不同工况下库区大型岩质滑坡稳定性分析

2022-07-01保守林

中国水能及电气化 2022年4期

倪明保守林郝超

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610037)

1 工程概况

巴塘水电站位于金沙江上游，设计装机容量750MW，正常蓄水位2545m，设计正常蓄水位以下库容1.55亿m3。巴塘水电站位于川、滇、藏三省交界处，区域内有金沙江、巴塘、理塘等多条大型断裂带，地质构造活动十分活跃，导致库区发育多处大型滑坡，其中一处滑坡(编号TM)中轴线距离电站上坝址仅约1km，滑坡长约1030m，宽约300m，平均厚度约80m，滑坡体体积估算约为1225万m3，整体上呈扇形分布(见图1)。

图1 TM滑坡正视图

TM滑坡区属于侵蚀高山区，滑坡体上有雄松—苏洼龙断裂通过，海拔2600～3000m，平均年降雨量474mm，主要出露地层为二叠系地层，主要岩性包括变质碎屑岩、大理岩、绢云母石英片岩、云母方解片岩、灰岩、石英砂岩、砾岩等。TM滑坡处于金沙江褶皱带，宽度17～30km，呈南北向条状带分布，在褶皱作用下，滑坡体右岸岩层与边坡逆交倾上游，产状倾向为280°～300°，左岸岩层与边坡逆交倾下游，产状倾向为110°～125°。研究区内节理裂隙发育，主要包含四组结构面，倾角为20°～70°，分别呈NWW、NNE、NNW和NEE展布。受喜马拉雅运动和强烈的新构造运动影响，研究区内地震活动强烈，据史料记载，5级以上地震共发生过67次。

2 滑坡堆积体性质

对TM滑坡堆积区进行的钻孔勘探揭示：滑坡浅表部主要以灰黄色碎土层为主，碎石含量达到40%，块石含量约为15%，总体结构比较松散；滑坡堆积体主要以粉状碎石土质为主，粒径大于2mm的碎石含量超过60%，细粒含量约为30%；滑坡滑带土主要为青灰色碎石土，土 ∶石=6 ∶4。经对钻孔勘探的滑坡土体进行物理力学试验(结果见表1)，TM滑坡堆积土体平均塑性指数为7.15，液限为19.7%，表明滑坡堆积土体具有液限粉土的性质，但由于其天然含水率低于塑限值，因而土体的胶结性比较好，呈坚硬状态[1-2]。

表1 滑坡堆积体物理力学参数

3 数值模型建立及工况参数设计

3.1 模型建立

TM滑坡多在陡倾的“U”形河谷中，坡脚接近40°，高差最大达到700m，滑坡体多为易风化岩石，遇水易软化，滑坡体顶部有雄松—苏洼龙断裂穿越，新构造运动十分活跃，滑坡体植被覆盖稀松，同时该地降雨多集中在夏季，造成TM滑坡是一个巨型滑坡，对巴塘电站安全造成重要影响，因此，需要对滑坡体在不同工况下的稳定性进行评估。采用Flac3D数值模拟软件，对滑坡体在天然工况、地震工况、降雨工况以及蓄水工况下的稳定性进行计算分析。

滑坡体模型Y指向金沙江上游方向，长度为903m，Z指向为滑坡体竖直向上方向，同时Z向滑坡坡脚处延伸至高程2200m作为模型的起始高程，X正方向与滑坡的倾向相反。滑坡模型分析两个部分，一部分为滑坡壁、滑床以及基岩，另一部分为滑坡体。模型采用四面体单元进行网格划分，部分区域进行了加密处理，滑坡模型共包括32414个单元和6762个节点(见图2)。

图2 TM滑坡模型

3.2 工况参数设计

根据地质钻孔勘探结果，对滑坡体(碎石土)以及基岩(石英片岩)进行物理力学参数赋值(见表2)。

表2 TM滑坡模型地层物理力学参数取值

3.2.1 地震工况

以天然工况下模拟结果为基础，在模型底部施加地震波，由于对地面的破坏主要来自剪切波(横波S波)，因此在模拟过程中忽略地震纵波(P波)的影响，地震动持续时间为10s，最大加速度为0.18g，最大速度17cm/s，最大位移9.15cm，对应震级7.4，地震动反应谱特征周期0.41s，使用table命令将地震波数据输入模型；为防止地震波在传播过程中遇到边界反射而造成失真，需在模型边界四周建立自由场边界，自由场边界由4个面网格和4个柱体网格组成，采用瑞利阻尼进行地震模拟，最小临界阻尼比设置为0.04，最小中心频率设置为0.4Hz[3-4]。地震状态下滑坡体模型及振荡曲线见图3。

图3 地震作用下TM滑坡模型

3.2.2 降雨工况

以天然工况下模拟结果为基础，根据地下水位线计算初始渗流场，然后在TM滑坡体表面施加不同雨强下的渗流场，当雨强小于土体的渗透系数时，设置通量边界，当雨强与土体渗透系数相同时，通过调节渗流通量的大小进行雨强模拟，当雨强大于土体渗透系数时，通过在坡面设置给定的水头边界来模拟雨强。根据24h降雨量等级以及当地有记录的雨强资料，选用60mm/24h(暴雨级别)雨强进行分析。基岩为不透水边界，初始饱和度设置为0.2，饱和度每增加0.2，土体含水率增加14%，内摩擦角降低1°，地下水位至基覆界面设置依次递减的负孔隙水压力[5-6](降雨渗流参数见表3)。

表3 降雨渗流参数

3.2.3 蓄水工况

蓄水工况也以天然工况模拟结果为基础，通过设置水位面法向量来模拟不同蓄水位(2500～2550mm，2500m为平水期水位，2545m为正常蓄水位)下的滑坡稳定性。

4 计算结果分析

4.1 天然工况滑坡稳定性

由天然工况下滑坡应力、应变云图(见图4)可知：由于在天然工况下，滑坡体的自重应力是最大主应力的主要影响因素，因此在天然工况下滑坡体的应力等值线与坡面形态基本一致，呈层状分布；滑坡体与基岩交界面存在明显的应力集中现象，应力集中带边缘与滑坡体边缘基本重合，最大剪应变集中在前缘堆积体中部，宽度约330m，长度约200m，是整个滑坡体的潜在滑动面，但是在自重应力下，剪应变仅为10-4数量级，不会对边坡稳定性造成影响；通过软件自带的强度折减法程序计算得到的滑坡体在自重应力下的稳定性系数为1.42，因此，在天然工况下，TM滑坡将处于稳定状态。

图4 天然工况下滑坡模拟结果

4.2 地震工况滑坡稳定性

由地震工况下滑坡的剪应变增量和塑性区分布云图(见图5)可知：在地震作用下，剪应变增量的最大值主要集中在滑坡体的前缘，并呈“弓形”分布在两端，因此在地震作用下滑坡体两端的应力集中现象最明显、变形最大，但最大剪应变分布并没有出现明显的贯通现象；塑性区集中在堆积体后部反倾处，且分布面积不大，也没有形成明显的贯通现象；从模拟结果来看：在地震作用下，滑坡体仅会在堆积体中前部出现局部的坍塌现象，基覆界面上下错动距离在50mm以下，基本可以保持稳定。

图5 地震工况下滑坡模拟结果

4.3 降雨工况滑坡稳定性

由不同降雨历时下滑坡体数值模拟结果(见图6)可知：随着降雨历时的延长，湿润锋逐渐向下延伸，滑坡体的前缘和后缘最先进入饱和状态；最大剪应变也集中分布在滑坡体的前缘和后缘，随着降雨进行，最大剪应变逐渐增大并向滑坡体中部扩散，当降雨进行到第3天时，降雨才会影响到滑坡体的中部平台；X向和Z向应力均为负值，表明两个方向均是受压应力影响，没有出现拉应力，滑坡整体上处于稳定状态，且随着降雨历时的增加，X向应力呈先减小后增大的变化过程，这是因为降雨初期渗透速度极快，雨水下渗容量大，导致土体内部应力变化较大，有向X向(临空面)蠕滑的变化趋势，当渗流趋于稳定后，土体内部应力也趋于稳定，因而应力逐步回升；Z向应力随降雨历时逐步增大，且前期增长幅度大于后期。从整体上看：在暴雨作用下，最大剪应变增量既没有沿滑坡体基覆界面分布，也没有出现拉应力，因此降雨不会造成滑坡复活。

图6 降雨工况下滑坡模拟结果(从左至右依次为：孔隙水压力、最大剪应变增量、X向应力、Z向应力)

由利用极限平衡法计算的不同降雨历时下滑坡稳定系数(见图7)可知：常规极限平衡法计算得到的稳定系数最大，其次为M-P法和Bishop法，Janbu法计算得到的稳定系数最小；随着降雨历时的增加，稳定系数逐渐降低，但各个阶段略有区别，降雨0～24h，滑坡体的稳定系数基本保持不变，降雨24～48h，稳定系数逐渐降低，降雨48h后，稳定系数下降幅度逐渐减小；在经历3天暴雨之后，M-P法、Bishop法、Janbu法和常规法计算得到的稳定系数分别下降0.042、0.051、0.055和0.032，且暴雨之后的稳定系数均在1.4以上，表明滑坡处于稳定状态。

图7 极限平衡法计算稳定系数结果

4.4 蓄水工况滑坡稳定性

对不同蓄水位下的滑坡稳定性进行模拟分析，由计算得到稳定系数和失效概率随蓄水位的变化特征(见图8)可知：随着水库蓄水水位的逐渐升高，滑坡的稳定系数逐渐降低，失效概率逐渐增大，当蓄水水位在2500～2530m时，稳定系数下降幅度较慢，当蓄水水位超过2530m后，稳定系数下降幅度较快，当蓄水水位达到2545m时，达到极限平衡，当蓄水水位达到2550m后，稳定系数小于1，失效概率达到78.15%，滑坡将很可能发生失稳破坏[7-10]。