长期库水作用下星光三组倾倒变形体稳定性研究

顿佳伟，冯文凯，吴卓林，易小宇，杨东升，周永健

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 四川 成都 610059；2.中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731)

倾倒变形是边坡岩体向临空面倾覆的一种失稳模式，早期普遍认为倾倒破坏通常发生在坡体的浅部，变形深度最大也就在数十米的深度范围内，一般发生大规模滑坡的可能性较小[1-2]。但是，近20年来，西南、西北等高山峡谷地区不断揭露出弯曲倾倒变形深度高达上百米的边坡，如龙滩水电站左岸边坡[3]、澜沧江黄登水电站右岸边坡[4]、锦屏一级水电站左岸边坡[5]、黄河拉西瓦近坝高边坡[6]、狮子坪水电站库区二古溪边坡[7]等，这些深度达到数百米的大规模岩体倾倒变形体，已经成为制约大型工程建设的重大工程地质问题。

对于倾倒变形体的稳定性分析可分为定性分析和定量分析，定性分析主要是通过深入了解地质环境的基础上，综合考虑各种因素的影响，对斜坡的稳定性及演化趋势进行分析，主要是采用工程类比法和历史分析法。定量分析则主要是通过数学计算、物理模拟、数值模拟等手段对斜坡稳定性进行分析，但由于地质结构和倾倒过程的复杂性，计算或者模拟出来的结果往往较难与原型保持一致；因此，目前的稳定性评价还是主要停留在半量化分析阶段。张丙印等[8]利用离散元分析方法对昌马水库右岸排沙泄洪洞的塌方分析，并对其稳定性影响进行了研究；赵志祥等[9]在对西藏某水电站近坝左岸发育倾倒变形体详细调查的基础上，采用工程地质综合分析法,对倾倒变形岩体进行了分类,分析了倾倒变形体形成机制与演化过程；张国新等[10]基于非连续介质力学的DDA，采用经典的Goodman倾倒模型，考虑水的浮托力和渗透力的作用,模拟了水对岩质边坡倾倒变形的触发作用以及水位变动对变形的影响,分析了水对岩质边坡安全系数的影响；陈祖煜等[11]为确认改进的边坡倾倒稳定分析Goodman-Bray法的正确性和实用性,对改进的边坡倾倒稳定分析Goodman-Bray法进行了深层次的分析、测试及试设计；曾荣福等[12]采用极限平衡法及有限元强度折减法对西藏某水电站近坝库岸滑坡堆积体进行稳定性分析，查明了其边界条件和验证了其变形破坏模式；许倩等[13]利用GeoStudio软件，模拟地下水渗流消散及浸润线滞后库水位随不同速度库水消落的时间效应，研究库水降速下对三峡白家包滑坡稳定性影响。

目前，对于倾倒变形体在库水作用下稳定性研究相对较少，且自库区蓄水以来，星光三组变形体变形范围持续扩大，地表裂缝数量显著增加，从2014年6月实施专业监测以来，变形体一直处于持续变形阶段，变形体区内居住村民80户256人，房屋80栋，变形体一旦失稳，会对影响区内的人民生命财产造成威胁。为此，本文基于现场调查，结合岩土体干湿循环试验获取相关物理力学参数，并采用FLAC3D数值模拟软件对该滑坡在长期库水作用下稳定性进行了研究分析。

1 星光三组倾倒变形体概况

1.1 变形体地貌及边界特征

星光三组变形体位于金沙江右岸，云南省永善县务基镇星光村三组，距离溪洛渡水电站坝址约25 km，变形体所在的岸坡向金沙江凸出，整体呈现出三面临空的状态，前缘高程为420 m，后缘高程为1 400 m，相对高差达980 m，岸坡高程1 360 m以上为缓坡平台，坡度约为5°，平台上第四系堆积物较厚，约30 m～100 m，高程1 000 m～1 360 m间坡度为25°～30°，1 000 m以下至江边坡度为40°～45°，岸坡整体上呈直线型，中前部陡，后部缓，平面上呈“撮箕状”，沿北东—南西向展布、东西向变形，坡脚为溪洛渡水库库区，变形体左侧以桃耳坡沟为界、右侧以红岩沟为界，两侧沟谷深切，排水通畅，变形体后缘以双沟同源处为界，变形体纵向长1 600 m，横宽约980 m，面积约150×104m2，滑坡全貌见图1，变形体工程地质平面图见图2。

图1 星光三组变形体全貌

图2 工程地质平面图

1.2 变形体结构特征

星光三组变形体主要发育于志留系(S)，奥陶系中-下统巧家组(O1-2q)，奥陶系下统红石崖组(O1h)，寒武系上统二道水组(∈3e)，寒武系中统西王庙(∈2x)，寒武系下统龙王庙组、大槽河组(∈11+d)，震旦系上统灯影组(Zbd3)等地层中，变形体岩层走向及倾向较稳定，倾角变化较大下游红岩沟沟底产状为N5°～20°W/NE∠60°～70°，红岩沟至岸坡山体中部产状为N0°～30°W/NE∠50°～60°，到岸坡山脊胡家寨堡处地层产状渐变为N10°～25°W/NE∠35°～45°，在上游桃耳坡沟沟口耳子山侧地层产状为N10°～20°W/NE∠25°～35°，与正常岩层产状(N5°～20°W/SW∠65°～85°)相比，边坡发生了明显的倾倒变形(见图2)。

1.3 变形体变形特征

1.3.1 岸坡地表变形特征

星光三组变形体变形破坏主要分为蓄水前、蓄水后2个不同的阶段，不同阶段的变形破坏特征如下：

库区未蓄水前，边坡主要发育有5条(LF1—LF5)较大规模裂缝(见表1)，这些裂缝分布高程在1 085 m～1 255 m之间，裂缝走向在N15°～30°E之间，与地层走向基本一致，表明地表变形主要来自于坡体内部基岩。

库区蓄水后，通过现场调查统计，从2014年—2019年，较大规模裂缝由5条增加至13条，且未蓄水前的5条裂缝形变量显著增大，这说明水库蓄水从一定程度上加剧了边坡的倾倒变形。蓄水后裂缝分布见图3，蓄水后裂缝统计见表1。

表1 裂缝统计表

1.3.2 岸坡深部变形特征

根据对平硐内部岩体变形特征的调查统计，且考虑岩体本身物理力学性质的差异性，将内部岩体变形分为倾倒弯曲、倾倒折断、倾倒剪滑三种类型，分别发育于岸坡前缘及中部、岸坡中前部及岸坡中后部、岸坡前缘桃耳坡沟处等地层中。

图3 典型裂缝变形特征

结合现场岸坡变形破坏特征、岩体结构和破劈理发育程度、倾角变化等，将星光三组岸坡倾倒变形划分为极强倾倒区、强倾倒区上段、强倾倒区下段、弱倾倒区、正常基岩，如图4剖面图中所示。

2 岩土体物理力学性质

2.1 干湿循环作用下岩体力学性质

为了研究干湿循环区间间隔逐渐增大对原岩的渐进性影响，模拟干湿循环交替变化的环境条件，将现场取得的变形体消落带区域砂岩岩石样本按规范制样，分别进行0次、5次、10次、15次、20次、25次、30次“吸水-干燥”循环作用，试验结果如图5、图6所示。对砂岩抗剪强度指标与干湿循环次数n的变化进行线性拟合，拟合结果如表2所示。

表2 岩体强度与干湿循环拟合方程

试验结果表明，砂岩抗剪强度指标随着干湿循环次数n的增加而降低；当n>25次后，其抗剪强度逐渐趋于稳定。在循环次数n从0～30的过程中，其黏聚力总共下降了29.77%，内摩擦角总共下降了20.31%。

图4 1-1’工程地质剖面图

图5 黏聚力与干湿循环次数折线图

图6 内摩擦角与干湿循环次数折线图

2.2 长期饱水条件下岩石力学性质

为了研究长期饱水对原岩的渐进性影响，实验设计将试件分成10组，1-10组分别进行0 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d饱水试验，试验结果如图7、图8所示。对砂岩抗剪强度指标与泡水时间的变化进行线性拟合，拟合结果如表3所示。

图7 黏聚力与饱水时间折线图

图8 内摩擦角与饱水时间折线图

表3 岩体强度与泡水时间拟合方程

从图中可知，砂岩抗剪强度指标随着泡水时间的增加而降低；当时间大于40 d后，其抗剪强度逐渐趋于稳定。在泡水时间n从0～60 d的过程中，其黏聚力总共下降了13.53%，内摩擦角总共下降了9.79%。

3 长期蓄水作用下变形体稳定性分析

3.1 模拟方案

溪洛渡库区库水位基本在540 m～600 m高程范围内波动，为分析蓄水对岸坡的影响，本次模拟主要针对星光三组变形体进行如下2个方面的模拟：

(1) 对星光三组岸坡在库水位为540 m、600 m条件下坡体的孔隙水压力分布、位移场、初始剪应变增量进行分析，对比坡体在540 m库水位与600 m库水位时斜坡体的变形区及位移的大小，对斜坡稳定性进行分析。

(2) 结合室内干湿循环强度实验获得的黏聚力c与内摩擦角φ随干湿循环次数n的关系和室内饱水实验获得的黏聚力c与内摩擦角φ随泡水时间d的关系，将这两个关系曲线引入模拟计算中，得到岸坡的变形位移及稳定性变化情况。

在进行力学边界条件设置时，岸坡模型四周采用法向约束，底部采用固定铰支座；在进行渗流边界条件设置时，岸坡模型四周和底部采用不透水边界，坡面为透水边界。

模拟库区水位上升和下降，在模型表面施加水头边界，模型表面建立Interface单元，利用FISH语言对Interface单元中水位升降区域进行锁定，提取Interface单元中这部分区域的节点信息，通过Interface的节点信息进一步锁定复杂三维模型中节点信息，最终对这些节点使用apply pp命令进行水头边界的施加；还需考虑边坡库区水位升降区域表面的静水压力，孔隙水压力储存在节点中，而应力等是储存于单元中，采用上述同样的方法，在锁定三维模型中节点信息后，通过节点信息进一步锁定模型的单元信息，最终对这些单元使用apply nstress命令进行力学边界的施加。

3.2 计算模型及参数赋值

选用犀牛软件对星光三组岸坡复杂模型进行建立，根据岸坡空间结构模式对地形模型进行分组，将岸坡模型分为极强倾倒区、强倾倒区上下段、弱倾倒区及正常岩带区，最终得到星光三组岸坡的实体模型(见图9)，星光三组岸坡模型共含有节点61 104个，单元99 017个。星光三组岸坡计算模型中应变分析采用摩尔-库仑准则，岸坡稳定性计算采用强度折减法，根据边坡岩体变形程度，计算模型岩土体力学参数结合室内岩土体试验及相关工程经验类比进行综合取值，具体参数取值见表4。考虑库水对坡体的反复升降作用，岩体抗剪强度不断降低，采用基于模拟技术的强度折减法进行计算分析。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 稳定蓄水位下岸坡稳定性分析

从孔隙水压力分布图可以看出(见图10、图11)，孔隙水压力从上往下逐渐增大，上淹部分即为消落带区域，黑色部分为未淹没区域。

图9 岸坡计算模型图

表4 岸坡岩体计算参数

图10 540 m水位孔隙水压力分布图(单位：Pa)

图11 600 m水位孔隙水压力分布图(单位：Pa)

从位移可以看出(见图12、图13)，库水位为540 m时，位移主要分布于边坡极强倾倒区，最大位移约为34.2 cm。库水位为600 m时边坡位移范围增大，从极强倾倒区向后发展，且最大位移量由34.2 cm增加至76.7 cm。

从剪应变可以看出(见图14、图15)，库水位为540 m时，未见剪应力增量集中，此时岸坡稳定性系数为1.87，整体稳定性较好；库水位为600 m时，岸坡水位以下岩体出现较为明显的剪应力增量集中带，剪应力增量集中带未连续贯通，岸坡稳定性系数为1.76，岸坡仍处于稳定状态。

图12 540 m水位时位移云图(单位：m)

图13 600 m水位时位移云图(单位：m)

图14 540 m水位时剪应力增量

图15 600 m水位时剪应力增量

总体而言，库区水位在540 m时，边坡整体处于稳定的状态；库水位在600 m时，虽然岸坡稳定性呈现出下降趋势，但整体仍处于稳定状态。

3.3.2 库水长期作用下岸坡稳定性分析

库区水位一年升降一次，为分析库水长期作用下岸坡的稳定性，分别取时间为5 a、10 a、15 a、20 a、25 a、30 a进行计算，对应消落带区域岩体干湿循环次数分别为5次、10次、15次、20次、25次、30次，基于强度折减法原理，计算岸坡稳定性系数分别为1.66、1.56、1.43、1.35、1.23、1.15，岩体对应内摩擦角弱化系数为0.75、0.73、0.71、0.70、0.70、0.70，黏聚力弱化系数分别为0.95、0.90、0.86、0.83、0.81、0.80。

当干湿循环次数n=5、n=10、n=15、n=20、n=25、n=30时，岸坡最大位移分别为81.8 cm、100 cm、138 cm、169 cm、1 691 cm、2 551 cm(论文篇幅有限，具体给出n=5、25、30相关模拟结果，见图16—图21)。岸坡剪应变增量主要集中在极强倾倒区，剪应变增量随着干湿循环次数增加不断向后扩展。

图16 干湿循环次数n=5时位移图(单位：m)

图17 干湿循环次数n=5时剪应变增量

图18 干湿循环次数n=25时位移图(单位：m)

图19 干湿循环次数n=25时剪应变增量

模拟结果表明，随着干湿循环次数的增加，黏聚力及内摩擦角软化系数不断降低，岸坡最大位移量逐渐增加，位移逐渐向极强倾倒区收敛，剪应变增量不断向后扩展，稳定性不断降低。当n=25时，岸坡位移出现突变，突变集中于极强倾倒区，最大位移由169 cm突增至1 691 cm，n=30时，剪应变增量带在极强倾倒区已经完全贯通，通常FLAC中位移的突变性和剪应变增量的贯通性可作为失稳判据[14-15]，因此初步判断当干湿循环次数在25～30次间，岸坡极强倾倒区存在失稳破坏的可能。

图20 干湿循环次数n=30时位移图(单位：m)

图21 干湿循环次数n=30时剪应变增量

4 结 论

基于室内岩土体试验，结合FLAC3D数值模拟分析，对星光三组变形体稳定性演化趋势进行分析，得出以下结论：

(1) 库区蓄水后，坡体表面较大规模裂缝由5条增加至13条，且未蓄水前的5条裂缝形变量显著增大。结合现场岸坡变形破坏特征、岩体结构和破劈理发育程度、倾角变化等，将星光三组岸坡倾倒变形划分为极强倾倒区、强倾倒区上段、强倾倒区下段、弱倾倒区、正常基岩。

(2) 室内外试验显示：消落带区域砂岩黏聚力c与干湿循环次数n间具有c=14.41-Aln(n+1)的关系，内摩擦角φ与干湿循环次数n间具有φ=47.62[Aexp(-Bx)+C]的关系(A、B、C取值见表3所示)。消落带区域砂岩与泡水时间存在如下关系：黏聚力c与泡水时间d具有c=14.41-Aln(d+1)的关系，内摩擦角φ与泡水时间具有φ=Aexp(-d/t1)+y0的关系(A、t1、y0取值见表5所示)。

(3) 库水位稳定在540 m和600 m水位时，岸坡整体处于稳定状态，随着干湿循环次数的增加，岸坡最大位移量逐渐增加，剪应变增量不断向后扩展，位移逐渐向极强倾倒区收敛。