馮裕疆

(新疆三河建設(shè)工程有限責(zé)任公司,新疆 阿克蘇市 843000)

1 工程概況

某水利工程水庫(kù)面積為920 km2，為河谷型水庫(kù)，該地區(qū)滑坡平面寬度在400 m左右，呈長(zhǎng)條形狀，滑坡區(qū)域高程在2100～2380 m之間，上部區(qū)域主要以大型石塊為主，中部區(qū)域?yàn)槭瘔K、土質(zhì)混合狀態(tài)，下部區(qū)域以土質(zhì)為主；所在地區(qū)地下含水層厚度在10～35 m之間[1-3]。

滑坡的東北面為上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)(C3-PI)的巨厚層狀灰?guī)r，并夾雜少量的頁(yè)巖，巖性質(zhì)地堅(jiān)硬，抗風(fēng)化性強(qiáng)，斷裂及卸荷裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀NW∠275°～295°NE∠30°～53°；滑坡的下部及西南面為砂巖、頁(yè)巖及泥巖底層(D3～C1)，主要以頁(yè)巖為主，巖性較弱，抗風(fēng)化能力差，巖層產(chǎn)狀NW∠290°NE∠70°?；碌臇|北面與西南面高程相差約為600 m，并以斷層形式相接觸，根據(jù)實(shí)際勘探發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)域的前緣發(fā)育有寬約100 m左右的I級(jí)侵蝕堆積階地，階地基座表面呈平臺(tái)狀態(tài)，陡峭處坡面的坡度在30°～40°左右，部分區(qū)域較為陡峭，階地基座具有30～75 m厚的松散堆積層；滑坡區(qū)域表面發(fā)育有兩條沖溝[4-6]。滑坡區(qū)域剖面如圖1所示。

圖1 滑坡區(qū)域剖面

2 滑坡監(jiān)測(cè)及失穩(wěn)影響因素

水利工程在建設(shè)期間利用GPS對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)期的連續(xù)位移情況監(jiān)測(cè)。為了更加有效地監(jiān)測(cè)到滑坡區(qū)域的位移情況，本次GPS監(jiān)測(cè)中的水平、垂直方位的誤差分別為5 mm±1.0 ppm、10.0 mm±2.0 ppm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集頻率為 5 Hz。GPS滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖2 GPS滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)滑動(dòng)區(qū)域主要出現(xiàn)于滑體的中間區(qū)域，主要呈現(xiàn)為先是緩慢滑動(dòng)變形，后經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展成為快速滑動(dòng)變形，最后將演變?yōu)榭焖僮冃问Х€(wěn)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，水庫(kù)施工階段的壩前滑坡總體呈現(xiàn)出蠕變破壞形態(tài)。根據(jù)GPS監(jiān)測(cè)顯示，在滑坡發(fā)生期間，中后部監(jiān)控點(diǎn)的位移程度最為顯著，后部監(jiān)控點(diǎn)位移程度較小，前緣部位監(jiān)控點(diǎn)位移程度最小。因此，本工程施工階段滑體主要體現(xiàn)中、后部位推動(dòng)前緣的破壞形式[7-8]。滑體滑坡各部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況如圖3所示。

圖3 滑體滑坡各部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況

根據(jù)以上GPS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析，可將本工程施工期間壩前滑坡變形過(guò)程按照圍堰的建成為時(shí)間節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)階段：階段一，圍堰建成前的快速變形階段；階段二，圍堰建成后受降水即水庫(kù)水位上升影響的變形加速階段[9]。

2.1 階段一中滑坡形成影響因素分析

根據(jù)滑體滑坡各部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況可以發(fā)現(xiàn)，圍堰建成前水庫(kù)對(duì)于滑坡產(chǎn)生的影響較小，因此此因素可以忽略。根據(jù)水文資料顯示，2018年該區(qū)域降水量最大的月份為7—9月份，平均降水量超過(guò)了100 mm此時(shí)間段滑坡監(jiān)控點(diǎn)位移情況顯著；同年1—6月份地區(qū)降水量相對(duì)較小，降水量均值未達(dá)到50 mm，此時(shí)段滑坡監(jiān)控點(diǎn)位移變化較為緩慢。因此，水庫(kù)在圍堰施工完成前進(jìn)入雨季后，雨水滲入量的增加是導(dǎo)致滑體中部出現(xiàn)位移的主要因素，不過(guò)滑體前緣位移受到的影響卻較小[10-11]。水庫(kù)所在地區(qū)降雨量如圖4所示。

圖4 水庫(kù)所在地區(qū)降雨量

2.2 階段二中滑坡形成影響因素分析

自水庫(kù)的圍堰施工完畢后，水庫(kù)水位得到較大的提升，期間最高達(dá)到2120 m，滑體段的水位提升25 m，滑體的位移變化程度增加，在水庫(kù)水位回升的狀態(tài)下滑體將處在穩(wěn)定的極限狀態(tài)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，滑體在此因素的影響下，中部出現(xiàn)明顯的變形?？梢?jiàn)，圍堰施工完成后水位的上升也是導(dǎo)致滑體失穩(wěn)的重要因素。

根據(jù)上述分析，水庫(kù)在施工期間造成壩前滑坡的主要是降水量的增加以及水庫(kù)圍堰施工完畢后水庫(kù)水位的上升，并且水庫(kù)施工完成后的滑體變形破壞也是施工期間壩前滑坡穩(wěn)定性遭到破壞的關(guān)鍵階段，滑體表面的滑坡位移情況是降水量增加所導(dǎo)致變形的兩倍。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以清晰地看到，嚴(yán)重破壞壩前滑坡穩(wěn)定性的主要因素是水庫(kù)水位的上升，其次是降水量的增加；施工過(guò)程中壩前滑坡的失穩(wěn)形式主要是由中后部滑坡推動(dòng)前緣位移形式。

3 滑坡失穩(wěn)發(fā)展的機(jī)理分析

3.1 降水因素

降水量的增加所導(dǎo)致的滑坡其主要表現(xiàn)為：降水量的增加導(dǎo)致巖體及土壤的靜水壓力、滲透力以及靜水壓力對(duì)上覆巖層截面浮力產(chǎn)生的影響。本文將構(gòu)建降水與滑坡發(fā)育過(guò)程模型進(jìn)行降水因素的分析。降水與滑坡發(fā)育過(guò)程如圖5所示。

圖5 降水與滑坡發(fā)育過(guò)程

(1)在坡體中巖體自重的作用下將加大滑體后部的拉應(yīng)力，并且在此拉應(yīng)力達(dá)到負(fù)荷后滑體的后緣便會(huì)發(fā)生裂縫，而且在降水的作用下滑體將會(huì)出現(xiàn)靜水壓力如式(1)所示：

σ靜=γwxcosα

(1)

式中：α為滑動(dòng)面的傾角，(°)；σ靜為滑體后緣裂縫受到降水出現(xiàn)的靜水壓力，Pa；γw為水的容重，N/m3；x為滑體中裂縫壁與坡面之間的距離，m。

在坡體后緣的拉應(yīng)力以及后緣裂縫靜水壓力的影響下，使裂縫的深度達(dá)到剪切面(x=D)后，此時(shí)的靜水壓力將為最大狀態(tài)，滑動(dòng)剪切面也將形成。

(2)裂縫在降水不斷滲入的狀態(tài)下將使剪切面形成聯(lián)通，此時(shí)滑體的力學(xué)機(jī)制也將發(fā)生改變。

①巖體在降水滲入的狀態(tài)下，將造成坡體的動(dòng)水壓力之和ΣPυ的顯著提升，如式(2)所示：

ΣPv=0.5ρv2l

(2)

式中：ρ為裂縫發(fā)生率；υ為降水的滲透速度，m/s；l為滑體寬度，m。

②降水對(duì)巖體產(chǎn)生的浮托力、滲透壓力的總和將對(duì)滑體產(chǎn)生浮托效應(yīng)，使巖質(zhì)之間的應(yīng)力下降，如式(3)所示：

σe=σ-σw

(3)

式中：σe為有效應(yīng)力,Pa；σ為未受到降水滲透的滑體應(yīng)力，Pa；σw為浮托力、滲透壓力的和值，Pa。

③當(dāng)σe減小時(shí)c、φ減小，滑體剪切面的抗剪強(qiáng)度T也會(huì)顯著降低如式(4)所示：

T=σetanφ+c

(4)

式中：φ為滑體滑面的內(nèi)摩擦角，(°)；c為滑體滑面的黏聚力，Pa。

(3)由于張拉裂縫主要分布在滑體2270 m高程以上，分布區(qū)域主要體現(xiàn)在滑坡主要平臺(tái)及滑坡壁周?chē)L(zhǎng)為20～35 m、寬為0.2～0.4 m，深度在0.2～0.4 m之間。剪切裂縫則分布在2240～2310 m高程范圍內(nèi)，長(zhǎng)為20～60 m，而滑體后緣裂縫并未達(dá)到剪切面(x

因此，當(dāng)x

(5)

式中：K為穩(wěn)定系數(shù)；αi為滑體中分段剪切面傾角，(°)；Wi為分段滑體的質(zhì)量，N；ΣP靜為滑體中靜水壓力和值,Pa。

根據(jù)上面公式可以看出，ΣP靜增加的情況下，滑體的穩(wěn)定性系數(shù)K將會(huì)變小。

可見(jiàn)，降水因素造成滑坡失穩(wěn)發(fā)展的機(jī)理是庫(kù)區(qū)雨季(7—9月份)降水量在短時(shí)間驟增，導(dǎo)致壩前滑坡的地下水位增加，造成滑體中的ΣP靜增加；巖體中巖質(zhì)之間的應(yīng)力不斷地下降，致使巖體c、φ數(shù)值減少。巖體因降水的浮托作用其揚(yáng)壓力σw將增加，而有效應(yīng)力σe降低，導(dǎo)致巖體抗剪強(qiáng)度T進(jìn)一步減小，最終滑體的穩(wěn)定系數(shù)K減小導(dǎo)致滑坡的失穩(wěn)發(fā)生。

3.2 水庫(kù)水位上升

由于本水庫(kù)壩前滑坡呈現(xiàn)為圓弧狀，因此將通過(guò)靜力平衡法進(jìn)行水位孔隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制分析，滑體斷面中形成的主要力系如圖6所示。因滑體土層的強(qiáng)度是由c、φ控制，因此滑體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs的計(jì)算如式(6)所示：

圖6 滑體斷面中形成的主要力系

(6)

而滑體中的作用推力E的計(jì)算如式(7)：

(7)

式中：Ni為第i個(gè)滑帶土對(duì)滑體表面產(chǎn)生的壓力,Pa。

圍堰施工完成后，水庫(kù)水位將得到較大的提升，滑體中c、φ參數(shù)將減小，根據(jù)公式(6)可得Fs將降低，根據(jù)公式(7)可得c值的減小將直接導(dǎo)致推力E的增加，而滑體中浸水部分主要在抗滑區(qū)域，此段的抗滑能力降低程度將逐漸小于下滑力，于是將產(chǎn)生滑坡。

3.3 庫(kù)水位上升數(shù)值模擬

依據(jù)本水庫(kù)的實(shí)際情況進(jìn)行模擬水庫(kù)水位提升的模型建立，以此分析水庫(kù)水位在上升過(guò)程中不同狀態(tài)下對(duì)滑體穩(wěn)定性的影響，建模的集體參數(shù)為：滑體滑面黏聚車(chē)c值取37.23 kPa，內(nèi)磨擦角φ取22.29°，滑體容重γ取 15 kN/m3，水位上速率取值0.5 m/d，滑體的坡度按照實(shí)際情況設(shè)定。建模的不同工況以及分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果

圖8 數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)施工期間壩前滑坡情況處于穩(wěn)定的蠕變階段，但在受到雨季降水量增加將發(fā)生較大程度的變形，在圍堰施工完成后水庫(kù)水位的上升也會(huì)造成壩前滑坡發(fā)生局部失穩(wěn)。在圍堰構(gòu)建完成前滑坡失穩(wěn)主要受地區(qū)降水的影響，而圍堰構(gòu)建完成后滑坡失穩(wěn)主要受到水庫(kù)水位上升的影響，并且此階段中滑坡變形占比較大，而壩前滑坡不同階段的主要表現(xiàn)為中后部推移前緣式的整體性滑坡。為了更好地進(jìn)行壩前滑坡穩(wěn)定的處理，在目前的工作中需注意降雨和滑體變形之間是否具有滯后期的存在，以及在圍堰施工階段有效地進(jìn)行壩前滑坡的防治。