孤山航电枢纽工程罗行滩滑坡稳定性分析与治理设计

傅兴安 闫福根 谭海

摘要：汉江孤山航电枢纽工程坝址上游右岸罗行滩滑坡为中型堆积体滑坡，体积约70万m3，为避免滑坡失稳对水库大坝、电站及道路等造成危害，运用摩根斯坦-普莱斯法及不平衡推力传递隐式法进行滑坡稳定分析，并基于计算分析成果，设计了削方减载及前缘护脚、地表排水等滑坡治理措施。结果表明：上述处理措施可有效提高滑坡体的稳定性，减小滑坡变形，降低失稳风险。该综合加固处理设计方案合理可靠，满足工程要求。

关键词：罗行滩滑坡； 稳定性分析； 滑坡治理； 孤山航电枢纽工程

中图法分类号：TV221.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.008

文章编号：1006-0081（2023）06-0042-06

0 引 言

孤山航电枢纽工程位于汉江中上游，在湖北省十堰市内，是一座以航运为主，兼顾发电的航电综合性枢纽，由船闸、泄水闸、电站厂房、生态放水闸及鱼道等组成。水库正常蓄水位为177.23 m，总库容为2.12亿m3，挡水建筑物为混凝土闸坝，总装机容量180 MW［1-2］。大坝上游水库库区内发育罗行滩滑坡体，距坝轴线较近，仅100 m左右，滑坡体规模较大，如果失稳，将危害坝区道路安全、施工期围堰运行、电站运行期泄洪、发电、汉江通航等。因此，需科学计算分析滑坡体在水库各运行工况条件下的稳定性及失稳危害程度，并根据计算分析结论，研究确定合理可靠的滑坡治理方案。

当前国内外滑坡稳定分析常用的计算方法包括二维刚体极限平衡法及三维有限单元法等。其中，在工程中常用的二维刚体极限平衡分析法包括摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）法、传递系数法等［3］。多位学者在此基础上开展了研究，如杨校辉等［4］基于G-A模型，考虑坡面倾角、非饱和区及饱和区内渗流的影响，建立持续降雨作用下堆积体边坡的入渗模型，结合不平衡推力法，研究了折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下稳定性；丁保艳等［5］基于不平衡推力法提出了大型高位堆积体滑坡稳定性分析的变坡法。为提高滑坡体稳定性，减小滑坡变形及失稳风险，本文基于“现状滑坡稳定分析-滑坡加固处理-加固后再分析验证”的技术路线，研究确定合理可靠的罗行滩滑坡治理方案。

1 罗行滩滑坡概况

罗行滩滑坡［6］位于汉江右岸孤山航电枢纽工程坝址上游0.13～0.39 km。滑坡前缘高程161.50～190.00 m，后缘高程280.50 m，纵向长约250 m，横向宽200～250 m，地形总体坡度较缓，滑体厚度为5～28 m，面积约6万m2，体积约70万m3，如图1所示。滑体物质主要为碎块石土，为稍松-松散状，土石比2∶8，渗透系数为5.0～7.2 Lu。滑坡体分布第四系松散介质孔隙水，埋深0.8～19.0 m。滑带土后0.7～1.5 m，以砾质土为主，后缘倾角为30°～45°，前缘倾角20°左右。滑坡体下伏基岩以片岩及大理岩为主。滑坡体主要土体相关物理力学参数值如表1所示。罗行滩滑坡距离上坝址右坝肩较近，滑坡失稳破坏可能对右岸施工、大坝运行和右岸上坝公路安全构成危害。天然状态下滑坡处于基本稳定-稳定状态。降雨和坡外水位变动对滑坡后缘稳定几乎没有影响。滑坡前缘受降雨和坡外水位变形影响明显，破坏的可能性最大，应针对滑坡前缘进行治理。

根据地质勘察成果，罗行滩滑坡可能的破坏模式有3种：① 前缘局部滑动破坏；② 沿基覆面整体滑动破坏；③ 后缘局部滑动破坏。破坏模式示意见图2。

2 稳定计算方法

根据罗行滩滑坡结构类型，采用刚体极限平衡法［6］（基于严格条分的摩根斯坦-普莱斯法（以下简称“M-P法”）、不平衡推力传递隐式法（以下简称“推力法”））对其进行稳定分析。

2.1 摩根斯坦-普莱斯法

摩根斯坦-普莱斯法［7-8］是严格条分法，其计算示意如图3所示。首先对任意曲线形状的滑裂面进行分析，然后推导出满足力的平衡以及力矩平衡条件的微分方程式如式（1）～（2）所示：

dEdx［1+s′（x）tanφ′m］+dTdx［s′（x）-tanφ′m］=

c′m{1+［s′（x）］2}+

dWdxtanφ′m-s′（x）-Ks-Kss′（x）tanφ′m-

rutanφ′m-ru［s′（x）］2tanφ′m+

dQdx［cosθtanφ′m+sinθtanφ′ms′（x）+

sinθ-cosθs′（x）］（1）

T=ddx［Eft（x）］-s（x）dEdx+

KS［yc-s（x）］dWdx-［yq-s（x）］sinθ+

（xq-x）cosθdQdx（2）

式中：x为坡面水平坐标；s（x）为滑动面曲线函数；ft（x）为推力线函数；c′m=c′/Fs，tanφ′m=tanφ′/Fs，其中c′、φ′为土体抗剪强度指标，Fs为稳定安全系數；ru为孔隙压力比；（xq，yq）为坡面外力作用点坐标；（xc，yc）为条块质心坐标。

2.2 传递系数法

传递系数法［9-10］是一种非严格条分法，其计算示意见图4，基本假设为条块间的相互作用力的方向平行于上一条块的底滑面，条块间只传推力不传拉力，各条块的平衡方程见式（3）：

Fi=（Wisinai+Qicosai）-cilik+

Wicosai-Ui-Qisinaifik+Fi-1Ψi-1（3）

式中：ci、 fi分别为条块底部黏聚力及抗滑系数；li为条块底部滑面长度；k为稳定系数；Ψi-1为传递系数。Wisinai+Qicosai表示条块i的下滑力；cilik+［Wicosai-Ui-Qisinai］fik表示条块i的抗滑力；Fi-1Ψi-1表示上一条块传下来的不平衡下滑力。先假定k值［11］，从顶块算起，求出其不平衡下滑力作为第二块的推力；再进行第二块的计算；如此计算至最后一块，求出最后一块的不平衡下滑力，若为0，则k即为所求的稳定系数，否则重新假设并从头计算。

3 滑坡稳定性分析

3.1 稳定计算荷载及工况

滑坡体上主要作用包括岩土体自重、地下水、坡外水、地震作用。

（1）岩土体自重作用。地下水位以上，岩土体自重取天然重度；地下水位以下，取饱和重度。

（2）地下水作用。稳态地下水位按天然实测水位概化考虑，暂态暴雨高水位一般按天然实测水位抬升2～3 m考虑，局部根据实测水位概化考虑。

（3）坡外水作用。按DL/T 5353－2006《水电水利工程边坡设计规范》规定，将坡外水位延伸至与滑面相交，对土条重力和孔隙水压力进行置换，等效为坡外无水的情况。

（4） 地震作用。本工程地震基本烈度为Ⅵ度，根据DL/T 5353－2006《水电水利工程边坡设计规范》规范，不进行边坡地震稳定分析。

稳定计算考虑持久工况和短暂工况两种设计工况，相应的工况组合详见表2。

3.2 稳定计算分析

稳定计算成果见表3。根据地质宏观判断及监测资料，结合稳定计算成果分析认为：滑坡天然状态下未出现整体变形迹象，处于基本稳定-稳定状态。结果表明：降雨和坡外水位变动对滑坡后缘稳定几乎没有影响，后缘破坏模式的安全系数均满足规范要求；滑坡前缘及整体受降雨和坡外水位变形影响明显，破坏的可能性最大。因此，应重点针对滑坡前缘及整体进行治理设计。地下水位抬升对滑坡整体稳定安全系数降低的影响明显，因此，截排水措施是滑坡治理优先考虑采用的措施。

3.3 滑坡涌浪计算分析

稳定分析成果显示，滑坡体在水位骤降工况下稳定系数最低。滑坡存在前缘局部失稳及沿基覆面整体失稳的可能性。因此，对滑坡整体或前缘失稳后可能造成的危害和影响进行分析。

3.3.1 库容影响

滑坡破坏失稳后的滑体将滑入库中，侵占库容。罗行滩滑坡在水位骤降工况下，即使按最大失稳方量（70万m3）计算，仅占总库容的0.33%，小于死库容（上坝址总库容为2.1亿m3，死库容为0.85亿m3）。因此，即使在极端情况下，滑坡体失稳破坏后入库产生的淤积对库容影响很小。

3.3.2 淤积堵江影响

在水位骤降工况下，罗行滩滑坡产生整体失稳破坏，失稳方量为70万m3。参考类似工程经验，假设各典型剖面全部失稳方量的1/3滑入库中，淤积形成库中坝，按此估算滑坡体失稳滑落入库（江）导致前缘水库淤积的高程可达163.00 m，可能淤堵电站进水口（拦沙坎高程161.00 m）和毁坏鱼道上游出口（鱼道出口位于罗行滩滑坡前缘）。

3.3.3 涌浪危害

根据工程经验，工程正常运行期，滑坡体失稳入库（江）产生涌浪，可能对水库运行及大坝安全构成威胁。施工期失稳产生的涌浪对上游围堰运行安全造成潜在威胁。

滑坡滑落速度、涌浪计算采用潘家铮经验公式［12］进行估算。罗行滩滑坡滑坡整体失稳后滑入库（江）中的滑坡涌浪及淤积高程计算成果见表4。

根据涌浪计算成果，在正常蓄水位177.23 m情况下，上游滑坡涌浪传到坝址处最大浪高1.04 m。坝顶高程为188.00 m，高于正常蓄水位与最大涌浪高之和。罗行滩滑坡涌浪对大坝不构成安全威胁。

罗行滩滑坡涌浪对施工期围堰有严重影响。根据施工导流布置和围堰特征，坡外10 a一遇洪水位为181.00 m时，上游围堰顶高程为182.30 m，且二期围堰位于罗行滩滑坡对岸，对岸涌浪高即为堰前涌浪高。坡外洪水位181.00 m与堰前最大涌浪高度2.06 m之和大于二期上游围堰顶高程182.30 m，说明施工期滑坡破坏传至堰前的涌浪会跃过堰顶，威胁大坝施工安全。

综上所述，罗行滩滑坡失稳对水库库容、大坝运行安全的影响不大，但对坝区道路安全、施工期围堰运行、电站运行期泄洪、发电、汉江通航危害较大。

4 滑坡治理

4.1 方案设计

根据稳定计算成果及地质宏观判断，罗行滩滑坡总体治理设计采取如下原则。

（1） 以防为主。防止滑坡区的环境和条件进一步恶化，使滑坡稳定性在现状基础上进一步提高。

（2） 针对性治理。抓住重点和关键地段（主要是涉水滑坡前缘局部），有针对性地及早采取有效可行的措施进行防治。

（3） 简单易行。采取的防治措施要因地制宜，简单易行，技术可靠。

（4） 统筹考虑。将滑坡治理与库岸防护、开挖料利用综合考虑。

根据上述原则，统筹考虑前缘库岸防护和围堰填料需要，确定近坝滑坡治理方案为削方减载、地表排水、前缘护脚。

4.1.1 削方减载及前缘护脚设计

削方减载可有效降低滑坡体下滑力，提高滑坡的稳定性，是滑坡整治常用且有效的措施。前缘护脚措施具有简便易行、造价低廉（回填土石方可利用滑坡削方减载的开挖料）、兼顾前缘库岸防护等优点。罗行滩滑坡削方减载及前缘回填压脚方案如下。

罗行滩滑坡削方减载范围为高程195.00 m以上滑坡体。具体方案为滑坡体上游侧228 m高程以上滑体均开挖至基覆面，滑坡体下游侧230 m高程以上滑体均开挖至基覆面。

在高程195.00 m设置一级10～30 m宽的平台，高程195.00 m以上滑体开挖坡比1∶1.2～1∶2.0，沿坡高每隔15 m设置一级平台，平台宽度3～20 m；高程225.00 m以上滑体全部挖除，开挖面沿滑床自然坡度放坡，开挖坡度自下往上由1∶1.5渐变至1∶0.8。高程195.00～240.00 m范围内基岩开挖面采用C20素喷混凝土封闭，喷射厚度5～6 cm。高程225.00 m平台上一级坡面设置2～3排坡面排水孔，以防止后缘山体内地下水渗入滑坡体。

高程195.00 m以下滑坡体沿自然坡度整平，保留已有道路，消除坡面陡坎和冲沟。高程185.00 m以下坡面陡于1∶2.0的滑坡体采取回填碎石土护脚措施，回填碎石土坡比1∶2.0～1∶2.5，采用干砌石護面。削方减载及前缘护脚典型断面如图5所示。

4.1.2 地表排水设计

地表排水系统的布置是滑坡综合治理的重要组成部分，同时也是最简单可行的治理措施之一。通过改善滑坡体地表排水系统，可以有效防止滑坡区的环境和条件进一步恶化，改善滑坡现状。

地表排水设计按20 a一遇暴雨强度、滑坡区降雨汇水面积及其所需排出的地表径流进行设计和布置，充分利用周边天然冲沟。地表排水工程主要包括周边截水沟、纵向主排水沟、马道排水沟、地下涵管等。

（1） 周边截水沟。为防止后缘山体坡面来水渗入滑体，沿滑坡边缘外侧3～5 m周边布置1条截水沟，将周边汇水引至纵向主排水沟或坡面天然冲沟。周边截水沟断面为梯形，净底宽0.8 m，净顶宽2 m，净高1.2 m，C20混凝土浇筑，如图6所示。对局部地形坡度陡峭的截水沟段，设置消能台阶，每级台阶高度0.2～0.3 m。此外，每30～50 m高差设一级3 m×3 m×3 m消力池。

（2） 纵向排水沟。为疏排坡面汇水，沿滑坡纵向设置纵向排水沟。纵向排水沟断面为梯形，净底宽0.6 m，净顶宽1.5 m，净高0.9 m，用C20混凝土浇筑，如图7所示。沿边坡走向间距约100 m，结构与周边截水沟相同，在每级平台处设置2 m×2 m×2 m消力池。

（3） 马道排水沟。马道排水沟的主要作用是导排滑体区域坡面汇水，将汇水引至纵向主排水沟或周边截水沟内。马道排水沟沿马道布置或沿等高线布置，断面为梯形，两侧坡度均为1∶0.5，C20混凝土浇筑，净底宽0.4 m，净顶宽1.0 m，净高0.6 m，如圖8所示。

（4） 地下管涵。地表排水沟与道路相交时，采用地下涵管穿过道路，涵管采用预制产品，过流断面不小于相应排水沟断面。

4.2 近坝滑坡治理后稳定性

削方减载及回填压脚后，罗行滩滑坡后缘滑体被挖除，因此，只需计算典型剖面整体及前缘的局部稳定安全系数。从滑坡典型剖面稳定安全系数计算成果（表5）可以看出，采用削方减载和前缘回填压脚措施后，罗行滩滑坡稳定安全系数可以满足设计要求。

5 结 论

（1）罗行滩滑坡滑体为沿基岩覆盖层分界面滑动的中型滑坡体，距离孤山航电枢纽工程坝址右坝肩较近，滑坡失稳破坏将对右岸施工、大坝运行和右岸上坝公路安全构成危害。

（2）削方减载及前缘护脚可有效降低滑坡体下滑力，提高滑坡的稳定性。周边截水沟、纵向排水沟、马道排水沟、地下管涵等组成的地表排水系统可以有效防止滑坡区的环境和条件进一步恶化，改善滑坡现状。

（3）罗行滩滑坡体削方减载、地表排水、前缘护脚的综合加固处理方案合理可靠，满足工程要求。

参考文献：

［1］ 陈舞，陈刚，罗承昌，等.孤山航电枢纽电站建筑物设计关键技术研究［J］.人民长江，2022，53（增2）：76-79.

［2］ 苏新华，胡义，王启国，等. 孤山库区滑坡发育规律与稳定性研究［J］. 人民长江， 2022， 53（增2）： 67-71.

［3］ 陈祖煜．土质边坡稳定分析（原理、方法和程序）［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．

［4］ 杨校辉，张志伟，郭楠，等.持续降雨作用下折线型滑裂面堆积体滑坡稳定性分析［J］.岩土工程学报，2022，44（增1）：195-200.

［5］ 丁保艳，翟向华，张卫雄，等.大型高位堆积体滑坡稳

定性分析与数值模拟［J］.地震工程学报，2022，44（4）：786-793，802.

［6］ 王启国.汉江孤山航电枢纽工程区近坝滑坡稳定性分析及防治工程建议［J］.中国地质灾害与防治学报，2019，30（1）：41-51.

［7］ MORGENSTEM N R， PRICE V E. The analysis of the stability of genera slip surface［J］. Geotechnique，1965，15（1）：79-93.

［8］ MORGENSTEM N R， PRICE V E. A numerical method of solving the equations of stability of general slip surfaces［J］. Computer Journal，1967，9（4）：388-393.

［9］ 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等．边坡与滑坡工程治理［M］．北京：人民交通出版社，2010．

［10］ WHITMAN R V， BAILEY W A. Use of computers for slope stability analysis［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1967，93（4）：475-498.

［11］ JANBU N. Slope stability computations embankment dam engineering［M］.New York： John Wley and Sons， 1973.

［12］ 万智勇，黄耀英，陈勋辉，等.基于潘家铮法的某滑坡体涌浪敏感性分析［J］.水力发电，2016，42（1）：23-28.

（编辑：江 焘，高小雲）

Stability analysis and treatment design of Luoxingtan Landslide in

Gushan Navigation and Hydropower Project

FU Xing′an，YAN Fugen，TAN Hai

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Luoxingtan Landslide on the right bank upstream of the dam site of Gushan Navigation and Hydropower Project in Hanjiang River is a medium-sized accumulation landslide，with a volume of about 700 000 m3.In order to prevent landslide from causing harm to the reservoir dam，power station and roads，Morgan Stan-Price method and the Unbalanced Thrust Transfer Implicit method were used for slope stability analysis.Based on the calculation and analysis results，landslide control measures such as cutting volume and reducing load，front edge foot protection and surface drainage were designed.The results indicated that the above treatment measures could effectively improve the stability of the Luoxingtan Landslide，reduce landslide deformation and reduce the risk of instability.The design scheme of the comprehensive reinforcement treatment is reasonable and reliable，which meets the engineering requirements．

Key words：

Luoxingtan landslide； stability analysis； landslide governance； Gushan Navigation and Hydropower Project