在的失稳区均位于表层覆盖层和滑带内，破坏模式为沿滑带滑动。天然状态下D区的安全系数为1.08，在边坡坡脚进行压坡和施加挡墙后，安全系数达到1.23，边坡整体稳定性有了明显提高。综合宏观地质分析和三维数值分析结果，坝前左岸覆盖层边坡最可能的失稳模式是一种递进式的崩塌滑移破坏，水库蓄水后若遭遇强降雨、地震等极端不利的情况，有可能出现大范围的整体滑移，因此，加强边坡的排水设施以及运行期边坡的长期观测十分必要。

［1］四川省雅砻江官地水电站可行性研究重编报告［R］.成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2005.

［2］雅砻江官地水电站坝前左岸覆盖层分布区边坡稳定性分析报告［R］.成都:成都理工大学，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2007.

［3］金海元，温森.阿海水电站左岸坝前堆积体边坡稳定性综合研究［J］.水利水电技术，2008(5):16－19.

［4］陈祖煜.水利水电工程堆积体边坡稳定分析和工程措施研究［J］.贵州水力发电，2003(4):5 －10.