張艷陽，任光明

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

引言

我國水力資源十分豐富，水電是我國能源組成中一個(gè)相當(dāng)重要的部分。水庫岸坡和古滑坡的失穩(wěn)一直是水電工程中存在的重大難題。在水電站開發(fā)過程中，庫岸邊坡穩(wěn)定性問題越來越突出，尤其水庫蓄水后的庫岸邊坡穩(wěn)定性對(duì)大壩的安全和水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。1942～1953年間，美國的大古力水庫引發(fā)了大約500處岸坡失穩(wěn);1965～1969年間，奧地利Cepatsch壩蓄水及水庫運(yùn)行初期，緊鄰大壩的上游幾處滑坡發(fā)生了10余米變形;1963年意大利瓦依昂水庫第二次蓄水時(shí)，在庫水位上升至700 m高程時(shí)，左岸大壩1.8 km處發(fā)生2.5×108m3的巨型滑坡［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)90%以上的邊坡失穩(wěn)問題與水有關(guān)，庫水位周期性的變化必定會(huì)引起庫岸邊坡中地下水位的波動(dòng)，進(jìn)而影響庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。因此，開展邊坡在庫水位變化下的穩(wěn)定性研究，具有重要意義［2-4］。

1 滑坡區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件概況

滑坡區(qū)屬于順向岸坡，地形坡度大致可以分為兩段，以高程2860 m為界:在高程2860 m以下，滑坡地形坡度較陡，地形坡度一般在40°以上，前緣甚至達(dá)到了50°;在高程2860 m以上，滑坡地形坡度變緩，地形坡度總體上在30°以下?；禄鶐r為一套薄層～互層狀結(jié)構(gòu)的砂巖夾板巖地層。區(qū)內(nèi)出露有灰綠色砂巖夾灰色板巖(T2-Ss+Sl)、中～薄層砂巖局部夾板巖(T2-Ss)和薄～極薄層板巖局部夾砂巖(T2-Sl)，其中T2-Sl是滑坡主要的基巖地層。巖層總體產(chǎn)狀330°∠50°。

1.2 滑坡基本特征

滑坡平面近似呈舌頭狀。通過布置的鉆孔及平硐揭露了滑帶的位置，調(diào)查發(fā)現(xiàn)前緣滑體厚約30 m，滑帶產(chǎn)狀290°∠54°。中部滑體厚約42.6 m，在平洞內(nèi)80 m處發(fā)現(xiàn)明顯的彎曲折斷面，折斷面滑帶產(chǎn)狀286°∠55°，折斷面上部巖層產(chǎn)狀183°∠49°，下部巖層產(chǎn)狀332°∠52°，整個(gè)平硐內(nèi)巖層傾向坡外。上部滑體厚約26.2 m，滑帶產(chǎn)狀285°∠45°?；碌刭|(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 滑坡工程地質(zhì)剖面圖

滑坡體的物質(zhì)組成與基巖有所不同，后緣發(fā)育有一條張拉裂縫，拉裂縫走向大致為280°，拉裂縫后緣發(fā)育一個(gè)拉裂陡坎，陡坎高度約0.3～1.1 m。在拉裂縫上部左側(cè)有一落水洞，洞口直徑約70 cm，延伸方向和拉裂縫方向一致，內(nèi)部擴(kuò)大呈倒漏斗狀，方量約5 m3?；潞缶墳檎；鶐r，基巖巖層傾向與滑坡主滑方向接近?；虑熬壖舫隹诓课幌虏繋r層發(fā)生反翹，巖層傾向坡內(nèi)。

2 滑坡成因機(jī)制分析

滑坡所在岸坡地層為一套層狀結(jié)構(gòu)巖體，巖層普遍在30 cm以下，大部分甚至在10 cm以下，因此該滑坡區(qū)巖層屬于薄層～互層狀巖體?；律喜繋r體層面產(chǎn)狀330°∠33°，傾向坡外，與滑坡區(qū)基巖傾向一致。而下部巖體由于潰曲折斷導(dǎo)致層面產(chǎn)狀178°∠26°，傾向坡內(nèi)，折斷面產(chǎn)狀140°∠24°。此現(xiàn)象可以認(rèn)為是巖層在上覆巖體的重力和平行于坡面的最大主應(yīng)力作用下巖層發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲折斷變形所致。基于以上分析，可以認(rèn)為滑坡成因機(jī)制為滑移～彎曲變形破壞模式。

3 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，而在水電站建成蓄水后滑坡區(qū)地質(zhì)條件發(fā)生惡化，滑坡是否還能處于穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)水電站的建設(shè)非常重要，因此有必要對(duì)滑坡在不同蓄水位條件的穩(wěn)定性進(jìn)行FLAC-3D數(shù)值模擬研究。

3.1 FLAC－3D軟件簡介

FLAC-3D(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)是由Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，F(xiàn)LAC-3D采用了顯式拉格朗日法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確的模擬土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性和塑性流動(dòng)，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題［5-6］。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

計(jì)算模型如圖2所示，順河方向(y軸方向)長度為411 m，垂直河流方向(x軸方向)長度為477 m，模型最大高度(z軸方向)為435 m，即海拔3035 m。模型共劃分37554個(gè)節(jié)點(diǎn)，197079個(gè)單元。計(jì)算時(shí)僅考慮滑坡的自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場，將模型四周邊界、底部邊界設(shè)置為單向約束邊界［7］，根據(jù)模型的坡體結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)將模型概化為4種材料模型［8］，即構(gòu)成基巖的一套薄層～互層狀結(jié)構(gòu)的砂巖、板巖地層考慮為一種材料，將模型表面風(fēng)化層考慮為一種材料，坡體考慮為一種材料，滑帶考慮為一種材料。對(duì)各材料分別在地表、平硐、鉆孔中取樣，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)上述室內(nèi)外試驗(yàn)、物探測試成果的整理分析，在對(duì)巖質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)類型和完整性等進(jìn)行工程特性分析的基礎(chǔ)上，考慮巖體各向異性和賦存環(huán)境特征，結(jié)合有關(guān)規(guī)范取值原則［9-10］，提出該滑坡的物理力學(xué)參數(shù)平均值，滑坡物理力學(xué)參數(shù)平均取值見表1。

圖2 滑坡FLAC－3D計(jì)算模型

表1 滑坡各巖土體力學(xué)參數(shù)平均值取值表

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算時(shí)只考慮上圍堰蓄水2800 m、初期蓄水2925 m和正常蓄水2990 m三種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前先將模型在天然狀態(tài)下計(jì)算至平衡狀態(tài)，然后將速度、位移清零，添加蓄水位后繼續(xù)計(jì)算［11-13］，每一蓄水位計(jì)算迭代3000時(shí)步，在天然、蓄水條件下，對(duì)體系的最大不平衡力進(jìn)行監(jiān)測，最大不平衡力是在計(jì)算循環(huán)中，外力通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)傳遞分配到體系各節(jié)點(diǎn)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)的外力與內(nèi)力之差中的最大值。最大不平衡力不可能達(dá)到零，當(dāng)它與作用在體系上的外力相比很小時(shí)，認(rèn)為體系達(dá)到了力平衡狀態(tài)?；碌淖畲蟛黄胶饬ρ莼€如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)最大不平衡力時(shí)步演化曲線

由圖3可知，隨著迭代計(jì)算的不斷進(jìn)行，系統(tǒng)不平衡力逐漸降低，滑坡在迭代至1000時(shí)步時(shí)趨于收斂，系統(tǒng)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，因此，在天然條件下，滑坡體的變形發(fā)展最終是趨于穩(wěn)定的。

由于滑坡前緣坡腳處發(fā)生潰曲破壞使得巖體比較破碎，當(dāng)蓄水至上圍堰水位2800 m高程時(shí)，坡腳破碎巖體受到庫水侵潤，計(jì)算時(shí)對(duì)侵入水中巖體的參數(shù)按飽和條件進(jìn)行折減，由計(jì)算結(jié)果可知滑坡坡腳部位為剪應(yīng)變集中分布區(qū)(圖4)，除此之外坡體內(nèi)沒有其他明顯的剪應(yīng)變增量集中分布區(qū)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 2800 m高程剪應(yīng)變增量圖

蓄水至初期蓄水位2925 m時(shí)，隨著庫水位的抬升，剪應(yīng)變增量集中帶沿著滑帶向坡體內(nèi)部發(fā)展，從圖5可以看出剪應(yīng)變增量較大的部分占整個(gè)滑帶的30%，其中真正能使滑坡體發(fā)生破壞的部分不足整個(gè)滑帶的5%。從系統(tǒng)不平衡力演化曲線可以看出，蓄水后系統(tǒng)不平衡力迅速增大，之后隨著時(shí)間的推移衰減較快，最后趨于收斂。說明在2925 m蓄水高程時(shí)，滑坡穩(wěn)定性較之前有所降低，但整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。初期蓄水位對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響不大。

圖5 2925 m水位下剪應(yīng)變增量圖

當(dāng)蓄水至正常蓄水位2990 m時(shí)，剪應(yīng)變增量集中帶沿著滑帶向坡體內(nèi)進(jìn)一步延伸，由圖6可以看出剪應(yīng)變增量較大的部分占整個(gè)滑帶的70%，但是剪應(yīng)變增量集中帶并沒有貫通。另外從系統(tǒng)不平衡力曲線可知，2990 m蓄水位下不平衡力迅速升高，之后隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了較大振幅的跌蕩，系統(tǒng)不平衡力趨于收斂所需時(shí)間也顯著增加，這說明庫水位的抬升使系統(tǒng)達(dá)到自我平衡的能力有所降低。以上兩點(diǎn)表明在2990 m蓄水位下，庫水對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較大，滑坡有可能發(fā)生局部失穩(wěn)。

圖6 2990 m水位下剪應(yīng)變增量圖

4 結(jié)論

通過FLAC-3D數(shù)值模擬分析，可以得出以下4點(diǎn)結(jié)論:

(1)天然條件下滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一結(jié)果與此前對(duì)滑坡的現(xiàn)場調(diào)查分析結(jié)果一致。

(2)蓄水后，隨著蓄水位的不斷抬升，滑坡穩(wěn)定性有所降低，因此水庫蓄水是誘發(fā)滑坡的重要因素之一。

(3)模擬計(jì)算表明，在2800 m庫水位時(shí)，滑坡坡腳處可能發(fā)生局部垮塌，在2925 m庫水位時(shí)滑坡穩(wěn)定性較之前有所惡化，在2990 m庫水位下滑坡穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，但整體而言，滑坡在2800 m、2925 m庫水位下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在2990 m庫水位下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)鑒于滑坡在正常蓄水位條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，建議在該條件下對(duì)滑坡采取監(jiān)測控制措施，為滑坡的防治提供預(yù)警機(jī)制。

[1] 張倬元.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.

[2] 王明華,晏鄂川.水庫蓄水對(duì)庫岸滑坡的影響研究[J].巖土力學(xué),2007,28(12):2722-2725.

[3] 盧書強(qiáng),易慶林,易武,等.庫水下降作用下滑坡動(dòng)態(tài)變形機(jī)理分析——以三峽庫區(qū)白水河滑坡為例[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014(5):869-875.

[4] 朱冬林,任光明,聶德新,等.庫水位變化對(duì)水庫滑坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002,29(3):6-9.

[5] 陳育民.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[6] 陳文勝,馮夏庭,葛修潤,等.靜態(tài)松弛快速拉格朗日分析方法原理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(6):680-684.

[7] 張雪東.呷爬滑坡穩(wěn)定性的FLAC-3D數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2003,24(1):113-116.

[8] 宋琨,晏鄂川,朱大鵬,等.基于滑體滲透性與庫水變動(dòng)的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律研究[J].巖土力學(xué),2011,32(9):2798-2802.

[9] 夏敏,任光明,馬鑫磊,等.庫水位漲落條件下滑坡地下水滲流場動(dòng)態(tài)特征[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(3):399-405.

[10] 工程地質(zhì)手冊編委會(huì).工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992.

[11] 朱繼良,黃潤秋.某大型水電站水文站滑坡蓄水后的穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(8):1384-1389.

[12] 高圣益,魏學(xué)勇,周晃.基于FLAC3D的滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,24(4):1-4.

[13] 蔣秀玲,張常亮.三峽水庫水位變動(dòng)下的庫岸滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(6):38-42.