何健保，楊 何，繆 信

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川成都610059)

0 引言

水庫庫岸滑坡穩(wěn)定性研究對確保水電工程建設(shè)的順利進(jìn)行及其正常運營具有重大意義［1］。水庫誘發(fā)滑坡主要通過影響滑坡區(qū)內(nèi)的地下水分布來改變滑坡內(nèi)部滲流場、應(yīng)力場［2］。在日本，大約60%的水庫滑坡發(fā)生在庫水位驟降時期［3］。三峽水庫從2007年以來對非汛期庫水位下降速率進(jìn)行了嚴(yán)格控制，然而，控制消落期庫水位下降速率在某種程度上限制了防洪和蓄水發(fā)電效益發(fā)揮。開展三峽水庫水位日降幅對庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程影響的調(diào)查評價研究，分析論證在非汛期增加庫水位下降速率的可行性，從而進(jìn)一步明確或調(diào)整三峽水庫消落期庫水位下降控制速率，具有重大現(xiàn)實意義和科學(xué)價值［4］。

本文以三峽庫區(qū)棗子樹包滑坡為例，分析了滑坡成因機(jī)理，定性評價了滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，采用Geo－Studio軟件對滑坡在增大庫水位日降幅下的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為確保滑坡的整體穩(wěn)定及水庫的安全運營，對滑坡采取了抗滑樁治理措施。研究路線和成果可為工程地質(zhì)條件相似地區(qū)的滑坡穩(wěn)定性評價和防治提供參考。

1 滑坡基本概況

棗子樹包滑坡為一堆積層下伏基巖的大型順層滑坡，位于三峽庫區(qū)巫山縣大溪鄉(xiāng)，長江左岸。平面上為舌型，左右邊界都為滑坡側(cè)面滑動面，后緣壁形態(tài)明顯，后緣高程210 m，前緣直抵長江水位以下，高程約為103 m，主剖面長度約330 m，寬約350 m，面積約為12.95×104m2，體積約為323×104m3，滑坡平均坡度為18°?；麦w中部有一平臺，為軍營村村民居住地。滑體物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土夾碎塊石，前緣和中部沖溝附近可見塊狀破碎滑塊，原巖為紫紅色泥巖和白色灰?guī)r，下伏基巖為三疊系巴東組紫紅色泥巖和白色灰?guī)r互層，產(chǎn)狀為162°∠40°。該區(qū)域地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水，受地形、水文氣象的控制，具有季節(jié)性變化特點。自三峽蓄水以來，加之強(qiáng)降雨的影響，滑坡開始出現(xiàn)變形跡象，變形主要集中在受庫水位直接影響的前緣，以局部塌岸為主，由圖1(滑坡全貌圖)可見滑體被一沖溝分為左右2個大分區(qū)，右側(cè)滑體右前緣出現(xiàn)下坐跡象，滑坡后緣壁出露明顯，坡體中部居民房屋墻體發(fā)育有縱向裂縫，東西兩端邊界暫未發(fā)現(xiàn)貫通的變形，由此可知滑坡還未出現(xiàn)整體變形。

圖1 滑坡全貌圖

2 滑坡成因機(jī)理分析

滑坡下伏基巖順向坡外，傾角40°，為中—陡傾外層狀斜坡，此外，灰?guī)r和泥巖互層的基巖具有較強(qiáng)的延性，這是產(chǎn)生滑移－彎曲破壞的巖體結(jié)構(gòu)條件［5］。在構(gòu)造運動時期，岸坡巖體伴隨地殼抬升，此時巖體中構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力得到釋放，斜坡的滑移控制面傾角大于該面的峰值摩擦角，上覆巖體具備沿滑移面下滑的條件，但由于滑移面未臨空，致使下滑受阻，坡腳處順層板梁承受縱向壓應(yīng)力，繼而發(fā)生彎曲變形，隨著變形量不斷增大，巖層折斷，沿軟層從岸邊附近剪出，形成滑坡堆積體。堆積體經(jīng)過后期漫長的改造和應(yīng)力調(diào)整，形成了蓄水之前的形態(tài)并保持良好穩(wěn)定性。三峽蓄水以來，滑坡體前緣長期浸泡于庫水位以下，巖土體軟化后強(qiáng)度減小降低了抗滑力。此外，庫水位下降時由于水頭差產(chǎn)生的動水壓力進(jìn)一步增大了下滑力，加之大型船舶的涌浪不斷沖刷掏空庫岸，使得上部滑體失去下部支撐而產(chǎn)生變形，并呈現(xiàn)出漸進(jìn)后退式的滑坡模式。

3 穩(wěn)定性分析

3．1 定性評價

根據(jù)實際勘察分析可知，滑坡前緣變形最嚴(yán)重，中部次之，后緣和左右邊界未見貫通性的裂縫。初步分析庫水位保持0.6 m/d的下降速度下，滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀況。如果進(jìn)一步增大庫水位日降幅，在遇到持續(xù)暴雨天氣的誘發(fā)因素下，滑坡發(fā)生局部甚至整體失穩(wěn)的可能性較大。

3．2 數(shù)值模擬計算

基于飽和－非飽和土及剛體極限平衡理論［6］，采用Geo－Studio軟件中SEEP模塊計算滑體的滲流場，并將計算得到的孔隙水壓力用于滑體的極限平衡分析中，分析在增大庫水位日降幅條件下滑坡穩(wěn)定性情況。

3．2．1 計算模型

選取突出滑坡主要特征的縱剖面，建立了該滑坡的力學(xué)模型(見圖2)，其左邊界為定水頭邊界，右邊界為變化水頭邊界，上邊界在疊加暴雨工況時為單位流量邊界，下邊界為不透水邊界。

圖2 計算模型

3．2．2 計算參數(shù)和工況

綜合對滑坡工程地質(zhì)勘察資料統(tǒng)計、類比與反算分析，確定計算采用的參數(shù)值(見表1)。

表1 滑坡計算參數(shù)

根據(jù)《三峽水庫水位日降幅對庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程影響的調(diào)查評價研究工作技術(shù)要求》，選取0.6、0.8、1.0、1.2 m/d 的速度從 159 m 下降至 145 m，并在1.2 m/d的庫水位日降幅下從第10天開始疊加80 mm/d的暴雨3日，計算分析5種工況下滑坡計算剖面的整體穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)展趨勢。

3．2．3 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值計算，得到5種不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)變化結(jié)果(見圖3)，由圖3可知:隨著庫水位的下降，5種工況下滑體穩(wěn)定系數(shù)都逐漸減小，并在最低設(shè)計水位145 m時穩(wěn)定性最差;在相同庫水位高度下，庫水位日降幅越大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越小;在不考慮暴雨的情況下，前面4種工況下的滑坡最后穩(wěn)定性系數(shù)都能維持在1.05～1.10之間(處于基本穩(wěn)定狀態(tài))，疊加3日暴雨后，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)(低于1.05，處于欠穩(wěn)定狀態(tài))明顯下降，可見相對于庫水位日降幅，強(qiáng)降雨對該滑坡穩(wěn)定性影響更大。

圖3 不同庫水位下降速率穩(wěn)定性系數(shù)變化

滑坡穩(wěn)定性隨庫水位下降而降低，主要是由于滑體滲透系數(shù)小于庫水位下降速率，相應(yīng)的其地下水水位下降滯后于庫水位下降，由此產(chǎn)生指向坡外對滑體穩(wěn)定性不利的滲透壓力;庫水位下降速率越大，這種滯后效應(yīng)越明顯，產(chǎn)生更大的滲透壓力;同時強(qiáng)降雨不斷補(bǔ)給滑坡體地下水，造成地下水水位上升形成更大的水頭差。

4 抗滑樁加固設(shè)計

根據(jù)上述的穩(wěn)定性分析可知，滑坡體在最不利工況處于整體欠穩(wěn)定狀態(tài)，但是滑坡巖土體長期在庫水浸泡軟化作用下強(qiáng)度會有所折減，加上人類工程活動的影響，該滑坡的穩(wěn)定性狀況會更差，應(yīng)加一些防護(hù)措施使其保持穩(wěn)定。

抗滑樁具有抗滑能力強(qiáng)、適用條件廣泛、施工安全簡便，并能核實地質(zhì)條件等突出優(yōu)點，是滑坡治理工程中常用的措施之一。鑒于此，筆者采用抗滑樁的加固措施對滑坡進(jìn)行治理，設(shè)計安全系數(shù)為1.15。

4．1 滑坡下滑力計算及設(shè)計安全系數(shù)的實現(xiàn)

假定滑坡處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場試驗、調(diào)查資料，擬定滑動面的c、φ值，通過傳遞系數(shù)法計算得到滑體前緣條塊的剩余下滑力并不斷調(diào)整c、φ值使之為零［7］。根據(jù)設(shè)計要求，將極限平衡狀態(tài)時的抗剪指標(biāo)(c、tanφ)同時除以1.15，通過計算得到滑體前緣剩余下滑力即為設(shè)計下滑力，設(shè)計安全系數(shù)即為1.15。

4．2 模型的建立

通過滑坡推力計算繪制滑體剩余下滑力曲線，抗滑樁樁位的確定主要依據(jù)剩余下滑力曲線，同時綜合考慮地形、地質(zhì)及現(xiàn)場施工條件等因素［8］，將樁位設(shè)置于推力曲線的下降段，即滑坡阻滑段(見圖4)。

根據(jù)滑坡推力大小、地形和地層性質(zhì)，在理正軟件中確定了抗滑樁的各個參數(shù)為:矩形型，樁長27 m，嵌入端9 m、截面高度3.5 m、截面寬度2.5 m、樁間距6 m。

圖4 抗滑樁位置布置

4．3 加固結(jié)果分析

通過計算，可繪制抗滑樁的內(nèi)力和位移圖，見圖5。

由圖5可以看出，樁身彎矩隨著深度的增加先增大后減小，在基覆界面附近處達(dá)到最大(8402.806 kN·m)，樁身背側(cè)受拉、面?zhèn)仁軌?樁身剪力在樁底附近最大(1696.175 kN)，在基覆界面附近剪力方向改變;樁身頂部位移最大(54 mm)，由位移隨深度的分布趨勢可知，該抗滑樁是剛性樁。

圖5 樁身內(nèi)力、位移計算結(jié)果

在滑體的下滑推力作用下，抗滑樁結(jié)構(gòu)受力的最不利位置在基覆界面附近，樁身的剪力、彎矩、位移大小都比較合理，能夠保證樁身的正常工作。鋼筋布置上，在確保樁身結(jié)構(gòu)安全的前提下，為了施工方便采用對稱配筋，背側(cè)和面?zhèn)瓤v筋(Ⅲ級鋼筋)面積都為17500 mm2，箍筋(Ⅱ級鋼筋)間距200 mm，面積為705 mm2。

5 結(jié)論

(1)棗子樹包滑坡為一堆積層下伏基巖的大型順層滑坡，早期由于岸坡巖體伴隨地殼抬升在構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力下產(chǎn)生滑移－彎曲破壞后堆積并經(jīng)過漫長改造形成，近年來在庫水位影響下滑坡前緣最先開始出現(xiàn)變形，并呈現(xiàn)出漸進(jìn)后退式的滑坡模式。

(2)根據(jù)滑坡結(jié)構(gòu)和變形特征，認(rèn)為滑坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在加大庫水位日降幅條件下，遇到強(qiáng)降雨時滑坡可能產(chǎn)生局部甚至整體失穩(wěn)破壞。

(3)通過數(shù)值模擬研究可知，該滑坡穩(wěn)定性隨庫水位下降而降低，庫水位下降速率越大，穩(wěn)定性降低越明顯;相對于庫水位下降速率，強(qiáng)降雨對滑坡穩(wěn)定性影響更加明顯。

(4)在穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，采用理正軟件對滑坡進(jìn)行抗滑樁加固設(shè)計，方法合理、效果顯著。樁位應(yīng)根據(jù)滑體剩余下滑力曲線設(shè)置在滑坡的抗滑段;抗滑樁結(jié)構(gòu)受力的最不利位置通常位于基覆界面附近，此處內(nèi)力大小可作為配筋計算依據(jù)。

［1］ 廖紅建，盛謙，高石夯，等．庫水位下降對滑坡體穩(wěn)定性的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(19):3454 －3458．

［2］ 劉貴應(yīng)．庫水位變化對三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響［J］．安全與環(huán)境工程，2011(5):26－28．

［3］ ［日］中村浩之．論水庫滑坡［J］．水土保持通報，1990，2(1):53－65．

［4］ 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部．三峽水庫水位日降幅對庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程影響的調(diào)查評價研究工作技術(shù)要求［R］．湖北宜昌:三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部，2014．

［5］ 張倬元，王士天，王蘭生，等．工程地質(zhì)分析原理(第3版)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2009．

［6］ 劉新喜，夏元友，張顯書，等．庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(8):1439 －1444．

［7］ 鐵道部第二勘察設(shè)計院．抗滑樁設(shè)計與計算［M］．北京:中國鐵道出版社，1983．

［8］ 胡新麗，張永忠，李長冬，等．庫水位波動條件下不同樁位抗滑樁抗滑穩(wěn)定性研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32(12):3679 －3684．