大型深厚缓坡细粒土堆积体水库坍岸机理研究

2021-09-15方力，胡卸文

四川水力发电 2021年4期

方力，胡卸文

(西南交通大学，四川成都 611756)

1 概述

自意大利瓦依昂滑坡[1]、中国千将坪滑坡[2]等大型水库滑坡发生后，库区岸坡稳定性问题得到越来越多的关注[3]。严福章等[4]研究发现引发库区滑坡的重要因素是库水位升降导致滑带土抗剪强度发生变化。王士天等[5]发现库水位快速涨落最易引起滑坡发生。

从已有研究成果发现，库区坍岸普遍集中发生于土质边坡，且一般土体颗粒较粗、坡体较陡的岸坡。而对于深厚缓坡细粒土堆积体由于其地形坡度缓，一般小于10°，通常认为不会发生大型坍岸变形。因此，对此类大型堆积体水库坍岸机理较少涉及[6-7]。宝兴河硗碛水电站于2016年建成并组网发电，其库水位每年在2 060～2 140 m之间涨落变化。高达80 m的库水位变化必然影响库区两岸边坡坡体内地下水运行环境，并形成硗碛库区特殊的复合水环境动力效应，极大地影响和控制库区水库坍岸发生频率与规模，其中以蚂堆5号堆积体坍岸最为特殊。该堆积体覆盖层深厚，颗粒较细，整体地形坡度缓。根据以往认知，基本不具备发生大型坍岸条件，但却在水库蓄水后十多年间一直处于蠕滑变形状态，而且有愈演愈烈趋势。因此，以蚂堆5号堆积体为例，探讨大型深厚缓坡细粒土堆积体水库坍岸机理，对该库区以及类似水动力条件库区坍岸预测和防治具有重要的理论意义与应用价值。

2 蚂堆5号堆积体空间分布及坍岸变形特征

2.1 堆积体基本特征

蚂堆5号堆积体位于蚂蝗沟右岸，距坝址3.36 km，地貌上为缓坡形态，堆积体顺坡长约690 m，沿河宽约830 m，后缘分布高程2 244 m，前缘分布高程2 075 m，蚂堆5号堆积体全景见图1。堆积体主要由早期冰缘冻融堆积粉土质砾组成，结构较松散，堆积体厚度20～70 m，估算规模约511万m3。

图1 蚂堆5号堆积体全景

根据钻孔揭露，堆积体下伏地层为泥盆纪千枚岩夹少量灰岩，埋深20～70 m，其表层冰缘冻融堆积碎石土(Q4Prgl)，天然密度20.2～22.2 kN/cm3， >200 mm大块石少见，而<0.005 mm的黏粒则普遍在12%～33%之间，细颗粒成分(<0.075 mm)占22%～59%，按土工规范上可定名为 “砾质黏土”。

2.2 堆积体坍岸变形破坏特点

2006年首次蓄水以来，该堆积体前缘就一直存在缓慢蠕滑变形， 2008年5·12地震时，坍滑后缘边界已经到达环湖公路部位，出现路基下沉，而且使建造在坡上、坡脚的居民建筑严重受损，最后无法居住。在随后的15 a中，坍岸一直在持续发展，后缘边界已经到达2 200 m。具体表现为滑体后缘拉张裂缝，中部多级错台及两侧由错动造成的剪切裂缝。目前各级裂缝性状不稳定，呈继续发展扩大趋势，蚂堆5号堆积体坍岸滑坡工程地质平面图和蚂堆5号堆积体坍岸滑坡A-A′工程地质剖面图见图2、3。

图2 蚂堆5号堆积体坍岸滑坡工程地质平面图

3 深厚缓坡细粒土堆积体坍岸机理

3.1 数值模拟

根据蚂堆5号堆积体地质结构，运用Geo-Studio有限元数值模拟软件建立计算模型。堆积体组成概化为三种材料：上部覆盖层(粉质黏土)、中部夹层(碎石土)、下部基岩(千枚岩)。上部和中部覆盖层采用弹塑性材料模型，底部基岩采用理想弹性材料。模型垂直库水方向为600 m(X轴方向)，竖直方向为200 m(Y轴方向)。左右两侧边界施加水平向位移约束，底边界施加位移全约束，其余坡面边界为自由边界。有限元数值计算本构模型见图4。

图3 蚂堆5号堆积体坍岸滑坡A-A′工程地质剖面图

图4 有限元数值计算本构模型

3.1.1 计算模型本构方程及参数选取

无论坍岸堆积体所在土体是否饱水，地下水在其中运动均满足达西定律及质量守恒原则。其不同之处在于非饱和土的渗流系数k是一个变量，其随孔隙水压力和土体含水率的变化而变化[8]。多孔介质下渗流微分方程为[9]：

(1)

式中kx,ky分别为水平方向x和竖直方向的渗透系数；Q为边界流量；h为总水头；n为体积含水率；t为时间。

边界条件包括水头边界条件和流量边界条件，可分别表示为

(2)

式中h、h1分别为渗流场水头和Γ1类边界条件下的已知水头;q为Γ2类边界条件下单位面积流量(m3/s)；Lx，Ly分别为Γ2类边界x，y方向的单位法向量。

在设置渗流边界条件时，由于堆积体底部千枚岩渗透系数远小于其他各层，所以在模拟计算中和左右两侧边界一同视为不透水介质边界。2 060～2 140 m坡体表面设置动水头边界，后缘设置定水头边界。

3.1.2 库水位变动下堆积体岸坡地下水渗流场动态分析

为研究蚂堆5号堆积体坡内地下水在硗碛水库调蓄过程中渗流场动态变化，选取一个水文年水位变动作为渗流模拟计算工况，库水位运行见图5，共计350 d。初始水位为最高蓄水位2 140 m，随后缓慢下降，经130 d降至最低蓄水位2 060 m，接着回升到2 140 m。

图5 硗碛水电站库水位运行图

地下水渗流场数值模拟计算结果见图6～8，该类深厚缓坡细粒土堆积体内地下水渗流场随库水位的升降而发生显著变化。在最初阶段(0～80 d)，库水位从2 140 m缓慢降至2 113 m，浸润线前缘呈轻微的外凸形，地下水位线与库水位基本持平。说明随库水位下降，坡体内地下水缓慢补给库水且滞后效应并不明显。在随后的80～130 d，水位快速下降，滑坡体前缘浸润线呈较为明显的外凸形，说明在库水位快速下降过程中，地下水浸润线的下降速率明显小于库水位的下降速率，存在明显的滞后性。库水位在130 d时到达2 060 m最低蓄水位，随后130～300 d，缓慢抬升，在此过程中滑坡体内浸润线呈轻微内凹形，说明随着库水位的抬升库水逐步补给地下水。300～350 d，水库在2 140 m最高蓄水位附近稳定运行。堆积体前缘的壅水逐步向中、后缘消散，前缘浸润线也由内凹形逐渐恢复平缓，最后与库水位基本持平。说明库水位上升并于高水位稳定运营过程中，库水位对堆积体内地下水的补给是由表及里逐步扩展的，且需一定时间才能形成稳定的地下水渗流场。