田坝村变形体的变形机理及稳定性分析

张小宝，李 坤

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 工程概况

天花板水电站坝址位于云南省鲁甸县翠屏乡与巧家县铅厂乡境内，厂址位于鲁甸县翠屏乡境内。坝型为碾压混凝土双曲拱坝，坝高107m，水库河道狭窄，总库容为7871万m3。

田坝村斜坡位于天花板水电站库区左岸岸坡上，与已建成的大坝最近距离为1.0km左右，考虑到坡体目前变形较大，对已建成的天花板水电站构成潜在威胁(如图1所示)。

图1 田坝村斜坡研究区与天花板水电站空间相对位置

2 田坝村变形岸坡基本地质条件及变形机理分析

2.1 岸坡基本地质条件

2.1.1地形地貌

田坝村变形体位于天花板水电站库区左岸，近坝库段1km处，为典型的古堆积体岸坡，沿河向宽度约为1.3km，变形体前缘位于河床，高程为980m，后缘拉裂缝最大高程为1662m。边坡上分布有湾子社、窝当、杨家天井、欧家寨、炭山、黄家坪子等村落，有200余户居民。边坡自然坡度为20°～50°，边坡上多为梯田，蓄水前边坡稳定性较好。蓄水后受前缘塌岸、降雨及水位骤降影响，边坡在2011年1月开始发生变形，经勘察粗略估算，古堆积体总方量约为8000万m3，发生变形的方量约为3500万m3，属于超大型的滑坡变形体。

2.1.2地层岩性

根据钻探、坑槽探资料，边坡堆积物厚度较大，中部和前缘的堆积物厚度均在40m以上，前缘最大堆积厚度达到了150m，后缘厚度较薄，一般为10～20m。边坡堆积体由崩积、崩坡积及坡残积物组成，主要为土夹碎(块)石，局部块石含量较高，块石直径最大可达20余米。下伏基岩为寒武系和震旦系的白云岩、白云质灰岩及砂岩等。

2.1.3水文地质特征

在边坡发生变形前地下水位较高，地表沟谷内有小溪等径流分布，边坡上的居民生活用水主要由边坡上的地表径流供给。

边坡发生变形后，边坡上的纵向、横向裂缝发育，地表水下渗，地表径流消失。根据钻孔水位监测资料成果，变形体的地下水位主要分布在基岩与覆盖层附近，大气降水通过地表裂缝下渗，以暗流的形式排到牛栏江。

2.1.4变形体物理力学参数

本项研究主要从现场地质调查入手，通过试验成果以及切割小剖面进行统计的手段来总结碎石土内部砾石粒径分布的主要特点，根据现场情况及崩塌堆积体的成因和分布特征，提出物理力学参数的建议值，见表1。

2.2 变形岸坡分区

蓄水前岸坡基本稳定，2011年1月17日蓄水后，经当地政府有关部门反映，老店镇湾子社、坪子社及陡地社部分村民住房地基及房屋墙体出现开裂变形。根据收集到的田坝村变形体地形地貌特征、裂缝分布形态、钻孔资料等，并在分析变形体成因和变形特征的基础上，将田坝村变形体大致划分为三个区，Ⅰ区崩塌堆积变形体、Ⅱ区滑坡体和Ⅲ区崩塌堆积体，如图2所示。

图2 变形体分区图

2.3 变形体的成因机理分析

田坝村变形体基岩与土石混合体接触面从整体上控制着变形体的变形轨迹，但由于变形体前缘濒临牛栏江，随着江水的逐渐淘蚀，塌岸现象日益严重，前缘阻力逐渐减小，从而促使临江岸坡局部失稳滑动，当岸坡失稳滑动后，进一步促使后部坡体产生下滑趋势，产生拉裂缝，导致连锁反应，从这个角度看，该变形体具有牵引式的特点。

具体来说，田坝村变形体演化过程如下：

(1)崩塌堆积物的形成

崩积的间歇发生—形成崩积堆积物—物理化学风化—形成土石混合体—压实—形成基岩上覆表层堆积体。

(2)变形体的形成

水位骤降、大气降水及风浪影响—边坡前缘发生塌岸—前缘的局部块体变形失稳—牵引后缘堆积物发生变形—坡内裂缝及边界裂缝形成—降雨及地表水入渗—加剧边坡变形—变形体形成。

3 变形体稳定性定量评价

本章节拟借助Geo-Studio数值软件在研究区选取5个典型计算剖面(如图3所示)进行定量计算，以便能够对其稳定性现状和发展趋势进行预估评价。

3.1 崩坡积碎石土强度参数反演

3.1.1参数敏感性分析

首先进行强度参数敏感性分析，了解黏聚力和内摩擦角二者对安全系数的影响程度，便于实施后续计算参数调整过程。

从图4中可以看出，黏聚力和内摩擦角二者对安全系数的影响基本成线性，随着黏聚力和摩擦角的增大，安全系数基本成线性增大。同时可以直观地看出：黏聚力对边坡安全系数不是很敏感，而内摩擦角异常敏感。

3.1.2强度参数反演

在参数敏感性分析基础上，此次强度参数反演时内摩擦角取值范围为20°～40°，黏聚力取值范围为0～10kPa。基于参数各种组合，计算图4中潜在滑动面的安全系数，结果见表2。显然，若按照表1所示的当地参数经验取值，当黏聚力按照0kPa考虑时，内摩擦角不论在26°～29°范围内如何变化，其潜在滑动面安全系数在0.87～0.99变化，且均小于1，因此上述经验参数取值可以理解为崩坡积碎石土的下限。考虑到该崩坡积碎石土仍具有一定的黏结性，从而将其黏聚力确定为5～8kPa，那么为了使潜在滑动面安全系数达到1.00，摩擦角至少为29。

表1 变形体土体物理力学参数建议值表

图3 5个典型地质剖面空间位置(单位：m)

基于上述分析，结合地形特征，此次边坡稳定性计算时，崩坡积碎石土的黏聚力取值范围为5～8kPa，内摩擦角取值范围为29°～32°。

3.1.3数值计算材料参数

基于上述强度参数反演取值，并结合经验，此次数值计算相关材料参数见表3。

图4 黏聚力、内摩擦角敏感性分析

表2 潜在滑动面的安全系数

表3 数值计算材料参数

3.2 数值计算模型

基于地质剖面PM1、PM2、PM3、PM4、PM5建立水文地质概化模型，进而建立相应的数值计算模型，如图5所示。

3.3 失稳模式预测

基于上述所建立的模型，通过刚体极限平衡法依次对研究区Ⅰ-1区、Ⅰ-2区、Ⅰ-3区、Ⅱ区、Ⅲ区坡体在现状自然条件下、降雨工况、库水位变化以及地震作用下可能发生的失稳模式进行了预测，结果见表4。

表4 各剖面计算结果统计表

图5 各剖面计算模型

3.4 稳定性评价

表5为DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》[5]中水利水电工程边坡设计安全系数，此次研究区坡体按照水库边坡B类考虑。

另外，根据DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》[6]的规定，天花板水电站为三等中型工程，枢纽主要建筑物中碾压混凝土双曲拱坝、泄水建筑物、进水口、引水隧洞、发电厂房等主要建筑物为3级。

综上分析，此次边坡稳定性评价时，地震工况按照偶然状况考虑，取1.00作为考虑地震工况时边体稳定性判别依据；降雨、水位下降工况按照短暂状况考虑，取1.05作为考虑降雨或者水位骤降工况时边体稳定性判别依据；自然工况按照持久状况考虑，取1.10作为自然工况时边体稳定性判别依据。

4 结论

Ⅰ区PM3在现状自然条件、降雨、水位下降工况下，其安全系数均接近规范规定值，PM4在各工况下，其安全系数均低于规范值，稳定性差。

Ⅱ区在非地震工况下，整体滑动的安全系数接近规范值；仅在现状自然条件、降雨、水位下降工况下，前缘局部的安全系数低于规范值，稳定性差。

Ⅲ区在现状自然条件、降雨、水位下降工况下，其安全系数均高于规范规定值，因此认为上述工况下Ⅲ区处于较稳定状态；而在地震作用下，其稳定性差。

变形体前缘牛栏江河道狭窄，根据测量资料，蓄水后由于岸坡塌岸，变形体前缘河床已经比蓄水前抬高了将近20m，间接起到了压脚作用，综合分析认为田坝村变形体产生整体快速失稳的可能性不大，随着前缘塌岸进一步变形，前缘堆积物厚度加大，有逐渐趋稳的可能，建议进一步加强变形监测，控制水位骤降工况下的稳定性。

2014年8月3日，云南省昭通市鲁甸县发生6.5级地震，根据监测资料，变形体的变形发生一次较大突变后趋稳，根据后期监测资料，再无变形发生。

天花板水电站田坝村变形体是水库蓄水后，由于塌岸、暴雨及水位骤降引起的近坝库岸土质岸坡失稳的典型案例。变形发生后，居民房屋开裂、稻田干涸、果树倾倒及溪水断流，直接影响了6个自然村居民的生产生活，造成了较大的财产损失，是一次深刻的教训，这对今后水库土质岸坡勘察、古堆积体的稳定性研究具有较强的借鉴意义。

表5 水利水电工程边坡设计安全系数