唐軍峰，唐雪梅，曾向農(nóng)，楊 軍，李學(xué)政

1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014 2.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，長沙 410151 3.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410004

0 引言

我國是世界上擁有水庫大壩最多的國家，據(jù)統(tǒng)計，截至2017年底，我國已擁有水庫大壩9.8萬余座[1]。與此同時，水庫庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為一個日益嚴(yán)峻的課題，特別是在水庫蓄水和水庫運行過程中的水位升降，經(jīng)常會誘發(fā)庫岸新老滑坡體的產(chǎn)生和復(fù)活。以三峽庫區(qū)為例，自2003年開始蓄水，先后發(fā)生多起滑坡，如2003年的千將坪滑坡，2008年的涼水井滑坡、巫峽龔家方岸坡破壞，2009年的神女溪青石滑坡，2015年的巫山紅巖子滑坡等[2-4]。統(tǒng)計資料表明，水已經(jīng)成為引發(fā)庫岸滑坡最主要、最活躍的因素，庫水位變化導(dǎo)致的滑坡和邊坡失穩(wěn)已經(jīng)成為庫岸邊坡最常見和最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[5-7]。

國內(nèi)外專家學(xué)者對庫岸滑坡已有較多研究，包括基于現(xiàn)場調(diào)查和反演的成因機制研究、模型研究、監(jiān)測資料分析研究等[8-13]。在堆積體的變形破壞機制研究方面：徐湘濤等[14]在調(diào)研紫坪鋪水利樞紐工程左岸壩前堆積體過程中發(fā)現(xiàn)，水庫運行期間，堆積體可能發(fā)生表層蠕滑變形和局部坍塌現(xiàn)象，且存在整體沿底部、整體沿腰部、局部沿底部和局部沿腰部等4種可能的失穩(wěn)模式；張玉等[15]在研究古水水電站爭崗特大滑坡堆積體時，認(rèn)為其在天然工況下即整體沿貫通底滑面發(fā)生蠕變，并采用數(shù)值方法評價了堆積體的穩(wěn)定性；江文才等[16]采用數(shù)值方法研究發(fā)現(xiàn)，三峽堆積體邊坡在天然無降雨工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在用強度折減法分析臨界狀態(tài)時，堆積體與邊坡基巖交界處有明顯的剪應(yīng)變增量帶,很有可能形成滑動破壞帶；丁鳳鳳等[17]在研究毛家河水電站堆積體邊坡時，發(fā)現(xiàn)堆積體上建筑物的運行加上降雨的作用，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，暴雨情況下可能會產(chǎn)生滑動。

三板溪水電站位于貴州省清水江中游河段，東嶺信庫岸邊坡位于三板溪水電站上游劍河縣境內(nèi)，距離下游大壩壩址80 km，與上游劍河縣柳川鎮(zhèn)直線距離僅0.8 km(圖1)，緊臨水庫，庫岸主要由滑坡堆積體組成，為一古滑坡體，方量約2×107m3。2006年1月，三板溪水電站開始下閘蓄水，至2007年7月，東嶺信河段庫水位由蓄水前的428.00 m高程蓄至472.00 m高程，上升幅度達到44.00 m。7月下旬，巡查發(fā)現(xiàn)東嶺信邊坡坡面和坡頂后緣出現(xiàn)多條張拉裂縫，坡體出現(xiàn)變形，并有不斷發(fā)展的趨勢。一旦邊坡整體失穩(wěn)，可能形成堵江堰塞體，甚至威脅到上游的柳川大橋和柳川鎮(zhèn)。因此，需對東嶺信堆積體邊坡進行系統(tǒng)分析和穩(wěn)定性研究。

圖1 東嶺信滑坡堆積體地形地貌Fig.1 Topography and geomorphology of Donlingxin landslide deposit

本文以三板溪水電站庫岸堆積體邊坡為例，基于現(xiàn)場詳細(xì)的地質(zhì)勘察和監(jiān)測資料，系統(tǒng)研究了邊坡堆積體的結(jié)構(gòu)特征；在多年監(jiān)測成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了多年來的邊坡變形監(jiān)測成果；最后，采用離散元數(shù)值方法，對邊坡蓄水前后的穩(wěn)定性進行了計算分析和評價，為同類工程提供參考。

1 堆積體邊坡結(jié)構(gòu)特征

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

東嶺信堆積體前緣至河床高程420 m，后緣坡頂高程700 m，水平順河流向長度520 m，變形體方量約2×107m3。堆積體所處地區(qū)地層主要為板溪群清水江組第一段和第四系，主要巖性為淺灰色厚層塊狀變余凝灰質(zhì)砂巖?；露逊e物厚度一般為18～96 m，最大厚度約156 m，主要由巖塊碎石、碎裂巖體和少量粉質(zhì)黏土組成：Q①(含碎塊石粉質(zhì)黏土)、Q②(塊、碎石夾粉質(zhì)黏土)、Q③(破碎巖體，局部含粉質(zhì)黏土)、Q④(含礫及碎石粉質(zhì)黏土)。堆積體具有一定的分層特性，但分布不均：主要層為Q③，厚度最大可達100 m；Q②在其上下部均有分布，Q①位于頂層，Q④位于底層，形成滑帶。研究區(qū)平面圖如圖2所示，具體分層見圖3。

圖2 東嶺信堆積體邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering Geological plane at Donlingxin landslide deposit

圖3 東嶺信堆積體邊坡2-2′地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geologic section of Donlingxin deposit slope

東嶺信滑坡堆積體位于劍河區(qū)域性斷層SE盤，岸坡巖層45°～75°∠10°～20°，總體傾向坡外偏上游，為斜交順向坡。區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理裂隙相對發(fā)育，節(jié)理以NNE和NNW向為主，其他方向節(jié)理尚有零星分布。堆積體范圍內(nèi)及周邊河床岸邊見有NE、NEE緩傾角結(jié)構(gòu)面和近EW向橫河向陡傾斷層，該組斷層控制東嶺信滑坡體側(cè)向切割面，同時巖層中局部存在層間夾層或?qū)娱g錯動等軟弱結(jié)構(gòu)面。

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型按含水層性質(zhì)分為2類：即松散堆積物中的孔隙水和基巖裂隙水。其中，孔隙水主要分布于滑坡堆積體、殘坡積物以及部分全風(fēng)化巖石中。分布于殘坡積物和全風(fēng)化巖石中的地下水埋藏深度不大，接受大氣降水補給，下滲于基巖裂隙中或直接排入沖溝；分布于滑坡堆積體中的地下水接受基巖裂隙水和大氣降水補給，主要排泄于河谷中，具有基本統(tǒng)一的潛水面，一般埋藏深度較大，最大埋深近90 m，水位變幅較小，但滑坡堆積體前緣受堆積體結(jié)構(gòu)特征影響，地下水水位變幅與庫水位變幅基本一致；堆積體局部存在小范圍上層滯水，主要接受大氣降水補給，范圍小、埋深淺，排泄于堆積體地表或下滲于堆積體中。

1.2 堆積體結(jié)構(gòu)特征及地下水

為了研究東嶺信堆積體的變形規(guī)律，對其進行了一系列勘察測繪工作。為了提高邊坡排水效果，分別在高程500和580 m處共施工了兩條排水隧洞，并在每條排水隧洞洞內(nèi)施工了排水孔，用于疏排坡體內(nèi)地下水。排水洞為城門洞型，尺寸3.0 m(寬)×3.4 m(高)，長度分別為1 290和1 165 m；排水孔孔徑為110 mm，長度30～50 m。通過對堆積體的勘察和排水洞的施工開挖，可以更加方便地研究邊坡堆積體的結(jié)構(gòu)特征。

1)滑體

東嶺信滑坡堆積體地表大部分為粉質(zhì)黏土夾碎、塊石等覆蓋，前期在邊坡前緣因開挖公路，揭露出堆積體表部主要為松動破碎巖體，出露巖石多呈強風(fēng)化；公路開挖邊坡坡面中部以松動的強至弱風(fēng)化破碎巖體為主，局部夾泥，坡面周邊以土夾石為主；公路以下岸坡主要覆蓋塊、碎石等崩坡積物。堆積體北西側(cè)山脊和沖溝內(nèi)、南側(cè)沖溝中下部及堆積體前緣北側(cè)出露有完整性較好基巖(圖4)。

鉆孔揭露的情況顯示，堆積體巖性主要為變余凝灰質(zhì)砂巖、變余層凝灰?guī)r、條帶狀凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，其整體性、連續(xù)性較好，巖體弱至強風(fēng)化，基本保留原層面形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，但紋理傾角較陡(圖5)，巖層產(chǎn)狀與堆積體周邊基巖產(chǎn)狀相差較大。

圖4 東嶺信堆積體地表特征Fig.4 Surface character of Donglinxin slope

圖5 堆積體鉆孔巖心Fig.5 Drilling core of the deposit slope

兩個排水洞開挖過程中揭露的滑體(堆積體)結(jié)構(gòu)更為直觀(圖6和圖7)。由圖6和圖7可知，堆積體可見明顯的層面和節(jié)理裂隙分布，受層間擠壓，滑帶附近大部分巖體較破碎。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面兩組，產(chǎn)狀分別為10°～50°∠54°～88°和150°∠10°～15°。

圖6 1號排水洞揭露的堆積體結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the drainage tunnel No. 1

圖7 2號排水洞揭露的堆積體結(jié)構(gòu)Fig.7 Deposit of the drainage tunnel No. 2

2)滑帶

滑坡堆積體滑帶位于滑坡堆積體底部滑面以上(圖6)，以灰褐色、灰黃色、黃色、灰色含礫粉質(zhì)黏土為主，堆積體前緣該層內(nèi)含部分碎石。含礫粉質(zhì)黏土一般呈可塑狀，厚度0.5～3.0 m不等。

3)滑床

滑床基巖主要為板溪群清水江組淺灰色厚層塊狀變余凝灰質(zhì)砂巖、條帶狀凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)板巖和灰色中厚層狀變余層凝灰?guī)r，巖石堅硬，屬硬質(zhì)巖類(圖6)。層面產(chǎn)狀20°∠16°，總體傾向坡外偏上游。

4)地下水

根據(jù)勘探資料，邊坡堆積體內(nèi)地下水主要為孔隙潛水，局部存在上層滯水。排水洞開挖顯示，部分洞段揭穿含水層時，局部出現(xiàn)洞頂坍塌，水流攜帶泥夾塊、碎石塌落，涌水量達30～40 L/min(圖8)。排水洞完成后，經(jīng)過多年運行，部分排水孔流量依然較大，部分排水孔出水量可達10～20 L/min，雨季時明顯增大。

圖8 1號排水洞3#支洞涌水塌方Fig.8 Water inflow and collapse of the drainage tunnel No.1 at branch tunnel No.3

2 水庫蓄水后邊坡變形特征

監(jiān)測是進行邊坡分析和宏觀判斷的最重要手段[18-20]。本次邊坡監(jiān)測包括地表變形、地表裂縫監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、地下水及流量監(jiān)測。

1)地表變形

圖9給出了堆積體邊坡地表水平位移和垂直位移歷時曲線。由圖9可知，監(jiān)測初期，堆積體邊坡變形曲線斜率較大，即變形速率較大；測得的水平變形最大速率為0.07 mm/d，垂直變形最大速率為0.04 mm/d。2011年底，排水洞及洞內(nèi)排水孔施工基本完成，邊坡的變形速率降至0.01～0.04 mm/d(圖10)。

a.水平位移; b.垂直位移。圖9 堆積體邊坡位移歷時曲線Fig.9 Displacement curves of the deposit slope

圖10 排水洞施工前后水平位移變形速率變化柱狀圖Fig.10 Columnar section of displacement change before and after the drainage tunnel finished

根據(jù)實際觀測資料，邊坡變形仍處于緩慢發(fā)展階段，部分測點趨于收斂。

2)地表裂縫

地表裂縫主要出現(xiàn)在東嶺信邊坡的后緣，最早發(fā)現(xiàn)于2007年7月底(即蓄水結(jié)束階段)，為張拉裂縫，觀測到的裂縫歷時曲線見圖11。由圖11可知，裂縫最大張裂寬度為75 mm左右。

LF1，LF2，…，LF5為裂縫編號。圖11 裂縫變形歷時曲線Fig.11 Deformation curve of crack

3)深部位移

邊坡的深部位移變形歷時曲線見圖12。根據(jù)變形監(jiān)測成果，在距離邊坡地表垂直深度60～70 m處，曲線出現(xiàn)明顯的拐點。該深度處于邊坡的滑動面Q④(圖3)附近，滑動方向垂直河水流向，與地表位移觀測方位一致。

深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：監(jiān)測初期，孔口1 m左右的變形速率較大，為0.05 mm/d；截至2016年底，孔口段的變形速率大幅減少，達到0.008 mm/d。這表明該部位的變形呈現(xiàn)逐年減緩趨勢，趨于收斂。

4)地下水位及排水洞流量變化

典型的鉆孔地下水位觀測曲線見圖13。由圖13可知，堆積體內(nèi)地下水位的波動隨季節(jié)變化明顯：每年的雨季時(5—9月)地下水位顯著升高，其余季節(jié)呈小幅波動。根據(jù)邊坡不同部位各孔的觀測資料，最大幅度波動可超過10 m。

邊坡的排水洞流量觀測曲線如圖13所示：雨季時洞內(nèi)流量明顯增大，其余季節(jié)流量顯著回落。

地下水位和排水洞流量觀測結(jié)果均表明，邊坡地下水位升高與雨季時的降雨具有明顯的相關(guān)性。

3 堆積體成因及變形機制

3.1 堆積體成因

如前所述，東嶺信堆積體邊坡三面環(huán)山，東側(cè)臨水，南側(cè)和北側(cè)均被沖溝切割(圖1)，下伏基巖為緩傾順層向結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場查勘及變形特征分析，堆積體以塊狀、碎塊狀巖體為主，結(jié)構(gòu)面清晰，部分結(jié)構(gòu)面充填黏土。圖1顯示堆積體水平向分層明顯，但層序較亂：地層表部為Q①和Q②，但其下部的Q③和Q④層之間夾有 Q①和Q②。分析認(rèn)為堆積體為來自于山體后緣的古滑坡體，后緣山體的巖體滑動至當(dāng)前部位，覆蓋住原來的地表，形成目前看似雜亂的結(jié)構(gòu)形態(tài)，但堆積體內(nèi)部仍保持有兩組明顯的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分布。

3.2 堆積體變形機制

2007年5月底至7月底，東嶺信河段水位由蓄水前的428.00 m高程上升至472.00 m高程，上升幅度達到44.00 m(圖14)。分析認(rèn)為，蓄水前，邊坡前緣的堆積體位于水面以上，不受河水位影響；蓄水后，受河水位影響的堆積體方量劇增。受水的作用，處于前緣阻滑段的堆積體抗剪強度降低，加之庫水位上升時間短、幅度大，水的作用對堆積體強度的弱化效應(yīng)愈加明顯，從而激活了古滑坡體，導(dǎo)致邊坡開始出現(xiàn)緩慢變形。

a.ZK11-2測斜孔；b.ZK15-2測斜孔。圖12 測斜孔變形歷時曲線Fig.12 Deformation curves of the hole with clinometer

圖13 地下水位及排水洞流量曲線Fig.13 Curves of underground water level and drainage flow of the drainage tunnels

排水洞及排水孔施工后，有效降低了坡體內(nèi)的地下水位，大幅減緩了邊坡的變形速率，部分測點變形出現(xiàn)收斂趨勢。

圖14 東嶺信河段庫水位蓄水過程曲線Fig.14 Curve of impoundment at Donlingxin reach

4 蓄水前后邊坡離散元計算與分析

為了研究東嶺信堆積體邊坡的穩(wěn)定性，采用數(shù)值方法對其進行計算分析。堆積體主要為塊石夾泥質(zhì)物，結(jié)構(gòu)面清晰，優(yōu)勢節(jié)理明顯，故在計算中按照巖體結(jié)構(gòu)處里；由于巖體結(jié)構(gòu)的變形和強度具有明顯的各向異性特點，因此，不能將其視為簡單的連續(xù)介質(zhì)，而采用基于非連續(xù)介質(zhì)理論的離散元法是處理該類巖體力學(xué)問題的理想方法[21]。

本次計算采用二維離散元程序UDEC建立計算模型，研究東嶺信邊坡在庫水位邊坡變化前后的力學(xué)特性。其中，巖石采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系，不連續(xù)面(節(jié)理面和滑動面)采用Coulomb滑動屈服準(zhǔn)則。與Flac系列軟件相似，UDEC在計算過程中，對強度系數(shù)不斷進行自動折減，當(dāng)模型處于非平衡狀態(tài)時，認(rèn)為達到不穩(wěn)定狀態(tài)，這時的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。本次計算模型中，考慮到堆積體物質(zhì)組成差別不是很大，故采用同一強度，并考慮了兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。參考前期勘察階段大量的試驗工作，綜合分析工程區(qū)巖體力學(xué)屬性，得到巖層和滑面與節(jié)理裂隙物理力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2。

計算模型充分考慮蓄水前、蓄水后的水位情況，通過調(diào)整巖體結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)模擬地下水位以下巖土體的浸水軟化，分析邊坡巖土體力學(xué)特征和穩(wěn)定性[22]。本次計算分析對地下水位線以下部分巖體滑面、層面和節(jié)理裂隙的抗剪強度參數(shù)值進行適當(dāng)調(diào)整，將內(nèi)摩擦角和粘聚力值下調(diào)至正常工況下的80%(見表2中括號內(nèi)數(shù)值)，用于模擬浸水軟化狀態(tài)下的參數(shù)變化。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 滑面與節(jié)理裂隙物理力學(xué)參數(shù)

注：括號內(nèi)數(shù)值為浸水軟化狀態(tài)下的值。

圖15給出了邊坡蓄水前、蓄水后的塑性區(qū)分布和穩(wěn)定性計算結(jié)果。

圖15 邊坡蓄水前(a)、蓄水后(b)的塑性區(qū)分布和穩(wěn)定性Fig.15 Plastic zone and stability of the deposit slope before (a) and after (b) impounding

1)蓄水前，邊坡滑體與基巖交界處的滑動面出現(xiàn)多處塑性區(qū)，但在邊坡后緣、滑動面的中部和滑坡前緣尚未出現(xiàn)完全貫通的塑性區(qū)。此時的穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，安全余度較小，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)(圖15a)。

2)蓄水結(jié)束時，邊坡坡體內(nèi)塑性區(qū)迅速增大，主要出現(xiàn)在堆積體滑面前部和后緣(與蓄水前相比，塑性區(qū)面積增加了77%)，此時，除了滑坡前緣，滑動面的塑性區(qū)已經(jīng)大部分處于貫通狀態(tài)。計算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，表明邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)(圖15b)。

根據(jù)計算結(jié)果，總體上邊坡的滑動面近似于圓弧狀，從邊坡后緣拉裂，在邊坡前緣剪出，與監(jiān)測資料基本一致，滑動面位于Q④層。

5 結(jié)論

1)東嶺信堆積體邊坡主要以塊狀、碎塊狀巖體為主，部分結(jié)構(gòu)面夾黏土，節(jié)理裂隙發(fā)育，可見明顯的兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。分析認(rèn)為，堆積體為來自于山體后緣的古滑坡體。

2)水庫蓄水前，堆積體基本不受庫水位影響；蓄水后受庫水位影響的堆積體方量劇增，導(dǎo)致抗剪強度降低，加之蓄水水位上升時間短(兩個月)、幅度大(上升了40.00 m)，水的作用對堆積體強度的弱化效應(yīng)愈加明顯，激活古滑坡體，從而出現(xiàn)緩慢變形。

3)排水洞、排水孔的施工對降低坡體原有地下水、緩解變形有積極作用。監(jiān)測資料顯示，目前邊坡整體上處于緩慢變形階段，部分測點趨于收斂。

4)計算結(jié)果顯示，蓄水前邊坡的安全余度較小，蓄水結(jié)束后邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的滑面呈圓弧狀，后緣拉裂，前緣剪出，與監(jiān)測資料基本一致。