吉音水利樞紐工程TH2滑坡體穩定性研究

員繼軍

摘 要：滑坡災害是各種災害中發生最頻繁、分布最廣、危害性和損失最大的地質災害類型，與地震和火山并列為全球性三大自然災害。因此，對滑坡的穩定性進行研究，具有非常重要的現實意義。筆者就所從事的其中的一個水電站工程中的一個滑坡穩定性進行了分析研究，總結出一些注意事項及經驗，與同行探討。

關鍵詞：滑坡體 極限平衡法 強度折減法

中圖分類號：TV2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-0-04

1 針對滑坡現狀和滑坡的具體情況確定主要研究內容

（1）滑坡區地質環境。通過近四年的勘察，收集和整理已有資料，研究滑坡區地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件、氣象特征和人類工程活動等情況。

（2）滑坡的特征。利用各類地質資料，如鉆孔、平硐、探槽、地質圖、現場地質調查測繪、室內外實驗等，研究滑坡形態特征（規模和典型微地貌特征）、滑體物質和結構特征、滑動面發育特征。

（3）滑坡的影響因素和形成機理。通過分析滑坡的形成條件（地層巖性、地質構造和地形地貌）和影響因素（降雨、地震和人類活動），結合滑坡區工程地質環境和滑坡特征，探討滑坡的形成機理。

（4）滑坡的穩定性評價。采用工程地質分析法、極限平衡法（簡化Bish0p法，傳遞系數法）和數值分析法，定性與定量相結合評價該滑坡蓄水前后的穩定狀態。

2 研究思路

從滑坡區地質環境入手，通過現場勘察測繪、地球物理勘探和室內外實驗等手段對該滑坡的特征進行系統研究，分析該滑坡的形成條件和影響因素，并探討滑坡的形成機理。采用工程地質分析法、極限平衡法和數值分析法，評價該滑坡蓄水前后穩定狀態，最后提出結論及建議。

3 滑坡體結構特征

TH2滑坡體位于壩軸線右岸上游230 m 處，分布高程2440～2590 m，前緣順河長200 m。TH2滑坡體呈鼻狀，地貌上為一凸出的小山梁，上游為Ⅲ級階地，下游為垂直河流走向的沖溝切割形成的小山梁。滑坡體所在岸坡高300余m，自然坡度30～38 °，地表大部分為風積粉土覆蓋，結構疏松，其厚度5～20 m，下伏基巖為中元古界斜長角閃片巖，屬中硬巖，片理不明顯。在右岸邊普遍殘留有Ⅲ級階地，但在滑坡體段階地不明顯。

該滑坡體在外部并無明顯的滑坡特征。在滑坡體范圍內及上、下游邊側分布有PD9、PD9-2、PD14、PD23、PD24、PD25、PD26、PD27等9條平硐，在滑坡體上及周圍另布置有ZK27～ZK40等14個鉆孔。其中PD9-2、PD14、PD23三條平硐位于滑坡體下游側小沖內，PD24位于滑坡體上游側，PD9、PD25、PD26、PD27等平硐位于滑坡體內。據下游側平硐揭露，硐內巖體較完整，控制了滑坡體下游側邊界；上游平硐PD24硐內巖體斷層較發育，但無明顯的卸荷及滑坡跡象，控制了滑坡體的上游邊界。

4 定性分析

從TH2所處岸坡與斷層產狀的赤平投影圖可以看出，斷層傾角與岸坡傾角夾角較小，不利于穩定。

在2010年8月，TH2滑坡體在連續降雨的情況下其前緣表部發生了滑塌。可見在降雨情況下滑坡體局部已產生滑塌，若在蓄水后滑坡體完全浸于水中時，在降雨、地震偶然工況下滑坡體將沿原來的滑動面產生新的剪裂面，可能造成大規模的滑坡。

5 滑坡穩定性數值分析

5.1 強度折減法原理

1975年，Zienkiewicz等首次提出了抗剪強度折減系數概念，其所確定的強度儲備安全系數與Bishop所給出的邊坡穩定安全系數在概念上是一致的。強度折減法的基本原理是將材料的強度參數C，φ值同時除以一個折減系數RF（Reduction factor），得到一組新的C、φ值，然后作為新的材料參數進行試算，通過不斷地增加折減系數RF，反復分析研究對象，直至其達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數Fs。

5.2 數值分析

根據鉆孔、平硐等勘察資料，TH2滑坡的滑體主要是由風積粉土和中元古界片巖組成，滑動面按理想近似呈圓弧形，在滑坡體上選取了一條典型剖面，見下圖2。

選取TH2滑坡′剖面進行彈塑性有限元分析，揭示滑坡在各種工況下的變形破壞機理，并利用參數折減法分析各種工況條件下的穩定性。

（1）計算模型

根據滑坡物質組成及結構特征，將模型材料劃分為以下物質單元組：①滑體，主要由碎塊石及裂隙巖體組成；②滑帶，由黃土（滑坡后緣附近）、碎塊石及裂隙巖體（滑坡前緣附近）組成；③滑床，為裂隙巖體。

模型沿主滑方向（X軸方向）長度為320 m，模型最大高度（Y軸方向）為223 m。計算問題視為平面應變問題；左右側邊界為橫向約束邊界，底側為固定約束邊界。模型采用6節點三角形單元，對各個巖性單元組進行網格自動剖分，所得單元數為853個。

（2）計算參數的選取

本計算模型中，滑體、滑帶及滑床均按理想彈塑性體考慮，巖土體的屈服準則服從Mohr-Coulomb準則。

計算采用的巖土體強度參數與剛體極限平衡法相同。

（3）計算工況

根據TH2滑坡的運行狀況，考慮以下三種計算工況：

工況1：天然工況，計算荷載為自重；

工況2：正常設計工況，荷載組合為自重+飽和狀態；

工況3：偶然設計工況，荷載組合為自重+飽和狀態+Ⅷ度地震。

（4）計算結果分析及評價

①天然工況

（一）初始應力場模擬

在自重作用下，滑坡的應力分布如圖3和4所示。從圖中可以看出：在自重作用下，平均主應力的應力值隨埋深增加而增加，符合邊坡自重應力場分布的一般規律；滑坡底滑面位置應力水平較高，存在應力集中現象。

（二）失穩機制

通過對強度進行折減計算滑坡位移，當強度折減至有限元計算不收斂時，滑坡達到極限平衡狀態，此時可認為折減系數即為滑坡安全系數，滑坡在不收斂時的位移即反映了滑坡的失穩機制。

（一）應力場分布特征。隨著庫水位的抬升，坡體的應力場有所改變。蓄水工況下滑坡的應力分布如圖6所示。從圖中可以看出：應力呈隨地表深度增加而應力值增加的一般規律未變；與蓄水前相比較，蓄水后有效平均主應力有所降低。

（二）位移特征。庫下水位抬升引起的位移見圖7。從圖中可以看出：庫水位抬升對滑坡體產生浮托作用，滑體總體產生向上的位移；最大位移量出現在滑體中部。

（三）失穩機制。正常蓄水工況條件下，典型剖面破壞時的位移見圖8，剪應變云圖見圖9。從圖中可以看出，其失穩機制與天然工況類似：滑坡破壞時主要沿原底滑面產生剪切位移；失穩時前緣坡趾處位移最大。強度參數折減 系數SRF=0.82，遠小于天然工況條件下的滑坡穩定系數，表明飽和狀態下對滑坡穩定不利。

③地震工況（偶然設計工況）

（一）應力場分布特征

地震工況下典型剖面應力分布如圖10所示。從圖中可以看出：在地震力的作用下，應力的大小和分布與天然、正常工況相比有所變化；總體上應力仍符合距地表深度增加而應力值增加的一般

規律。

（二）位移特征

5.3 計算結果

強度折減法數值分析得出，滑坡主剖面天然狀態下穩定安全系數為1.36，經過對剪切應變圖及速度矢量圖分析，可以明顯看到塑性貫通區域且滑動面外側區域各網格點的速度明顯大于其他區域，說明該滑坡穩定性較差。滑坡體在自然工況下處于基本穩定狀態；飽和狀態下及地震工況下處于不穩定狀態。