鄭 洪，楊志明，詹雙橋

(湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410007)

1 霧江滑坡體概況

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南永州市江華瑤族自治縣，為湘江支流瀟水第一個(gè)梯級(jí)，是具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水、發(fā)電并兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大(一)型水利水電樞紐工程。水庫正常蓄水位313.0m，最大壩高114m，總庫容15.1億m3，灌溉面積111.46萬畝，電站裝機(jī)容量200MW。大壩右岸布置一條發(fā)電洞、兩條泄洪洞、一條灌溉洞，左岸布置一條灌溉洞。

霧江滑坡體是一個(gè)典型的古滑坡體，滑坡體距大壩、泄洪洞進(jìn)口、發(fā)電洞進(jìn)口等主要建筑物較近，其下游邊緣距大壩約590m，距發(fā)電洞、1#泄洪洞、放空洞、2#泄洪洞、導(dǎo)流洞、右岸灌溉取水洞各隧洞進(jìn)口直線距離分別為350m、300m、230m、160m、140m、70m；左岸臨時(shí)交通洞洞口位于滑坡體正對(duì)岸。

滑坡體前緣順河向?qū)捈s570m，順坡縱向長710m，為順層滑坡，其底滑面為含角礫黏土或黏土，最大埋深達(dá)84m，探明滑坡體總體積為1327萬m3。

滑帶空間上呈簸箕型，前緣最低點(diǎn)低于河床，后緣拉裂呈階梯狀。按其地層性質(zhì)可以分為：表部坡積層，為含碎塊石黏土，弱透水，厚1～10m；上部散體結(jié)構(gòu)，為碎塊石、大塊石夾少量黏土，松散堆積，架空狀，中等—強(qiáng)透水，厚20～40m；中部剪切帶，為碎石質(zhì)黏土，厚0.3～1.0m；下部為似層狀巖體，碎裂結(jié)構(gòu)，中等—強(qiáng)透水，厚10～40m?；麦w平面及主滑剖面如圖1、2所示。

2 滑坡體性態(tài)

霧江滑坡恰處兩種巖性不同、力學(xué)性質(zhì)差異較大的地質(zhì)不整合接觸部位，如圖3、4所示，上覆泥盆系砂巖、石英砂巖，巖性堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)；下伏寒武系砂巖夾板巖，軟硬相間，易風(fēng)化剝蝕。早更新世初，地殼抬升，瀟水河谷下切，沿層面產(chǎn)生下滑深入河床；晚更新世初—全新世，河流側(cè)向侵蝕前緣阻滑體，破壞滑體平衡，滑體沿原有拉裂帶再次產(chǎn)生剪切解體滑動(dòng)；1970年涔天河老水庫建成蓄水初期，滑體前緣出現(xiàn)拉裂、局部崩塌變形。該滑坡屬基巖拉裂—順層滑移型古滑坡，通過了多次滑動(dòng)演變，近代一直存在蠕動(dòng)變形。

圖1 滑坡體平面圖

圖2 滑坡體主滑剖面圖

圖3

圖4

前期設(shè)計(jì)開展了大量的地勘與試驗(yàn)工作，共布置鉆孔15個(gè)、平硐13條、物探2183點(diǎn)、坑探2653m2、室內(nèi)外試驗(yàn)186組。地勘成果表明：滑坡體淺表層黏性土結(jié)構(gòu)隔水性強(qiáng)，且植被豐富；中下層松散、破碎巖體結(jié)構(gòu)透水性強(qiáng)；底滑帶弱透水，且長期處于地下水位以下。地勘試驗(yàn)獲得的滑帶力學(xué)參數(shù)普遍較低，據(jù)此計(jì)算滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)小于1.0，與滑坡數(shù)十年來一直處于緩慢蠕滑變形狀態(tài)不符，故地質(zhì)專業(yè)根據(jù)試驗(yàn)成果、滑坡現(xiàn)狀，經(jīng)參數(shù)反算和工程類比，綜合確定滑帶天然狀態(tài)摩擦系數(shù)0.38、凝聚力24kPa，飽和狀態(tài)摩擦系數(shù)0.33、凝聚力20kPa。

1998年1月建立了觀測網(wǎng)，設(shè)地表位移觀測墩7個(gè)、地下水位觀測孔6個(gè)；2011年安裝了3個(gè)測斜深孔。從地表變形觀測結(jié)果分析，滑坡一直處于緩慢的蠕滑變形狀態(tài)，前緣至后緣各監(jiān)測的位移具有由大變小的趨勢，整體年均變形量為9.2～10.2mm；測斜孔的觀測成果顯示，位移監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化振蕩明顯，且隨孔深的增加而逐漸減少，以地表變形為主；從地下水位觀測成果看，地下水位相對(duì)較穩(wěn)定，與降雨沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

該滑坡體與擴(kuò)建工程建筑物距離近，邊坡穩(wěn)定與建筑物安危直接相關(guān)，且當(dāng)前處于緩慢的蠕滑變形狀態(tài)，工程擴(kuò)建蓄水位提升近60m，尤其在庫水位驟降或暴(久)雨時(shí)，仍存在整體滑動(dòng)的可能性，滑坡體一旦失穩(wěn)，可能在水庫內(nèi)形成較大涌浪與堆積，危及大壩安全和淤塞壩前的發(fā)電、泄洪和引水等隧洞進(jìn)口。為確保工程安全，對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性及失穩(wěn)影響開展了系統(tǒng)的研究分析。

3 滑移模式及穩(wěn)定性分析

3.1 滑移特征

滑坡體外觀資料表明，從前緣至后緣各監(jiān)測點(diǎn)位移具有由大變小的趨勢；測斜孔內(nèi)部位移監(jiān)測資料表明，淺表位移大于深部位移，不同高程孔的變形量值也存在明顯差異，低部孔位移大于高部孔，且最大位移出現(xiàn)的時(shí)間存在滯后現(xiàn)象，表現(xiàn)為滑坡體下部變形引起上部變形，具有典型的牽引式滑動(dòng)特征。

武漢大學(xué)采用二維剛體極限平衡(Spencer)法，對(duì)老水庫蓄水位253.32m、施工期度汛水位275m和正常蓄水位313m三種工況進(jìn)行了代表性主滑縱斷面不同滑移模式的邊坡穩(wěn)定計(jì)算，成果見表1。

計(jì)算成果表明，隨著庫水位升高，沿滑帶抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)呈增大趨勢，整體具有牽引式滑坡的特點(diǎn)。

3.2 滑移模式

該滑坡體地表自上而下呈多級(jí)臺(tái)階狀分布，呈現(xiàn)出較明顯的3級(jí)分區(qū)；而地質(zhì)勘查表明，除存在明顯的底滑帶外，在主滑區(qū)地層中還存在中部剪切軟弱帶。結(jié)合地形地質(zhì)特征，開展了大量滑移模式(包括圓弧滑動(dòng)、沿滑帶滑動(dòng))的搜索計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)除前緣河岸存在小范圍圓弧滑動(dòng)崩岸可能外，主要有滑坡體整體、中下部滑體沿底滑面滑動(dòng)、前緣下部滑體內(nèi)圓弧滑動(dòng)以及中部滑體沿中部剪切軟弱帶滑動(dòng)等模式的滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，且上述4種模式在不同庫水位工況下表現(xiàn)出不同的安全度。因此確定重點(diǎn)對(duì)上述4種模式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

表1 主滑剖面不同滑移模式天然邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

武漢大學(xué)采用core-FEM軟件進(jìn)行三維有限元整體模擬，分析結(jié)果表明，縱2剖面在主滑方向上，穩(wěn)定、變形規(guī)律與剛體極限平衡法的分析結(jié)果吻合。中國水科院、三峽大學(xué)也開展了類似的計(jì)算分析，結(jié)果基本一致。

通過三家科研院所進(jìn)行的各庫水位工況、各滑移模式的海量計(jì)算分析，一致判定該滑坡體可能破壞的模式主要為整體滑移、中下部滑移及下部滑體內(nèi)滑動(dòng)。

3.3 參數(shù)反演

長期的監(jiān)測成果及現(xiàn)場坡表勘察信息表明該滑坡體處于基本穩(wěn)定—緩慢蠕滑變形狀態(tài)，因此三家科研院所獨(dú)立開展了滑體與滑帶力學(xué)參數(shù)的反演分析，分別進(jìn)行了二維剛體極限平衡及三維有限元法的穩(wěn)定與變形分析，長時(shí)間運(yùn)行工況按穩(wěn)定安全系數(shù)1.00～1.05考慮，短暫工況按0.95～1.00考慮，對(duì)老壩建成前天然河床水位230m、240m、老壩運(yùn)行水位245m、254m、施工期經(jīng)歷高洪水位267m及相應(yīng)水位暴雨、驟降等工況進(jìn)行了反演。各科研單位推薦的反演力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各科研單位反演力學(xué)參數(shù)成果

以試驗(yàn)成果、滑坡現(xiàn)狀反算參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程類比綜合確定滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)天然(水上)：f=0.4，c=25kPa；飽和(水下)f=0.38，c=21kPa。

3.4 天然邊坡穩(wěn)定分析

采用反演確定的滑帶力學(xué)參數(shù)，按二維剛體極限平衡(Spencer)法復(fù)核天然邊坡主滑剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)，見表3。

三家科研單位的穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果一致表明：①施工期、運(yùn)行期庫水位抬高后，邊坡穩(wěn)定性有不同程度的提高，高水位驟降的穩(wěn)定安全系數(shù)也大于經(jīng)歷的低水位驟降工況，因此從相對(duì)安全理念分析，該滑坡體在水庫擴(kuò)建蓄水后相對(duì)穩(wěn)定。②施工期、運(yùn)行期滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)均難以達(dá)到相關(guān)規(guī)范對(duì)2級(jí)邊坡的要求。③下部、中下部滑坡體局部滑移模式的穩(wěn)定安全系數(shù)低于整體滑移模式，尤其施工汛期水位在253～275m，安全系數(shù)低于1.05，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，設(shè)計(jì)分析認(rèn)為滑坡體前緣壓腳是必要的，經(jīng)計(jì)算分析表明也是十分有效的，結(jié)合現(xiàn)場施工條件與計(jì)算分析成果，初擬前緣壓腳高程250m，底部延伸至對(duì)岸河床，對(duì)岸坡腳預(yù)留約40m寬的“V”形過流斷面，并對(duì)此進(jìn)一步開展滑坡體失穩(wěn)影響分析。

表3 主滑剖面反演參數(shù)天然邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

4 失穩(wěn)影響分析

4.1 滑坡涌浪

4.1.1滑速計(jì)算

4.1.1.1 計(jì)算公式

滑速計(jì)算采用潘家錚法，假定滑坡為平面問題，沿光滑緩變的曲面滑動(dòng)，以縱2剖面為典型計(jì)算剖面，將滑體切分為多個(gè)垂直條塊，每一條塊按剛體處理，忽略條塊垂直界面的切向力，根據(jù)動(dòng)力平衡方程求解滑體的水平加速度，再根據(jù)滑動(dòng)歷時(shí)和滑距進(jìn)而求解滑速。

滑坡體水平及豎直方向加速度αx、αy計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中，

滑體下滑速度計(jì)算公式為：

(3)

4.1.1.2 計(jì)算成果

以主滑剖面縱2為計(jì)算對(duì)象，對(duì)“壓腳至250m高程的邊坡”分別按整體沿滑帶和中下部沿滑帶滑動(dòng)計(jì)算施工水位264.17m、運(yùn)行水位313m以及施工期和運(yùn)行期水位降落各工況的滑速?；麦w滑動(dòng)時(shí)滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)降為：正常水位工況c=0,f=f反演/1.2，施工期度汛工況及各水位驟降工況c=0,f=f反演/1.15。計(jì)算成果見表4。

表4 滑坡滑動(dòng)滑速計(jì)算成果

4.1.2涌浪計(jì)算

4.1.2.1 計(jì)算公式

(1)潘家錚公式。

對(duì)岸的最高涌浪為：

(4)

壩前的涌浪高為：

(5)

式中,k—波的反射系數(shù)，對(duì)岸k=1，壩前k=0.9。

(2)水科院經(jīng)驗(yàn)公式。

對(duì)岸的最高涌浪為：

(6)

壩前涌浪高度為：

(7)

式中,k—綜合影響因素，取均值k=0.12；k1—與滑坡至壩址距離有關(guān)的系數(shù)，對(duì)岸k=1，壩前k=0.9；n—系數(shù)，n=1.3～1.5。

4.1.2.2 計(jì)算成果

考慮該滑坡體前緣已深入河床，且進(jìn)行了20多米高的壓腳處理，以平均滑速計(jì)算所得涌浪高度更接近實(shí)際情況，故以計(jì)算的平均滑速進(jìn)行涌浪計(jì)算。涌浪計(jì)算成果分別見表5。

4.1.2.3 基于FLOW- 3D軟件的滑坡涌浪計(jì)算

采用Flow- 3D軟件，建立霧江滑坡三維整體模型，分析滑坡體在正常蓄水位313m時(shí)，對(duì)應(yīng)平均滑速3m/s、4m/s、5m/s，演算滑坡涌浪的時(shí)空分布，求得滑坡體對(duì)岸和壩前最大涌浪高見表6。

表5 滑坡涌浪計(jì)算成果

表6 FLOW- 3D涌浪計(jì)算成果

4.1.3涌浪影響

滑坡體穩(wěn)定敏感性分析及滑速、涌浪計(jì)算表明：滑帶力學(xué)參數(shù)下降15%～20%時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)最大涌浪發(fā)生在庫水位313m驟降工況下；各滑移模式條件下滑體呈緩慢滑動(dòng)、逐漸向河床淤積，沒有出現(xiàn)局部高速滑移現(xiàn)象；河床壓腳處理不僅能增大滑坡體整體穩(wěn)定性，還能明顯地減小邊坡下滑速度；潘家錚公式和水科院公式計(jì)算涌浪結(jié)果差異較大，但壩前涌浪量值不大，河床壓腳處理后，各滑移模式、各水位工況下最大涌浪4.5m。

涔天河水庫擴(kuò)建大壩設(shè)計(jì)預(yù)留涌浪高度5m，各進(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均考慮了5m涌浪荷載及超高，因此，滑坡體失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪不影響大壩及各隧洞進(jìn)水口等主要建筑物的安全。

4.2 失穩(wěn)形態(tài)及影響

通過非連續(xù)變形分析方法(DDA)對(duì)自然邊坡沿中下部滑動(dòng)、沿整體滑動(dòng)和壓腳至250m高程沿中下部滑動(dòng)、整體滑動(dòng)共4種不同滑移模式下的滑動(dòng)過程進(jìn)行模擬，計(jì)算得到滑坡后淤積范圍和入水方量。計(jì)算結(jié)果表明，各滑移模式條件下滑體整體為緩慢滑動(dòng)，逐漸向河床淤積，沒有出現(xiàn)局部高速滑移現(xiàn)象；4種滑動(dòng)模式均未完全堵塞河道，單寬入水滑體方量為2112～6102m3，占總滑體體積的11.87%～26.25%。具體計(jì)算成果見表7。

表7 滑坡失穩(wěn)形態(tài)模擬成果

整體滑移模式失穩(wěn)形態(tài)示意見圖5、6。

圖5 天然邊坡整體滑移形態(tài)

圖6 壓腳后邊坡整體滑移形態(tài)

通過滑坡滑動(dòng)距離及滑坡后休止角估算滑坡可能影響范圍，最大淤積高度約47m，影響范圍不超過130m，故滑坡失穩(wěn)后堆積形態(tài)對(duì)對(duì)岸的左岸臨時(shí)交通洞出口及距離最近的右岸灌溉洞進(jìn)口都不會(huì)有明顯影響。

5 治理措施

前期設(shè)計(jì)確定霧江滑坡體為2級(jí)邊坡，根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，各運(yùn)用條件下穩(wěn)定安全系數(shù)需達(dá)到1.05～1.25?；卢F(xiàn)狀處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，各工況下安全系數(shù)視為0.95～1.05，水庫擴(kuò)建抬高水位盡管不會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定安全度，但因滑體體積大(1327萬m3)，要使其安全系數(shù)提高15%～20%，達(dá)到2級(jí)邊坡的安全系數(shù)指標(biāo)，工程措施難度大、造價(jià)高，原設(shè)計(jì)削坡175萬方，壓腳265萬方(壓腳高程263m)，需破壞滑坡體12.8萬m2良好植被及相對(duì)隔水層并進(jìn)行有效支護(hù)，尤其265萬方壓腳施工與主體工程施工交通干擾巨大，施工度汛難度大，工期安排極其困難。

通過系統(tǒng)全面的穩(wěn)定性及失穩(wěn)影響分析，基于該滑坡體在水庫擴(kuò)建后相對(duì)安全和失穩(wěn)影響不嚴(yán)重等認(rèn)識(shí)，對(duì)降低邊坡安全等級(jí)與分步實(shí)施等方案進(jìn)行了專題論證。重點(diǎn)對(duì)如下兩個(gè)治理方案進(jìn)行了分析。

方案一：高壓腳+大削坡方案。在前期治理方案的基礎(chǔ)上，考慮反演力學(xué)參數(shù)的提高，適當(dāng)減小壓腳工程量，按2級(jí)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)控制。采用高壓腳(壓腳高程256.5m)、大削坡(175萬方)處理，輔以滑體外邊溝排水、坡面支護(hù)、安全監(jiān)測等措施。

方案二：低壓腳+排水洞+大削坡方案。利用現(xiàn)有碴料進(jìn)行低壓腳(壓腳高程250m，94萬方)，庫區(qū)交通改從滑帶下設(shè)交通洞穿過，交通洞設(shè)深排水孔加強(qiáng)滑帶排水；為了盡量避免滑坡體表面破壞，先適當(dāng)降低2級(jí)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(不低于3級(jí)邊坡標(biāo)準(zhǔn))實(shí)施“低壓腳+排水洞”，加強(qiáng)安全監(jiān)測，蓄水運(yùn)行如有變形加大跡象，再實(shí)施削坡減載(175萬方)及外邊溝排水、坡面支護(hù)等二期處理措施。

對(duì)兩個(gè)治理方案在施工期、運(yùn)行期各蓄水位及水位驟降等工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核表明：方案一滿足規(guī)范對(duì)2級(jí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要求；方案二在實(shí)施“低壓腳+排水洞”后穩(wěn)定安全系數(shù)略低于2級(jí)邊坡的要求，但滿足規(guī)范3級(jí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，完成二期削坡措施則滿足規(guī)范2級(jí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

因此，為了盡量減小削坡壓腳施工難度，加快工程建設(shè)進(jìn)度，最終采用治理方案二。如二期削坡不需實(shí)施，可節(jié)省投資1340萬元，避免破壞地表植被及相對(duì)隔水層，有效保護(hù)自然環(huán)境，對(duì)滑坡失穩(wěn)唯一可能影響的X081公路采用交通隧洞從滑床底下通過后，滑坡體即使失穩(wěn)，對(duì)周邊永久建筑物的影響甚微。如蓄水后變形加大，須啟動(dòng)二期削坡(2120萬元)，僅增加投資780萬元，沒有施工干擾，不影響主體工程進(jìn)度。

6 結(jié)論

涔天河霧江大型滑坡體治理工程難度大、造價(jià)高，設(shè)計(jì)人員及科研單位采用多種研究方法，通過系統(tǒng)分析，掌握了滑坡特征和主要滑移模式，合理確定了滑帶物理力學(xué)參數(shù)；通過仿真計(jì)算，模擬了滑坡體的各種失穩(wěn)形態(tài)及滑后淤積形態(tài)，并進(jìn)一步分析了失穩(wěn)涌浪、淤塞等對(duì)工程主要建筑物的影響；在大量理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的實(shí)際情況，提出了合理可行的優(yōu)化治理方案，工程按期實(shí)施“低壓腳+排水洞”的處理措施，并于2016年底按期下閘蓄水，至今在初期蓄水位282.0m下運(yùn)行了近一年時(shí)間，經(jīng)歷了汛期水位287m驟降至283m的工況，運(yùn)行狀態(tài)良好，滑坡體上大量的觀測設(shè)備未發(fā)現(xiàn)變形加大的跡象。