卡拉水電站上田鎮滑坡體三維穩定性分析

陳 立 強

(福建華東巖土工程有限公司，福建 福州 350003)

卡拉水電站上田鎮滑坡體三維穩定性分析

陳 立 強

(福建華東巖土工程有限公司，福建 福州 350003)

在研究上田鎮滑坡體的成因機理及形成條件的基礎上，采用FLAC3D完成了雅礱江卡拉水電站上田鎮滑坡體的三維建模和穩定性分析,計算結果表明：暴雨工況下該滑坡體接近極限狀態，其余各工況下滑坡體整體穩定性較好。

穩定性分析,有限差分,強度折減法,FLAC3D

0 引言

對工程建設而言，近壩址的邊(滑)坡的研究，尤其是其成因機制，是深入分析、研究地質條件和工程建筑物的適宜性和對地質缺陷的處理措施[2]的重要因素。尤其是在我國加大了水電水利的建設步伐，一批巨型滑坡的工程勘察和定量分析上，使得工程進度受到嚴重的制約，同時對于工程的經濟合理性和技術的可靠性也具有一定程度的影響。因此，正確分析巨型滑坡體的成因和穩定性，是一項十分重要而緊迫的工作[1,2]。

隨著計算機技術的發展，依據其的數值模擬方法也越來越多，目前，針對滑坡體計算的數值模擬方法比較有代表性的有：流形元法(MEM)、邊界元法(BEM)、離散法(DEM)、拉格朗日分析法(FLAC)、有限元法(FEM)、滑動場法、變形分析法(DDA)等[4,5]。

滑坡體地形地質條件往往較為復雜，建立與實際條件相吻合的FLAC3D模型是困擾工程設計人員的一個主要問題。在充分了解滑坡體形成過程的條件下，可以利用軟件特有的建模程序，建立相對精確的幾何模型，同時對各層數據添加邏輯運算，以確保各層數據不相沖突[6]。按上述方法建立了雅礱江卡拉水電站上田鎮滑坡體的三維模型，工程實例表明該方法具有很高的精度。

1 工程概況

卡拉水電站工程區位于涼山州木里縣雅礱江中游河段內，水庫正常蓄水位高程約為1 987 m，大壩最高高程約1 992 m，最大壩高約129 m，最小壩高約121 m，裝機總量約930 MW，庫區回水至楊房溝水電站，整個水庫區長約32.4 km，庫容約2.532億m3，調節庫容約0.376億m3。

在上壩址上、下壩線之間雅礱江右岸，上田鎮滑坡體成為壩線選擇的關鍵技術難題，其穩定性直接影響到大壩的安全。其位于距上壩址上壩線下游約0.59 km～1.13 km，距上壩址下壩線上游約0.37 km～0.91 km。后緣分布高程約2 200 m～2 230 m，后緣被后期崩坡積覆蓋層覆蓋。

上田鎮滑坡體整體呈“U”字形，后緣分布高程約2 240 m，前緣至江邊，江邊無基巖出露，上、下游側均為沖溝。

滑坡體地形前陡中緩后陡，邊坡總體坡度30°～40°。據探洞揭示，滑坡體高程2 220 m以上主要為后期的崩坡積物碎石土為主，厚度一般只有8 m～13 m。中部(高程2 030 m～2 220 m)地形相對平緩，地表崩坡積較厚，滑坡堆積物主要為塊石夾碎石土層、塊石層，塊石層呈強風化，保留原巖結構。前部地形較陡，崩坡積層較薄，滑坡堆積物主要為塊石層、塊石夾碎石土層，塊石層呈假基巖狀，呈強～弱風化，保留原巖結構。地表還發育有多條沖溝，但規模均不大。前緣無基巖出露，邊界被第四系崩坡積物覆蓋，厚度約10 m，推測滑坡剪出口高程大約在1 920 m～1 935 m范圍。

在下游邊界沖溝與下游側基巖陡崖之間分布崩坡積體，滑坡體呈現半橢圓狀，整個滑坡體寬度約為650 m，后緣高度約為2 300 m，前緣抵達至雅礱江江邊，面積約為6.58萬m2，滑坡體厚度約為10 m～12 m，總方量約66.8萬m3。崩坡積體主要為碎石土夾塊石。

在中部沖溝兩側，物質組成、滑帶土分布上有所不同，故沿中部沖溝將滑坡體分為A區，B區，上游部分為A區，下游部分為B區，滑坡整體地形如圖1所示。

2 滑坡體工程地質條件

坡積層一般厚1.0 m～7.0 m，呈土黃～淺黃色，干燥、透水性好，地表廣泛分布，是滑坡穩定后由水的面流搬運堆積而成的物質，具有較明顯的韻律結構，碎石層與含礫石粉土層交替出現，一般可分出3層～5層，最多可達8層，單層厚一般為20 cm～80 cm，碎石層以碎塊石為骨架，其間充填角礫、粉砂土等，粒徑較均勻，級配差、有架空，膠結度一般。塊石粒徑20 cm～40 cm，含量5%～20%；碎石粒徑5 cm～15 cm，含量30%～60%；角礫和粉土含量20%～40%。在含礫石粉土層中，角礫和粉砂土含量為50%～80%，局部達90%以上。

滑坡體內有淺層滑帶和底滑帶之分。淺層滑帶主要分布在滑坡體上游側中下部的滑坡堆積碎塊石夾粉質粘土層和塊石層分界處，埋深一般在30 m～50 m，厚度5 cm至數米不等，主要為粉質粘土夾碎礫石，碎石含量10%～20%，干～濕，呈可塑～軟塑狀，中密，具有一定的泥質膠結，膠結程度一般。深層滑帶位于滑坡堆積層與下伏基巖分界面上，帶寬5 cm～20 cm，主要為碎礫石夾粉質粘土，碎礫石含量40%～60%，部分礫石有磨圓或擦痕，細粒的含量相對較小，粉質粘土呈可塑～硬塑狀，膠結較好。與基巖接觸面擦痕、鏡面不明顯。勘探成果顯示，上田鎮滑坡體A區滑帶土分布范圍較大，細顆粒物質相對較多，性狀較差，而B區滑帶土分布范圍較小，性狀較好。

滑坡堆積塊碎石夾粉質粘土層最大埋深可達50 m，呈深灰～灰褐色，干～稍濕，密實，以塊碎石為主，間隙填充角礫、粉土。塊石粒徑以20 cm～30 cm為主，含量10%～30%；碎石粒徑以2 cm～15 cm為主，含量一般為50%～80%；礫石含量較少，但局部有集中現象；粉質粘土含量20%～30%，局部與碎礫石泥質膠結。

滑坡堆積塊石層埋深3 m～80 m，主要為板巖、大理巖，由滑坡體整體滑動后巖體未完全解體而成，保持較完整連續的巖層層面，巖層產狀變化大。巖體整體性較差，塊徑以20 cm～30 cm為主，大的可達十幾米，間隙填充碎礫石與粉砂土，膠結度一般。

據地質測繪及調查，滑坡體內無地下水出露點，TD28,TD42,TD44平洞內干燥無水，雨季洞壁較為潮濕；滑坡體地下水主要以基巖裂隙水形式出現，TD27平洞內在洞深54 m～56 m處滲水，TD43平洞內在洞深91 m左右洞壁出水，流量約40 L/min～60 L/min，TD41平洞內在洞深70 m左右洞壁出水，流量約50 L/min～60 L/min。滑坡體西側邊界沖溝常年流水，枯水期水量很小，另有一條沖溝在高程2 200 m附近有少量流水滲出，被當地農民作為生活用水，坡面無泉水點出露，滑坡體內地表水分布較少。

地下水多為孔隙潛水和裂隙潛水，受大氣降水補給，向雅礱江排泄。滑坡體由碎塊石夾粉質粘土和塊石層組成，透水性較好，據鉆孔揭露，地下水埋深較深，一般在29.5 m～130.20 m之間，地下水位變幅達30 m～50 m。TD01,TD02兩個平洞內部分地方有滲水，其中TD01平洞在洞深235 m處滲水量較大。

地表地質調查表明：蠕滑變形區主要分布于滑坡體中下部的臨江岸坡和深切沖溝兩側，分布在高程2 100 m～2 300 m之間。滑坡體上灌木林(樹高一般為2 m～5 m，樹徑一般為5 cm～10 cm)傾斜10°～20°，但未見明顯的“馬刀樹”現象，而高大喬木(樹高約12 m，樹徑約50 cm)仍近直立生長，故推斷上述變形跡象應為表層局部蠕滑變形所致。垮塌帶一般呈帶狀分布，主要分布于滑坡下游側幾條規模較大的沖溝兩側，目前在沖溝兩側依然可見垮塌堆積物和垮塌臺階。垮塌多發生在雨季，由水流的沖刷、側蝕所致，受微地貌和降雨等因素的地表坡度較陡且覆蓋層較薄部位有樹木傾斜現象，但未見“馬刀樹”和“醉漢林”現象，通往楊房溝公路內側邊坡有局部塌滑，滑坡體整體自然邊坡穩定。

3 滑坡體穩定性三維數值分析

3.1 地形數據及建模

利用上田鎮滑坡體1∶1 000比例尺CAD地形圖，按滑坡體范圍大小，將CAD地形導出為DXF格式，歸一化處理后，將坐標圖點位(X，Y，Z)導出，利用命令流文件，將其導入FLAC3D中建模，即可自動完成上田鎮滑坡體的三維建模。

3.2 巖土體參數取值

根據室內外試驗，綜合確定了模型的計算參數。影響邊坡穩定的主要因素有巖體結構面產狀、物理力學性質、地下水位和荷載等。其中巖體的物理力學性質對邊坡穩定的影響尤為顯著。由于巖體的物理力學性質具有隨機性、可變性、模糊性等不確定特點，所以應對邊坡穩定進行可靠度分析。本工程中將巖體的物理力學參數粘聚力、內摩擦角(鑒于邊坡可靠度對重度并不敏感，因此并未對重度進行可靠度分析)作為隨機變量，采用蒙特卡洛法計算邊坡穩定可靠度，估算各不確定性參數的標準差，模型參數見表1。

表1 巖土體參數綜合取值

3.3 滑坡體穩定性計算及分析

在FLAC3D程序中，在外荷載組合作用下，考慮天然工況、地震工況、暴雨工況、蓄水工況及蓄水+地震工況，以計算出的安全系數為判別依據。在模擬計算地震工況時，采用擬靜力法，分別添加水平向和垂直向加速度，其中水平向加速度是垂直向加速度的1/3；在模擬計算暴雨工況時，提升潛水面的高度，提升高度為坡面與潛水面高差的80%；在模擬計算蓄水情況時，將蓄水位以下處理為飽和狀態，而蓄水位以上則根據滲透力反算浸潤曲線，從新加載地下水位高程。

天然狀態下，如圖2～圖4所示，邊坡主應力分布符合一般應力分布規律，地應力主要隨巖層深度增加而增加。坡體內部最大壓應力為8.0 MPa。坡表出現少量拉應力區，主要出現在邊坡中上部，最大拉應力值為0.008 9 MPa。自然邊坡塑性區少量分布在坡腳和滑坡后緣，安全系數為1.42，表明天然狀態下該邊坡的整體穩定性好。

在地震條件下，通過計算得知，滑坡處于臨界失穩狀態時，最大剪切應變率和位移量均發生在滑坡中下部區域，坡體的破壞模式為局部失穩，深度較小。滑坡穩定安全系數為1.34，較天然工況略為減小，整體穩定性較好。

在暴雨工況下，滑坡處于臨界失穩狀態時，最大位移量均發生在滑坡體中部，坡體的破壞模式為局部失穩，深度較小。邊坡穩定安全系數為1.17，較天然工況略為減小。最大剪切應變的位置在坡體前沿，滑動深度不大，主要出現在坡腳處。其可能發生淺層整體滑動破壞，發生屈服的單元都是因為受剪，主要分布在坡體前沿地表和淺部巖體中，坡體后沿地表也有少量分布。

在蓄水工況下，滑坡處于臨界失穩狀態時，最大位移量和最大剪切應變的位置在坡體前沿，滑動深度不大，主要出現在坡腳處。其可能發生淺層整體滑動破壞，坡體發生局部破壞，破壞模式為局部失穩，破壞時局部位移量較大，但是滑動部位均處于正常蓄水位以下，邊坡穩定安全系數為1.12，較天然工況略為減小，但是整體呈現一種穩定狀態。

在蓄水+地震工況下，滑坡處于臨界失穩狀態時，最大位移量和最大剪切應變率的位置在坡體前沿，滑動深度不大，主要出現在坡腳處。其可能發生淺層整體滑動破壞，且滑動部位均處于正常蓄水位以下，邊坡穩定安全系數為1.06，比前幾種工況都要小，穩定性較差。

4 結語

分析了上田鎮滑坡體的成因及形成條件，在此基礎上采用FLAC3D對上田鎮滑坡體進行了三維建模和穩定性分析，可得出如下結論：

1)計算結果表明，暴雨工況下該滑坡體接近極限狀態，其他各工況下滑坡體整體穩定性較好，數值計算與定性判斷的結果基本一致。

2)蓄水、蓄水+地震工況下，正常蓄水位以下局部失穩的可能性較大。天然工況蓄水前自然邊坡整體穩定性較高，整體抗滑穩定安全系數為1.185～1.248，接近于規范要求設計安全系數1.20，大于《水電水利工程邊坡設計規范》A類樞紐工程區邊坡Ⅱ級設計持久工況安全系數下限值1.15；蓄水后自然邊坡整體抗滑穩定安全系數為1.087～1.110，均小于規范要求設計安全系數1.20，表明邊坡存在局部失穩的可能。

3)上田鎮滑坡體自然邊坡蓄水前各工況的抗滑穩定安全系數總體滿足規范要求，自然邊坡存處于穩定狀態；自然邊坡蓄水后各工況的抗滑穩定安全系數均大于1.0，但不滿足規范要求，自然邊坡處于極限平衡狀態；通過設計上提出的防治(支護)方案處理后，該滑坡體工程邊坡在完建工況、完建工況暴雨、完建工況50年內超越概率10%地震以及正常運行(蓄水)工況、正常運行(蓄水)工況暴雨、正常運行(蓄水)工況50年內超越概率10%地震作用下總體處于穩定狀態。建議對上田鎮滑坡體各工況進行綜合治理，可對其進行削坡減載和增設抗滑樁以對滑坡體穩定性進行改善。

[1] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析——原理·方法·程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[2] 楊 建，周志芳.紫坪鋪水利樞紐工程重大工程地質問題研究[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] Cundall P A.Explicit Finite Difference Methods in Geomechanics[A].Proceedings of the EF Conference on Numerical Methods in Geomechanics[C].Blacksburg,Virginia，1976(1)：132-150.

[4] Cundall P A，Hansteen H，Lacasse S，et al.NESSI-Soil Structure Interaction Program for Dynamic and Static Problems[R].Norwegian Geotechnical Institute,1980.

[5] Cundall P A.Adaptive Density-Scaling for Time-Explicit Calculations[A].Proceedings of the 4th International Conference on Numerical Methods in Geomechanics[C].Edmonton,1982：23-26.

[6] Cundall P A.Distinct Element Models of Rock and Soil Structure.Analytical and Computational Methods in Engineering Rock Mechanics，Chapter4[M].London,1987：129-163.

3D modeling and stability calculation based on surfer interpolation of Shangtian town slope of Kala hydropower station

CHEN Li-qiang

(FujianHuadongGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Fuzhou350003,China)

On the basis of studying Shangtian town landslide mechanism and forming conditions, the paper accomplishes its three-dimensional modeling and stability analysis of Yalongjiang Kala hydropower station by applying FLAC3D. The calculation results show that: the landslide approaches limit condition under rainstorm construction condition; landslide integrity stability is better under other construction conditions.

stability analysis, finite difference, strength reduction method, FLAC3D

1009-6825(2014)30-0071-04

2014-08-20

陳立強(1971- )，男，高級工程師

TU413.62

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