水库蓄水后协比夏滑坡的稳定性研究

2016-04-14程光伟杜潇翔中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072

水电站设计 2016年1期

关键词：平衡滑坡工况

程光伟，杜潇翔（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

水库蓄水后协比夏滑坡的稳定性研究

程光伟，杜潇翔
（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

摘要：格尼水电站水库蓄水后，库区内协比夏滑坡的稳定性直接关系到该电站的运营与安全。本文使用FLAC3D模型对其蓄水后的稳定状况进行了数值模拟，对模型结果进行分析，并提出了相应的建议措施。

关键词：滑坡；FLAC3D；工况；平衡

0 引言

随着我国国民经济建设的飞速发展，能源需求在不断增加。伴随西部大开发政策的不断深入推进，西南地区的水电开发得到了蓬勃发展。拟建的格尼水电站位于甘孜县绒坝岔乡达曲河汇口上游约5 km处的雅砻江河段，该水电站初拟正常蓄水位3 455 m时，库区全长约32 km，坝址控制流域面积31 267 km2，多年平均流量252 m3／s，总库容1．77亿m3。而在该水电站上游约8 km处发育一个老滑坡（协比夏滑坡），由于蓄水后，滑坡体前缘47 m处于库水位下，因此该滑坡的稳定状况，对该水电站的正常运营有重要的影响。

1 滑坡体概况

1．1 滑坡区的基本地质概况

协比夏滑坡发育在距格尼水电站约8 km处，此河流流向为南东流向，该处雅砻江水位3 406 m，江面宽78 m，河谷呈“V”型谷，谷坡陡峻，左岸坡度35°～40°，右岸坡度40°～45°。

滑坡发育在左岸陡倾的逆向坡中。岸坡下部基岩为三叠系杂谷脑组变质砂岩板岩，岩层的产状为N25°W／NE∠75°。砂板岩在自重的长期作用下，向河谷发生弯曲，随着弯曲的进一步发展，后缘产生拉裂，最终破坏形成滑坡堆积体。

1．2 滑坡现象及滑体结构

滑坡在地貌上有明显的“圈椅”状，后缘明显，为一倾斜的平台（见图1），前缘高程3 408 m，临近江边，后缘高程3 676 m，相对高差268 m，平均坡度39°，前缘沿江长309 m，滑坡面积约10．79万m2，滑坡堆积体最厚处约47 m，体积约265．3万m3（见图2）。其物质组成主要为崩滑堆积物，滑坡体下伏基岩为杂谷脑组的砂板岩互层。

图1 协比夏滑坡的后缘平台

该滑坡发育在陡倾的逆向坡中，其变形破坏机制为弯曲—拉裂，随着砂板岩弯曲的进一步加剧，最终发生倾倒破坏，从前缘的滑塌剖面中，发现未解体砂板岩（呈反倾向）。滑坡只存在一级滑体（见图3），前缘乡村公路没明显变形，局部滑塌，为公路开挖引起的，因此判断滑坡现有稳定状况好。根据协比夏滑坡区的岩土体特性及地下水的赋存条件，地下水分为两个基本类型：松散介质裂隙水和基岩裂隙水。堆积体中不存在连续的隔水层。

2 滑坡稳定性数值模拟分析

通过野外现场调查，协比夏滑坡在天然状况下是稳定的。由于协比夏滑坡距拟建的格尼水电站坝址较近，它若发生较大范围的变形和失稳，滑坡将快速滑入江中，极有可能产生巨大的涌浪，并有可能导致格尼坝址的损坏或破坏，因此在了解其天然情况下稳定性基础上，有必要对其蓄水后的稳定性进行研究。本文采用FLAC3D，通过建立准三维模型，对滑坡进行数值模拟。

图2 协比夏滑坡平面示意注：1．杂谷脑组；2．剖面线；3．变形体边界；4．公路；5．回水线

图3 协比夏滑坡1－1剖面示意

FLAC3D是由美国Masca Consulting Group Inc．开发的三维显式有限差分法程序，通过物理网格和数学网格节点之间的相互映射，将物理模型的力学分析转换为数值分析。该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时，发生的破坏或塑性流动的三维力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形问题。

2．1 计算模型和参数的选取

计算模型范围顺河（z轴方向）长度15 m，垂直河谷方向长度645 m（x轴方向），模型的最大高度235 m（y轴方向），即海拔高度3 790 m。

该模型的坡体结构主要考虑滑坡的滑带、滑体。其中，滑体物质分成上下两部分，即蓄水位上下部分。

计算模型中，所有材料均按弹塑性材料考虑。所需体积模量（K）、剪切模量（G）系由弹性模量（E）和泊松比（ν）换算而来，粘聚力C、内摩擦角φ值由类比法和反算法得来（见表1）。

表1 滑体、滑带及滑床物理力学参数选取

计算模型共划分15 230单元，4 534节点，计算工况考虑天然状况下蓄水到3 455 m后的稳定性状况，即自重和静水压力。

2．2 计算结果分析

由系统不平衡力演化曲线可知：随着迭代的不断进行，系统的不平衡力逐渐降低，最终迭代3 691时步，系统达到一种平衡状态。因此，在正常情况下，蓄水至正常蓄水位（3 455 m）时，滑坡体的变形发展最终也会趋于稳定，并保持一种平衡状态。研究该滑坡的稳定性，从以下两方面入手，并考虑潜在的破坏形式。

（1）剪应变增量。在无勘探的情况下，可根据剪应变增量的大小来判断滑坡体的滑动面：剪应变增量较大（绝对值）的部位，则为其滑动面，变形破坏也多沿此处发生；剪应变增量较小或基本上没有发生变化的部位，一般不会有潜在滑动面的产生，因此，这些部位也不会发生较大的变形或破坏。

滑坡剪应变增量较大的部位集中在滑坡中后部（见图4），较大部分不足该滑带的35%，从图中可以得出前缘变形甚微，为锁固段，这部分相对滑带来说不占优势。

（2）滑坡体的位移。在天然情况下，该滑坡体是稳定的，因此，研究该滑坡体的稳定性，只考虑蓄水后的滑坡体变形情况，对天然情况下的位移进行了归零，即在此基础上研究蓄水后滑坡体的相对位移。

滑坡位移增量在总体服从由表面到深部递减，上部到下部递减。位移增量较大的部分主要分布在滑坡后缘，占整个滑体约30%，最大位移增量为50 cm（见图5），从图可知滑体中部也有变形，为20～40 cm。前缘变形甚微，为锁固段，且在整个滑体中不占优势。因此在蓄水后，该滑坡中后部变形强，虽然滑坡变形最终趋于稳定，但安全储备较小。