乌弄龙水电站库区拉金神谷坡体变形成因机制分析

2020-03-12王林维李树武李少平

水力发电 2020年12期

刘昌，王林维，李树武，胡华，李少平

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)

0 引言

反倾向层状结构岩质斜坡是常见的斜坡结构类型[1-2]。随着我国大量水电工程的建设，这类坡体发生变形破坏的规模大(如锦屏二级水电站左岸的深部拉裂缝、龙滩水电站左岸的倾倒蠕变体等)，且变形成因机制复杂，演变过程隐蔽，坡体一旦失稳，常具有突发性[3]。因此，有必要进行该类斜坡变形成因机制以及稳定性评价预测的研究。为此，本文以澜沧江乌弄龙水电站库区拉金神谷坡体变形破坏为例，对这类斜坡的变形成因机制进行研究，并进行稳定性评价和预测。

拉金神谷坡体位于乌弄龙水电站水库区右岸，距乌弄龙水电站大坝约24 km，水库正常蓄水位1 906.00 m，水库蓄水后坡体前缘水位上升约30 m。2018年11月7日电站开始下闸蓄水，2019年5月30日之后水库水位经过3次抬升至1 904.9 m高程，于2019年6月7日拉金神谷村居民所在坡体上部约2 312 m高程发现环状裂缝，坡体开始变形，随后在坡体近冲沟侧出现纵向裂缝，中部出现横向裂缝。目前，顶部裂缝最大宽度约2.9 m，下错高度最大约3.4 m，前缘的跨江索桥左岸桥墩已整体向左岸位移2.2 m。坡体一旦失稳下滑，其产生的涌浪或水位壅高将对左岸二级公路及上下游居民安全产生较大影响。

1 坡体基本特征

坡体地貌形态总体呈扇形，顶部高程约2 800 m，前缘位于库水位以下；2 500 m高程左右地形平缓，下部发育1条冲沟，变形区域位于2 312 m高程以下，被冲沟切割划分为A、B两个大区，上游为A区，下游为B区，根据地形地貌特征，将A区进一步分为A1和A2两个亚区。通过勘探、平剖面计算，坡体总体积约1 400万m3坡体地形地貌见图1。

图1 坡体地形地貌

坡体表部覆盖层发育，以块碎石土为主，下伏基岩在坡体上部以侏罗系页岩、粉砂岩、泥岩为主，中下部以二叠系砂岩、泥质板岩为主，岩层软硬相间，陡倾坡内，正常岩层产状N10°～20°E，NW∠70°～80°，江水流向S12°E，岸坡走向S8°E，为纵向谷、反向坡。坡体范围内有近EW向的石底断裂、NNW向的茨姑断裂和燕门-南路卡断裂等3条区域断裂通过。经调查统计，共发育5组结构面。结构面分组见表1。

表1 结构面分组

电站蓄水至正常蓄水位后，坡体区江水位由1 876 m 高程抬升至1 906 m高程，水位抬升了30 m，地下水位也相应升高。根据勘探，抬升后的地下水位在坡体水平深度约300 m处与原始地下水位相接。

2 坡体变形特征

2.1 历史变形

坡体地形地貌特征、勘探揭露情况均表明，该坡体历史上发生过多期次滑移变形。坡体后缘自2 460～2 312 m高程边坡较陡且地形整齐，坡度约45°左右，上游侧突出山梁之下坡面整齐，呈圈椅状地形。B区后缘有明显的陡坡地形，上述特征明显符合坡体下滑后形成的破裂壁。此外，在A区后缘附近地面分布有多级台坎，表明坡体在历史上曾发生过多期滑移变形。因此，从地形地貌上看，坡体符合滑坡的特征。

根据前缘钻孔揭露，在碎石土和块碎石层之下分布有粗砂夹卵砾石层，卵石的母岩岩性不一，低于蓄水前江面约3 m。结合现场地形特征，卵石来源可排除古河床成因。此外，坡体区也无溶蚀现象，也排除了溶洞内填充砂、卵石的可能。深部被约40 m碎石土、块碎石覆盖的砂卵石为滑坡滑动过程中滑体物质冲覆于澜沧江河流堆积物之上形成，上部碎石土与砂卵砾石的接触面即为坡体的历史底滑面(带)。钻孔深部揭露的澜沧江冲积砂卵砾石层是上覆土体历史上发生过滑动破坏的最直接、最有力的证据。

勘察阶段在坡体中后部及前缘进行了2个平硐勘探， A区中后部底滑面(带)以浅黄色泥质为主，前缘则以灰黑色泥质为主，粘粒含量较高，挤压密实；B区前缘底滑面(带)以青灰色碎块石为主，泥质含量相对较少，粘粒含量较低，结构松散。上述特征均表明坡体在历史时期已曾产生过滑移变形。

2.2 蓄水后变形

乌弄龙水电站下闸蓄水后，于2019年6月7日开始在坡体上部约2 312 m高程产生环状裂缝，上、下游两侧一定范围也产生了不连续的侧向裂缝，随着坡体持续变形，周边拉裂缝进一步延伸、贯通。目前，后缘裂缝最大宽度约2.9 m，下错高度最大约3.4 m，坡体范围内出现大量的纵向裂缝，中部出现2条延伸长120～150 m、宽15～20 cm的横向拉裂缝，部分房屋开裂，跨江索桥右岸桥墩向左岸移动约2 m，导致桥面向上隆起。

根据观测资料分析，坡体各部位变形总体向临空方向，即N85°E～S70°E，其中A1区总体变形方向为垂直河流方向，A2区总体变形方向为垂直河流略偏下游方向，B区变形方向偏向上游冲沟临空方向。

3 坡体成因机制分析

坡体区河谷演化过程整体上经历了宽谷期和峡谷期2个阶段。在宽谷期，澜沧江持续下切，且不断向右岸侵蚀，因此在右岸形成了2 450 m高程以上的宽阔地形。进入峡谷期后，地壳抬升及河流快速下切，形成的坡体地形较陡。上述河谷的演化形成了现在右岸坡体上缓下陡的地形特征。

经详细勘察，拉金神谷坡体演变主要经历了初始完整坡体→初期倾倒变形→变形持续发展→多次变形调整最终滑移4个阶段。

3.1 历史滑移

引起坡体滑移变形的因素很多，主要为地形地貌、地质构造、岩层倾倒折断等。

(1)地形地貌条件。坡体上游为一突出山梁，下游受冲沟切割影响，形成三面临空的地形，为早期岸坡岩体的倾倒变形提供了空间条件。地质历史时期，随着地壳的抬升和澜沧江河谷的下切，由于坡体位于易受冲蚀的凹岸，长期受江水淘刷，逐渐形成高陡的地形，使岩体临空，原有的应力平衡被破坏。坡体在自重应力、构造应力、地震力等多种应力的综合作用下，向临空方向产生变形调整。

(2)地质构造。根据区域地质资料，拉金神谷坡体范围内发育3条规模较大的区域断裂，这3条断裂相互切割、错断。下伏基岩岩性复杂，断层、裂隙发育，岩体极为破碎，为坡体滑动变形提供了物质条件。

(3)岩层倾倒。岸坡出露的岩性有侏罗系花开左组紫红色砂岩、板岩、页岩、泥岩等；二叠系灰、深灰色砂岩、板岩、侵入岩等。岩层产状为N10°～20°E，NW∠70°～80°，陡倾岸内，走向与岸坡夹角较小(18°～28°)，为逆向坡，软硬相间的层状岩体受层面或其他结构面切割，以“板梁”的形式赋存于坡体之中，在坡体表部最大主应力作用下，向河谷方向发生弯曲倾倒，持续变形折断。

(4)坡体中后缘顺坡向断层为岩层倾倒提供了分离面。在A区2 098 m高程的平硐主洞242～245 m段及支洞35～36 m段揭露的断层F1，产状N22°～25°W，NE∠50°～64°，走向与坡向近平行，倾岸外，断层带宽约1～3 m，带内充填灰白色泥质及糜棱岩，两侧影响带宽约3～5 m，岩体破碎，岩层有明显揉皱现象。该断层发育于坡体后部，中陡倾坡外，规模较大，断层的作用导致了坡体中后部岩体完整性变差，降低了岩体的力学性质，使该部位的岩体成为倾倒或滑移破坏的薄弱部位，为坡体下伏岩体产生倾倒变形提供了分离面。坡体折断面(带)贯通—滑移示意见图2。

图2 坡体折断面(带)贯通—滑移示意

(5)折断面(带)贯通并产生滑移破坏。众多岩质边坡中，由于原生地质成因或后期内外动力地质改造作用，常常于坡体内形成走向平行于坡面的陡、缓2组断续结构面，这2组结构面的存在对反倾岸坡倾倒变形具有极大的影响[4]。边坡在倾倒的同时，伴随有坡体沿坡内顺倾结构面的滑移变形，当倾倒达到一定程度时，坡体将最终沿结构面产生滑移破坏[5]。从勘探揭露情况看，钻孔及平硐中同时揭露了滑动带和岩体的折断带，表明坡体在倾倒变形持续发展的过程中，形成了多期(次)的折断带，当坡体变形发展至一定程度，岩体沿上部的强倾倒折断带贯通后产生滑移破坏并形成目前的底滑面(带)，而底滑面(带)下部仍残留有倾倒的岩体和折断带。对坡体主要发育的结构面进行组合分析认为，①、②组与边坡整体走向近平行且倾坡内，不能直接构成边坡的潜在滑移面；③、④组结构面走向与边坡大角度相交，且分别分布于坡体两侧，可能形成坡体的侧裂面；⑤组为中～缓倾结构面，走向与边坡近平行倾坡外，延伸较短，可追踪折断面(带)并形成贯通性滑移面产生滑移破坏。

3.2 变形成因机制

拉金神谷坡体自2019年6月坡体出现变形开始，至2019年8月底逐渐趋于收敛。其变形过程基本上划分为启动、加速滑移、减速并趋于收敛3个阶段。

第1阶段。滑坡体受到内、外部因素的强烈影响，坡体后缘产生拉张裂缝，同时由于剪切变形加剧以及良好的临空条件，坡脚出现局部变形。坡体变形的第1阶段见图3。

图3 坡体变形的第1阶段

第2阶段。滑体在启动加速度作用下获得初始滑速，滑体后缘变形速度持续增加，前缘堆积体不断受到后缘物质挤压和推动，后缘环形拉裂缝形成，坡体有产生裂缝的趋势。坡体变形的第2阶段见图4。

图4 坡体变形的第2阶段

第3阶段。受地形条件限制，滑坡体从后缘启动，变形逐渐发展至地形略缓的中部，坡体产生纵、横拉裂缝，并不断克服土体的抗剪强度，产生明显裂缝，运动速率有所降低，进入减速阶段并逐渐趋于收敛。坡体变形的第3阶段见图5。

图5 坡体变形的第3阶段

水库蓄水后，库水位由1 876 m高程蓄水至1 906 m高程，水位上升了30 m。受地下水位抬升影响，坡体前缘水下部分产生悬浮减重效应，阻滑段滑体的有效重度减小；前缘部分底滑面(带)、碎石土软化，抗剪强度参数大大下降，滑面上的有效应力减少或抗滑阻力减少[6]，坡体在重力作用下产生沿既有的滑移面产生整体变形调整，造成坡体后缘、侧缘拉裂，坡面形成多条张拉裂缝和剪切缝。因此，水库蓄水是本次坡体再次产生调整变形的主因。

4 稳定性评价

对滑坡体稳定性采用极限平衡法进行计算分析[7]，分别沿底滑面(带)与倾倒折断面(带)进行稳定性计算。岩土体物理力学参数综合取值见表2。

表2 岩土体物理力学参数综合取值

经计算，坡体在蓄水后沿底滑面(带)在正常工况下整体安全系数为1.036～1.101，下游突出山梁A2区及B区安全系数较高，暴雨工况下安全系数为1.03～1.09，地震工况下安全系数为0.99～1.04，基本上处于极限平衡状态。沿下部倾倒折断面(带)正常工况下整体安全系数为1.189～1.483，暴雨工况下安全系数为1.18～1.39，地震工况下安全系数1.13～1.34，表明坡体沿下部倾倒折断面(带)整体是稳定的。从计算结果分析，滑坡整体失稳下滑的可能性不大，但滑坡前缘临水局部岸坡仍存在调整变形，破坏形式以局部解体坍塌为主。

5 变形趋势分析

从监测成果分析，坡体变形总体上经历了加速变形→平稳变形→减速变形→趋于收敛4个阶段。自2019年6月22日监测以来至2019年7月6日坡体处于加速变形状态，Vmax=2.92 mm/h，日变形量最大为70 mm；2019年7月6日～2019年8月5日处于平稳变形状态，Vmax=2 mm/h，日变形量最大为48 mm；2019年8月5日～27日处于减速变形状态，V=1～0.5 mm/d； 2019年8月27日以后逐渐趋于收敛状态，V=0.1～0.2 mm/d。2020年以来各GNSS监测点平均变形速率已降为0.08 mm/d。坡体变形速率变化过程见图6。总体上看，坡体蠕滑变形速率已小于0.2 mm/d，持续时间已近12个月，可判定其整体变形趋于收敛。