赋存环境对干海子滑坡体稳定性影响研究

殷秋雨，李仁江，冷先伦，方 波，4，付晓东

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 3.中国长江三峡集团有限公司 移民工作局，四川 成都 610000； 4.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

滑坡体的稳定性状态是其赋存环境下多种因素共同作用的表现，具有复杂性和综合性。库水位涨落[1]、暴雨[2]和地震[3]是诱发库岸滑坡的关键因素。干海子滑坡是溪洛渡水库近坝库段的重点滑坡，规模巨大。赋存环境作为诱发边坡失稳的关键因素,国内外学者开展了大量针对性的研究工作，如：TOHARI等[4]在模型槽内进行滑坡试验，得出了不同工况下边坡的破坏模式；CATANE等[5]自制了室内模型槽，研究了渗流诱发边坡破坏造成的含水率、土体位移变化规律；方景成等[6]对库水位变动速率与降雨强度进行了单因素与双因素联合作用下的敏感性分析；徐永强等[7]与徐翔[8]等利用有限元分析软件 GEOSTUDIO 对滑坡瞬态渗流场进行了数值模拟和边坡稳定性分析；邓琴等[9]利用FLAC3D软件分析边坡的剪应变发展规律，根据剪应变的集中带获取边坡的多个潜在滑面；JIA等[10]与BERILGEN[11]等，建立模型分析了边坡在水位涨落作用下的性能。然而，上述研究少有针对赋存环境结合不同周期的监测数据对实际工程进行稳定性研究。干海子滑坡体因其特殊的历史演化过程、赋存环境因素和工程重要性，研究其在库水调度过程中的稳定性是保障溪洛渡水电工程健康运营的关键。

本文针对溪洛渡水电站库区干海子滑坡体，在详细分析其地质条件的基础上，通过分析现场变形监测点的变形发展规律，初步判断滑坡的可能破坏形式，进而采用二维极限平衡分析方法[12]，开展滑坡体在建设期、蓄水期及运营期不同赋存环境条件下的稳定性分析。研究其在库水位涨落、暴雨及地震等条件下的稳定性和可能的破坏区域与形态，并结合现场变形监测结果评价干海子滑坡体的稳定性，揭示赋存环境对滑坡体稳定性的影响规律，为岸坡稳定性评价提供理论依据和方法支持。

1 赋存环境

1.1 区域降雨环境

干海子滑坡体所处的近坝库段地势高差悬殊，气候垂直变化显著，河谷干热，高山阴冷潮湿，属典型的亚热带气候区。该区平均值降雨量为586.3～851.2 mm，主要集中在4～10月，占全年的90.37%～96.55%；多年平均蒸发量2 139.0 mm，多年平均相对湿度67%，平均风速3.0 m/s。暴雨多集中在6～8月，根据永善县雨季开始、终止日期、保证率和部分地区月降雨量资料，该区域最大日降雨量可达100.0 mm(见图1)。

图1 永善县雨季开始、终止时间及保证率Fig.1 The start, end date and guarantee rate of the rainy season in Yongshan County

1.2 水库调度

水库调度由雨季、枯水季和发电共同来控制(见图2)。溪洛渡水电站水库发电年调度规则如下：

图2 溪洛渡水库水位变化时间过程曲线Fig.2 Water level-time course curve of Xiluodu reservoir

(1) 雨季来临前，为迎接强降雨，需降低水库水位留出库容。4月初至5月底水位下降，最低水位约为540 m。

(2) 根据防洪需求，在雨季末期到枯水季来临之前为水库水位持续平稳上升阶段，10月到年底，水库水位达到最高600 m。

(3) 当水库水位处于保证出力区时，电站按保证出力工作；若水库已蓄水至正常蓄水位600 m时，则按来水流量发电。

1.3 地震环境

根据国家地震局的国家地震烈度区划资料和水库地质资料，认为影响溪洛渡水电站坝区附近水库区稳定性的周边地震带主要是马边-盐津地震带。该地震带位于水库东侧，距干海子滑坡20～30 km，北起马边附近，经靛兰坝、玛瑙、璜琅、大关木杆河至吉利铺，分布在西北偏北方向，长约120 km，宽约20 km，与马边-盐津隐伏断裂带分布方向基本一致。滑坡区地震危险主要来自于该地震带的影响，地震基本烈度为Ⅷ度，地震峰值加速度0.15g。

2 工程概况

2.1 地质条件

干海子滑坡体位于金沙江右岸，距坝址14 km。滑坡体前缘堆积高程390 m，后缘高程700 m，钻孔揭示厚度为55.66～166.04 m，滑坡体积约4 700万m3，主滑方向N25°W。滑体上部主要由阳新灰岩碎块组成，局部架空；下部主要由志留系砂页岩碎块组成，结构密实。主滑面沿志留系地层下部页岩发育，剪出口高度为490 m，滑动面向下游倾斜3°～5°。滑带厚度为0.50～2.30 m，由志留系泥页岩岩屑和角砾夹泥组成，挤压紧密。干海子滑坡体属于滑坡堆积体，位于库岸的右侧，为堆积层顺基岩界面滑坡。区内基岩产状变化较大，总体上从上游往下游产状从N10°～40°E/SE∠10°～15°变为N40°～60°W/NE∠12°～18°。干海子滑坡体主滑剖面地质结构如图3所示。

2.2 滑带岩体力学参数

为了获得岸坡的基本物理力学性质参数，研究团队在干海子滑坡体开展了原位试验和室内试验[13]。干海子滑坡体滑带土的基本物理力学参数和强度参数分别列于表1和表2。

表1 滑坡体滑带土基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of landslide slip zone soil

表2 滑坡体滑带力学参数建议取值Tab.2 Suggested value for mechanical parameters of landslide slip zone

2.3 现场监测数据分析

为长期监测干海子滑坡体在水库运行过程中的变形过程，在滑坡体的前缘、主体和后缘布设了表观变形观测墩5个(TP1～TP5)，监测剖面大致垂直于岸坡(见图3)。变形测点方向及符号规定：表面变形成果采用金沙江坐标系，X方向为上下游方向，指向下游为“+”；Y方向为左右岸方向，指向左岸为“+”；H方向为竖直方向，下沉为“+”，反之为负。2013年5月6日取得了首期测值，截至2014年11月6日的特征值如表3所列，观测时长550 d。X方向(上下游)的最大累积位移变化量为513.60 mm(TP5测点)；Y方向(左右岸)的最大累积位移变化量为766.75 mm(TP5测点)；Z方向(竖直向)的最大累积位移变化量为613.50 mm(TP5测点)。3个分量变形程度为Y>Z>X。对X方向位移而言，均为正值，说明整体向下游方向变位；Y方向位移均为正值，说明坡体体向临江河谷方向变位；H方向变位为正值，表现为沉降。监测数据表明：位于滑坡体前缘“垮堵湾”附近测点(TP5)的累计位移值明显大于滑坡体主体部位测点(TP3、TP4)和后缘唐家湾座滑体上测点(TP1、TP2)的累计位移值，表明滑坡在前缘失稳的可能性较大。

表3 变形测点位移增量统计Tab.3 Displacement increment statistics results of deformation points

图3 干海子滑坡主滑断面剖面示意Fig.3 Geological generalization diagram of main sliding section of Ganhaizi landslide

3 滑坡稳定性分析

通过地质分析和模型概化建立了3个稳定性分析模型(见图4)，分别研究干海子滑坡体的整体、局部和前缘的稳定性，探讨赋存环境对滑坡体稳定性的影响。以DL/T5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》为依据，结合滑坡体的赋存环境特征，设置了持久、短暂、偶然3种工况。干海子滑坡体在水库调度周期内经历了建设期、蓄水期和运行期3个周期。建设期的持久工况取金沙江的天然水位，滑体水位取旱季水位，短暂工况的荷载增加强降雨；蓄水期的持久工况考虑了蓄水过程与蓄水速率的影响，短暂工况的荷载增加强降雨；运行期的持久工况为溪洛渡水库正常蓄水位与水库水位调节过程，短暂工况的荷载为快速泄水与强降雨，偶然工况取持久工况与地震的组合。依据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，采用二维极限平衡法(M-P法)，分析各周期和工况下干海子滑坡安全系数变化过程，进而研究赋存环境对滑坡稳定性的影响规律，分析时水库调度过程中水库水位变化速率为2 m/d，日降雨量取100 mm。

图4 干海子滑坡体剖面稳定性分析模型Fig.4 Section stability analysis model of Ganhaizi landslide

3.1 溪洛渡水电站建设期干海子滑坡体稳定性分析

溪洛渡水电站建设期干海子滑坡不同工况条件下的安全系数汇总列于表4。汇总结果表明：① 剖面在建设期持久工况下，整体滑动的安全系数为1.598，中部滑动的安全系数为1.689，前缘滑动的安全系数为1.037；在建设期短暂工况下，整体滑动的安全系数为1.573，中部滑动的安全系数为1.655，前缘滑动的安全系数为0.857；典型剖面在建设期偶然工况下，安全系数在0.833～1.221之间。② 强降雨条件下，滑坡安全系数均有不同程度的减小。③ 在地震影响下，滑坡安全系数显著降低，相较于自然状态下降0.2～0.4。

表4 建设期干海子滑坡体剖面不同工况安全系数Tab.4 Summary of safety factors of Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir construction period

3.2 溪洛渡水电站蓄水期干海子滑坡体稳定性分析

溪洛渡水电站蓄水期干海子滑坡体不同工况条件下的安全系数汇总列于表5。分析蓄水期不同赋存环境的影响结果可知：① 干海子滑坡体在蓄水期持久工况下，水位分别为540，560，600 m时，整体滑动的安全系数分别为1.537，1.514，1.464，中部滑动的安全系数分别为1.595，1.579，1.503，前缘滑动的安全系数分别为0.948，0.937，0.949；在短暂工况下，(降雨条件)，水位分别为540，560，600 m时，整体滑动的安全系数分别为1.533，1.513，1.463，中部滑动的安全系数分别为1.582，1.574，1.500，前缘滑动的安全系数分别为0.934，0.929，0.937。② 干海子滑坡体蓄水期内随着水位的升高，稳定性系数逐渐降低。持久工况下，540 m水位时安全系数为1.595，560 m水位时安全系数为1.579，600 m水位时安全系数为1.503。可以看出：当水位由540 m上升至560，600 m 时，每上升20 m，安全系数依次降低约0.02。③ 短暂工况下，受暴雨的影响，滑坡安全系数有着不同程度的减小。

表5 干海子滑坡体蓄水期不同工况安全系数Tab.5 Summary of safety factors for Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir impoundment period

3.3 溪洛渡水电站运行期干海子滑坡体稳定性分析

溪洛渡水电站运行期干海子滑坡不同工况条件下的安全系数汇总如图5～9所示。比较整体滑动、中部滑动和前沿滑动在不同工况的计算结果可知：① 在运行期持久工况下，水位条件分别从540 m上升至560 m，从560 m上升至600 m和从600 m下降至560 m时，整体滑动的安全系数分别为1.543，1.527，1.465；中部滑动的安全系数分别为1.593，1.592，1.511；前缘滑动的安全系数分别为0.964，1.00，0.903。② 剖面在运行期短暂工况下(降雨条件)，水位条件从600 m下降至560 m时，整体滑动的安全系数为1.455，中部滑动的安全系数为1.501，前缘滑动的安全系数为0.893。③ 在一个运行周期内，滑坡体的最不稳定时间出现在库水位下降时，安全系数迅速降低，滑坡体前缘有塌岸的可能。④ 滑坡体运营期内，遭遇暴雨的影响，安全系数将进一步减小，原因是降雨带来滑坡含水率升高使土体重度增加，导致其下滑力增加以及土的抗剪强度和阻滑力降低。⑤ 主滑剖面整体滑动和中部滑动的稳定性较好，前缘滑动的稳定性较差，有前缘塌岸的可能。

图5 一个调度周期短暂工况滑坡体安全系数变化Fig.5 Landslide safety factor variation of a short-term working condition in a scheduling cycle

图6 运行期540 m→560 m短暂工况滑坡体安全系数变化Fig.6 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period(540 m→560 m)

图7 运行期560 m→600 m短暂工况整体滑坡体安全系数变化Fig.7 Landslide safety factor variation of transient working condition in reservoir operation period(560 m→600 m)

图8 运行期(600 m→560 m)短暂工况滑坡体安全系数变化Fig.8 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m)

图9 运行期(600 m→560 m+降雨)偶然工况滑坡体安全系数变化Fig.9 Landslide safety factor variation of accidental working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m+rainfall)

4 结 论

针对干海子滑坡体在溪洛渡水电站水库调度周期内的稳定性问题，在分析现场变形监测的基础上，采用极限平衡方法，开展了滑坡体在水电站建设期、蓄水期及运营期的稳定性分析，研究了赋存环境对干海子滑坡稳定性的影响规律，研究结果表明：

(1) 干海子滑坡体现场监测变形显示滑坡体前缘变形明显大于滑坡体主体和后缘，滑坡体前缘测点受水位影响较明显，变形量值较大，坡体中后部监测点的变形趋于稳定。二维极限平衡法分析得到的滑坡体整体、中部及前缘的安全系数显示：前缘滑坡体安全系数明显小于整体滑坡和中部滑坡的安全系数，该滑坡体在蓄水过程中前缘稳定性较差，分析结果与现场监测结果基本吻合。

(2) 在水库调度周期内，滑坡体最不稳定条件为库水位下降且遇到暴雨时。在降雨，特别是暴雨期间，应该严格控制库水位调度速率，确保滑坡体的稳定。

(3) 库水位涨落、暴雨及地震作用是影响干海子滑坡体稳定性的重要因素，赋存环境直接决定了其稳定性。蓄水期库水位上升，滑坡体稳定安全系数减小，导致前缘塌岸发生的可能性增大；强降雨渗透使得滑坡体含水率升高，导致其下滑力增加以及土抗剪强度和阻滑力降低；当有地震作用时，前缘的稳定性进一步下降。