李紅英,譚躍虎,李二兵

(解放軍理工大學工程兵工程學院,江蘇南京 210007)

擬建的卡拉水電站位于雅礱江干流中游河段,為雅礱江梯級開發(fā)11級中的第6級,上游與楊房溝水電站銜接,下游與錦屏一級水電站毗鄰。工程區(qū)內滑坡體發(fā)育且規(guī)模巨大,分布有上田鎮(zhèn)、田三、崗尖、下馬雞店、草坪等多個大型滑坡體和崩坡積體。若出現(xiàn)滑坡,將造成水庫淤積或河道堵塞,并會危及大壩及其他樞紐建筑的安全。因此,滑坡體的穩(wěn)定性是決定壩址選擇的控制性因素之一。筆者以田三滑坡體為例,對庫區(qū)內滑坡體進行穩(wěn)定性分析。田三滑坡體位于雅礱江右岸,處于上壩址與中壩址之間,總體呈長方形展布,平均厚度為40m,總體積為3662.2萬m3。

1 滑坡體穩(wěn)定性敏感因素

1.1 地形地貌

依據(jù)滑坡體的不同區(qū)段、物質組成及地形差異將滑坡體自上而下分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū),分區(qū)要素見表1;A區(qū)、B區(qū)位于中后部,基本以公路為界;C區(qū)位于前部,以中部臺地前緣為界,滑坡體全貌見圖1。在高程2.26km以上坡度為20°～25°,以下總體坡度為30°～35°。前部地形存在較多變形破壞現(xiàn)象,穩(wěn)定性較差;中后部未發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象,穩(wěn)定性較好,有常住居民[1]。

1.2 地層巖性

該滑坡體組成物質較復雜,據(jù)鉆孔平洞揭露,主要由殘坡積層、崩坡積層及中部滑坡堆積層、底部滑帶等組成?；露逊e層根據(jù)破碎程度可細分為2個亞層：粉質黏土夾碎石層和塊石層。殘坡積層為粉質黏土夾碎石,碎石含量為10%～40%;崩坡積層為碎塊石夾粉質黏土,主要成分砂巖、板巖含量為60%～70%。粉質黏土夾碎石層以碎塊石為主,碎塊石含量約為30%～40%;塊石層主要由變質砂巖、板巖大塊石組成?；瑤翞榉圪|黏土夾礫石,并有少量碎石。巖層產(chǎn)狀為35°N～55°W,NE∠20°～55°,順坡傾向,局部巖層由于受揉皺影響,巖層產(chǎn)狀變化較大[2]。

圖1 田三滑坡體全貌Fig.1 Panorama of Tiansan Landslide

表1 田三滑坡體分區(qū)要素Table1 Partitioning elements of Tiansan Landslide

1.3 滑坡成因及地質構造

中更新世晚期以來本區(qū)進入峽谷期,河谷強烈下切,岸坡高度不斷增加,在隨后長期的地質歷史過程中,滑坡形成所需要的條件逐步形成,唯獨缺少前緣臨空條件。強大的自重應力持續(xù)作用于岸坡巖體,滑移變形趨勢保持不變,前緣受阻部位產(chǎn)生彎曲變形,導致坡面隆起并伴隨巖體擴容破碎。隨著坡面隆起和坡內擴容加劇,在地震或暴雨誘發(fā)下,易產(chǎn)生潰屈破壞[3-4]。

區(qū)內前波斷層距離滑坡體后緣1.50km,未發(fā)現(xiàn)其他較大斷裂構造帶通過?；聟^(qū)地處前波斷層的下盤,雅礱江右岸邊坡為中傾左岸偏下游的順向坡,河流走向與巖層走向接近一致,溝谷延伸長,切割深?；鶐r節(jié)理發(fā)育,主要發(fā)育有3組：(a)20°N～30°WNE∠40°～60°面較平直,延伸較長,為層面、順坡、密集發(fā)育。(b)70°N～80°ESE∠80°～86°面較平直,延伸較長,切坡,面附鐵錳質膜 。(c)10°N～20°WSW∠40°～50°面較平直,延伸較長,橫切坡,面附鐵錳質膜。

1.4 水文地質條件

滑坡體在高程2.30km以上較缺乏地表水,沖溝均為季節(jié)性流水,旱季時均無水,現(xiàn)場調查未發(fā)現(xiàn)泉水點出露。在高程2.30km以下,中部的1條大沖溝有常年流水,流量較大,其余沖溝均為季節(jié)性流水。地下水接受大氣降水補給,向雅礱江排泄。另外,在滑坡體前緣有多處地下水滲出點,出水量較小?；聟^(qū)的地下水為潛水,潛水面形態(tài)與地形大致相當,根據(jù)鉆孔水位觀測成果,地下水位埋深較深,一般埋深為30～60m。

1.5 降雨

雅礱江區(qū)域地處青藏高原與四川盆地過渡地帶,氣象條件的垂直分帶性明顯,每年6—9月為雨季,年平均降雨量950.0mm左右。高程3.00km以下的河谷地帶,降雨量較充沛(年平均降雨量為796.7mm),屬較典型的亞熱帶氣候區(qū)。氣候突變明顯,降雨具有集中性和突發(fā)性,降雨量大,分布極不均勻。筆者使用SLOPSEEP/W軟件對滑坡體進行滲流分析(計算模型如圖2所示),劃分區(qū)域為4邊形單元格,上邊界按照降雨量定義,同時坡腳處定義水頭高度,初始地下水位按照基巖定義。穩(wěn)定滲流分析以日為單位步長進行疊加,整個計算不考慮水分蒸發(fā)和地下水位變化。為研究降雨歷時對田三滑坡體的影響,模擬了100 mm/d的降雨強度持續(xù)10d的地下水位變化。

圖2 滑坡體Ⅳ-Ⅳ剖面滲流模型Fig.2 Seepagemodel of landslide at profileⅣ-Ⅳ

從滲流云圖可知[5],降雨第1天滑坡體表層便有微小的局部飽和區(qū);降雨第2天B區(qū)的飽和帶逐漸向下,C區(qū)飽和帶逐漸加深;至第5天,B區(qū)飽和帶與地下水聯(lián)通并使地下水位抬升,C區(qū)至第8天與地下水聯(lián)通并使地下水位抬升;至第10天,C區(qū)上部飽和區(qū)域逐漸變大,地下水位繼續(xù)抬高,地下水情況變復雜,C區(qū)和B區(qū)結合部的地下水幾乎達到滑坡體表面?？梢钥闯?降雨時間長度對田三滑坡體的影響較大,降雨不僅在表層形成局部飽和帶,而且隨著降雨時間增長滑坡體內地下水位抬升越來越明顯,地下孔隙水壓力的變化也越來越復雜,使得孔隙水壓力消散迅速,進而影響滑坡體的整體穩(wěn)定性。這說明降雨歷時對滑坡體的穩(wěn)定性起到重要的決定作用。將當日計算得出的滲流場與SLOP軟件耦合,可以計算滲流場對應的滑坡體安全系數(shù)F,如圖3所示。

圖3 100mm/d降雨持續(xù)10d田三滑坡體安全系數(shù)趨勢Fig.3 Safety coefficient variation of Tiansan Landslideduring 10-day rainfall with intensity of 100 mm/d

從圖3可以看出,降雨時間越長,田三滑坡體的安全系數(shù)越低,滑坡體越不安全?？傮w上C區(qū)安全系數(shù)小于B區(qū)和A區(qū),這與現(xiàn)場觀測的結果是一致的。在發(fā)生滑坡的時間順序上,A區(qū)先于B區(qū)和C區(qū)。

1.6 庫水位升降

庫水位突然降低,涉水滑坡體內地下水位下降緩慢,較大的水力梯度形成較大的動水壓力,加大了沿地下滲流方向的滑動力,可能引起老滑坡的復活和新滑坡的產(chǎn)生。同時一部分地下水排出,庫岸受到的浮托力突然減小,致使庫岸陷落壓密,可能激發(fā)很高的超孔隙水壓力,使壓密帶抗剪強度急劇降低導致岸坡失穩(wěn)。另外,蓄水后水位上升,庫面水域變得更加開闊,山谷風及庫水的流動會引起對庫案的沖刷作用,使案坡后移,河谷深切,岸坡變陡。庫水沖刷坡腳,切斷滑動面使之臨空,斜坡失去底部支撐,其穩(wěn)定平衡便會遭到破壞?，F(xiàn)場調研結果表明,滑坡體在天然狀況下不存在和保持高孔隙水壓力的水文地質條件,水庫蓄水將改變地下水的賦存條件,通過計算Ⅳ-Ⅳ剖面安全系數(shù)可知,在庫水位驟升驟降的過程中,地下水將產(chǎn)生較高的水力梯度,對滑坡的穩(wěn)定性影響較大,滑坡安全系數(shù)逐步降低,故滑坡穩(wěn)定性分析應充分考慮水位變化的影響。

1.7 地震

卡拉水電站近場區(qū)內斷裂構造較為發(fā)育,主要發(fā)育有2組斷裂,均為早、中更新世活動斷裂,不具備發(fā)生6.5級以上強震的構造背景,但5～6級左右地震具有較大的隨機性。不同地震烈度對應的水平加速度和垂直加速度如表2所示。

滑坡穩(wěn)定性計算結果表明,當?shù)卣鹆叶葹?～8時,滑坡體整體及分區(qū)穩(wěn)定性均在基本穩(wěn)定狀態(tài)之上;當?shù)卣鹆叶冗_到9后,邊坡安全系數(shù)為0.872,滑坡體處于失穩(wěn)的狀態(tài)?？梢钥闯?安全系數(shù)隨地震烈度的增加而線性遞減,因此地震對滑坡體的安全影響巨大。

表2 不同地震烈度所對應的水平和垂直加速度Table2 Horizontal and vertical acceleration with different seismic intensities

2 滑坡體穩(wěn)定性評價

2.1 工況組合

根據(jù)以上分析,滑坡體風險分析需要考慮不同工況組合(不同工況)的影響[6-7],見表3。本文計算以Ⅳ-Ⅳ剖面作為計算模型,如圖4所示。

表3 田三滑坡體穩(wěn)定性計算工況及工荷組合Table 3 Stability calculation conditions and load combinations of Tiansan Landslide

2.2 參數(shù)確定

工程現(xiàn)場勘察過程中,通過試驗獲取了一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù),但數(shù)量有限,加之滑坡體巨大,地質情況復雜,無法達到統(tǒng)計要求,因此引入Bayes優(yōu)化法[8-11]對滑坡體巖土參數(shù)進行優(yōu)化分析。采用工程類比分析法確定滑坡體穩(wěn)定性計算參數(shù)的分布類型及參量,即通過工程類比法對滑坡體物理力學參數(shù)進行統(tǒng)計,獲得概率分布函數(shù),以此為先驗函數(shù);以田三滑坡體自身試驗樣本概率分布函數(shù)為似然函數(shù),通過Bayes優(yōu)化得到后驗函數(shù),即穩(wěn)定性計算的參數(shù)取值。由于篇幅有限,僅將C區(qū)優(yōu)化計算結果列于表4中。

2.3 穩(wěn)定性計算

為了能有效模擬出滑坡體的實際情況,根據(jù)滑坡體參數(shù)后驗分布改良函數(shù),通過Risk軟件,采用Monte-Carlo方法[12-14]隨機抽取1萬組數(shù)據(jù),同時對各個土層抽取樣本進行隨機組合。根據(jù)隨機組合數(shù)據(jù)進行滑坡體整體穩(wěn)定性計算,計算方法以Bishop法和M-P法為基礎[8],以安全系數(shù)為直觀反映,計算由GEO-SLOPE軟件進行。為解決1萬組抽樣數(shù)據(jù)帶來的輸入難題,利用自編對接程序Edit and Run將隨機數(shù)據(jù)導入GEO-SLOPE軟件,然后結合不同工況及荷載計算。以安全系數(shù)小于1的組合為失穩(wěn)組合,統(tǒng)計其在1萬組數(shù)據(jù)中所占比例,得到滑坡體在該工況的失穩(wěn)概率,如表5所示。

圖4 田三滑坡體Ⅳ-Ⅳ主剖面計算剖面Fig.4 Calculation profile of main profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

表4 田三滑坡體C區(qū)巖土參數(shù)Bayes優(yōu)化結果Table 4 Optimization results of rocKand soil parameters of of Tiansan Landslide in zone C using Bayes method

表5 滑坡體Ⅳ-Ⅳ剖面穩(wěn)定性計算成果匯總Table5 Overall results of stability calculation of profileⅣ-Ⅳof Tiansan Landslide

計算結果表明：在工況1(天然)、工況2(正常蓄水)條件下,田三滑坡體安全系數(shù)均值均在1.2以上,失穩(wěn)概率為0,穩(wěn)定性較好,有較高的安全儲備。蓄水對田三滑坡體的穩(wěn)定不利,與工況1相比,工況3(暴雨)下安全系數(shù)有較大幅度的降低,但失穩(wěn)概率為0,穩(wěn)定性仍較好。工況4(蓄水暴雨)和工況5(水位驟降)條件下,失穩(wěn)概率分別為1.05%～5.17%和2.91%～4.65%,說明受蓄水和暴雨的影響,田三滑坡體穩(wěn)定性明顯下降,存在失穩(wěn)的可能。工況6(地震)條件下,田三滑坡體失穩(wěn)概率為2.36%～2.49%,2個剖面穩(wěn)定性較接近,而在工況7(蓄水地震)條件下,田三滑坡體的失穩(wěn)概率為21.93%,受蓄水影響較大,穩(wěn)定性差。

3 結 語

a.卡拉水電站工程區(qū)田三滑坡體隨著坡面隆起和坡內擴容加劇,在外界作用下更易失穩(wěn)破壞;其層面與節(jié)理裂隙的不良組合為滑坡體變形失穩(wěn)提供了邊界,陡傾坡內的裂隙為地下水入滲創(chuàng)造了條件。通過對降雨、庫水水位升降和地震等外在因素的敏感性分析,可知滑坡體在天然狀況下不存在產(chǎn)生和保持高孔隙水壓力的水文地質條件,水庫蓄水將改變地下水的賦存條件,庫水位驟升驟降對滑坡體的穩(wěn)定性影響較大;在短期降雨條件下,滑坡體穩(wěn)定性降低不多,但是隨著降雨時間增長滑坡體失穩(wěn)概率增加;地震峰值對滑坡體穩(wěn)定性影響較為明顯。

b.基于蒙特卡洛模擬思想,在巖土參數(shù)概率密度函數(shù)已知的條件下采用Risk軟件進行抽樣,將數(shù)據(jù)錄入GEO-SLOPE軟件中進行計算,得到滑坡體7種工況下的失穩(wěn)概率。從計算結果可知,在蓄水地震工況下,C區(qū)失穩(wěn)概率較大,該工況下處于不安全狀態(tài)。另外,滑坡體受蓄水和暴雨的影響較大,穩(wěn)定性變差。

[1]崔芳鵬,胡瑞林.青海八大山滑坡群形成機制及穩(wěn)定性評價研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(4)：848-857.(CUI Fangpeng,HU Ruilin.Study on formation mechanism and stability evaluation of badashan landslide group in Qinghai province[J].Chinese Journal of RocKMechanics and Engineering,2008,27(4)：848-857.(in Chinese))

[2]吉鋒,鐘湖平.雅礱江中游某特大型滑坡,基本特征及穩(wěn)定性初步分析[J].南水北調與水利科技,2010,8(5)：92-94.(JI Feng,ZHONG Huping.Characteristics and stability of a largelandslideinthe Yalong river[J].South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology,2010,8(5)：92-94.(in Chinese))

[3]鄧建輝,陳菲.瀘定縣四灣村滑坡的地質成因與穩(wěn)定評價[J].巖石力學與工程學報,2007,26(10)：1945-1950.(DENG Jianhui,CHEN Fei.Geological origin and stability evaluation of siwancun landslide in luding county[J].Chinese Journal of RocKMechanics and Engineering,2007,26(10)：1945-1950.(in Chinese))

[4]謝飛鴻,王錦山,尹伯悅.成南高速公路滑坡穩(wěn)定性分析及治理[J].巖石力學與工程學報,2005,24(增刊2)：5795-5798.(XIEFeihong,WANG Jinshan,YIN Boyue.Landslide analysis and treatment in the areaof cheng-nan expressway[J].Chinese Journal of RocKMechanics and Engineering,2005,24(Sup2)：5795-5798.(in Chinese))

[5]李紅英,譚躍虎,趙輝.卡拉水電站上田滑坡體穩(wěn)定性分析及評價研究[J].地質與勘探,2012,48(2)：359-365.(LI Hongying,TAN Yuehu,ZHAO Hui.Stability analysis and assessment research of Shang tian landslide of Kala Hydropower[J].Geology and Prospecting,2012,48(2)：359-365.(in Chinese))

[6]祝玉學.邊坡可靠性分析[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1993.

[7]陳祖煜.土質邊坡穩(wěn)定分析：原理方法程序[M].北京：中國水利水電出版社,2003.

[8]張廣文,劉令瑤.確定隨機變量概率分布的推廣Bayes法[J].巖土工程學報,1995,17(3)：91-94.(ZHANG Guangwen,LIU Lingyao.Theimproving Bayes method to determine probability distribution of random variable[J].Journal of Geotechnical Engineering,1995,17(3)：91-94(in Chinese))

[9]徐軍,雷用,鄭穎人.巖土參數(shù)概率分布推斷的模糊Bayes方法探討[J].巖土力學,2000,21(4)：394-396.(XU Jun,LEI Yong,ZHENG Yingren.The research of Probability distribution and Bayes method on geotechnical parameter[J].RocKand soil Mechanics,2000,21(4)：394-396.(in Chinese))

[10]李夕兵,宮鳳強.巖土力學參數(shù)概率分布的推斷方法研究綜述[J].長沙理工大學學報：自然科學版,2007,4(1)：1-8.(LI Xibing,GONG Fengqiang.A research review of the method to deduce the probability distribution of geotechnical mechanics parameters[J].Journal of Changsha University of Science and Technology：Natural Science,2007,4(1)：1-8.(in Chinese))

[11]盛驟,謝式千,潘承毅,等.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].北京：高等教育出版社,1989.

[12]趙國藩,金偉量.結構可靠度理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出社,2000.

[13]袁景,張秀麗.基于Monte-Carlo方法的邊坡可靠性分析[J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(增刊)：10-12.(YUAN Jing,ZHANG Xiuli.Slope reliability analysis based on the monte-carlo method[J].Liaoning Engineering Technology University Journals,2005,24(Sup)：10-12.(in Chinese))

[14]趙輝,譚躍虎,徐輝,等.雅礱江上田邊坡可靠性蒙特卡洛方法綜合運用[J].地下空間與工程學報,2010,6(5)：938-945.(ZHAOHui,TAN Yuehu,XU Hui,et al.Application of Monte-Carlo method to Shangtian landslide's reliability analysis.[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(5)：938-945.(in Chinese))