某水電站壩址滑坡形成機理及穩(wěn)定性分析評價

劉輝輝，李光亮

(中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，四川成都610031)

某水電站壩址位于橫斷山脈東部的高山峽谷區(qū)，區(qū)內山高坡陡，地形切割強烈，受地形地貌、地層巖性及地質構造的影響，崩塌、滑坡等不良地質現象極為發(fā)育，成為該電站最為突出的主要工程地質問題。筆者以壩址區(qū)規(guī)模巨大的古滑坡為例，對其形成時間、規(guī)模及形成機制進行了系統(tǒng)分析。因該滑坡的穩(wěn)定性對工程布置方案的優(yōu)化與具體實施有直接的影響，關系著該電站的正常運行和相鄰體積電站的開發(fā)、運用以及工程環(huán)境等重要問題，因此，對其蓄水后的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)評價。

1 滑坡地質特征

1.1 地層巖性

工程區(qū)地層以區(qū)域性淺變質地槽型沉積建造為主，巖漿活動微弱。地層以奧陶系、二疊系、三疊系較發(fā)育，分布較廣。工程區(qū)地層巖性主要為奧陶系下統(tǒng)的變質石英砂巖、板巖夾千板巖，志留系板巖、千板巖夾硅質板巖、灰?guī)r，二疊系厚層灰?guī)r，三疊系的上統(tǒng)曲嘎寺組中—厚層夾薄層狀灰?guī)r，少量石炭系灰?guī)r夾板巖。

1.2 滑坡區(qū)地質構造

大地構造部位上，工程場區(qū)位于“川滇菱形”斷塊上，為甘孜—理塘斷裂帶、理塘—德巫斷裂帶、麗江斷裂帶、金沙江斷裂帶所圍限的次級斷塊“稻城斷塊”的東緣。東鄰理塘—德巫斷裂帶的南延段(德巫—麥地龍)、八窩龍斷裂帶SW端，南鄰木里弧形斷裂帶西翼(圖1)。區(qū)內受次級斷塊“稻城斷塊”邊界斷裂帶的影響和控制，地質構造較復雜，斷層、褶皺較發(fā)育。工程區(qū)主要發(fā)育一系列NW向、NE向斷層，組成“棋盤格式”，NW向發(fā)育為主，NE向次之(圖1)。

工程場區(qū)位于先鋒斷層(F1，NE向)、赤土斷層(F9，NW向)和機落斷層(F2，NW向)所組成的“小斷塊”內，發(fā)育有北西向的茸德斷層(F3)、基洼斷層(F4)、撒洼斷層(F5)、索根斷層(F6)及北東向的曼念吉岡斷層(F7)、布讓滿耶斷層(F8)等，發(fā)育的主要褶皺有前山背斜、甲溝向斜，褶皺翼部多被斷層斬傷破壞，工程場區(qū)處于兩褶皺NW末端，次級褶皺(揉皺、膝形撓曲等)十分發(fā)育，巖層產狀變化較大，總體走向N30°～50°W，傾向SW或NE，傾角∠30°～70°不等。工程場區(qū)發(fā)育的主要斷層特征見表1。

圖1 工程區(qū)地質構造綱要

2 滑坡特征及形成機理分析

2.1 滑體特征

從地貌形態(tài)看，滑坡呈陡緩相間的臺階狀，其前緣向河床突出，河道向右彎曲呈弧形，坡腳高程2 215 m。滑坡體后緣高程2 500～3 000 m，地形呈槽狀，坡度34°～36°。滑坡堆積體頂部(2 400～2 450 m高程)為一斜坡狀臺地，坡度5～10°，長、寬約200 m，滑塌體積約2 000×104m3。滑坡體下部由于河水沖刷、強烈切割，以及岸坡再造，形成較為穩(wěn)定的斜坡地帶，坡度30°～45°，沿河上游河岸坡度陡峭。上游側高程2 310～2 350 m坡度較緩，坡度15°～20°，表層堆積有2～4 m的粉土及砂礫石層，下游側滑坡堆積體邊緣為溝形地貌，可見零星殘留Ⅱ級階地的卵(碎)礫石。滑坡前緣坡腳處分布有較多的溶蝕洞穴，說明高水位大致在2 220 m左右。滑舌部位分布有較多的崩塌物質，并見有軟硬相間的砂板巖巨石和帶有層間揉皺的巨型塊、孤石分布(整體滑塌而致)。

表1 工程場區(qū)發(fā)育的主要斷層特征

鉆孔揭示：滑體組成物質巖性復雜，結構較為緊密，可分為3層。上部為塊(孤)石土，中部為棕黃色粉質粘土夾碎塊(礫)石，下部為解體強烈的基巖，成份主要為灰?guī)r塊、碎石和土及少量的板巖巖屑。

2.2 滑帶性狀特征

勘探顯示：滑坡主滑帶為沿基巖面展布的的軟弱帶，成份主要為土、巖屑，零星間有光滑面。其厚度變化較大，鉆孔揭露厚度1.16～8.9 m，在主滑剖面上，底滑帶呈曲線：前部埋深約46.25～47.40 m，高程為2 173.53～2 172.37 m，主要為不同巖性組成的結合面；中部埋深101.1～110.0 m，高程2 303.05～2 294.15 m；后部埋深66.8～69.8 m，高程2 358.98～2 355.98 m。

根據本次鉆孔取樣試驗，滑帶土的物理特性試驗成果見表2、圖2。

表2 滑坡滑帶粘土化學分析結果

圖2 滑坡體滑帶土顆分曲線

在顆分成果上：前部滑帶土(ZKH01：100.85～102.05 m)，<5 mm顆粒含量為42.99%，2～0.075 mm砂含量為34.70%，<0.075 mm細粒含量為1.55%，天然含水率為4.28%。不均勻系數為168，曲率系數為0.1，分類定名為碎石混合土(SICb)。后部滑帶土(ZKH02：68.55～69.75 m)，<5 mm顆粒含量為61.21%，2～0.075 mm砂含量為23.23%，<0.075 mm細粒含量為23.38%，<0.005 mm粘粒含量為3.53%。天然干密度為1.80 g/cm3；孔隙比為0.52；天然含水率為6.72%。液限為24.0%，塑限為16.0%，塑性指數為8.0。不均勻系數為80，曲率系數為0.5，分類定名為粉土質礫(GM)。說明滑帶物質由于部位的不同物性指標存在明顯的不同。

2.3 滑床特征

據地質測繪和鉆孔資料分析，滑床形態(tài)特征主要受本區(qū)地質構造情況控制。巖層產狀變化較大，總體產狀：N40°～50°W/SW∠60°～70°，與岸坡走向呈25°～35°交角。主要發(fā)育N40°～50°W/SW∠50°～70°(層面及近平行層面的剪切帶)、N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°、N40°～50°E/NW∠50°～70°三個方向的節(jié)理。

受上述因素的影響，滑床在主滑剖面上呈不規(guī)則的曲面，在縱向上，滑床后部為斷層其影響帶所形成的順坡向斜坡，巖體受斷層影響形成的滑床與斷層產狀近于一致，地表淺部以斷層對附近地層的切割為界。滑體中部在風化卸荷作用下，上部巖體呈強風化卸荷狀，加上層間板巖抗風化能力較低，易形成滑床頂部軟弱面(滑帶)，滑床為順坡向傾斜的巖層面。前部滑床沿茸德斷層及基巖面展布，斷層及其影響帶可能構成部分滑帶。在橫向上滑床呈寬淺的“U”型，上游側沿產狀N40°～50°W/SW∠50°～70°的基巖層面展布；中上部遷就于N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°的節(jié)理面和部分巖(層)面所組成的結構面；下游側主要跟蹤產狀N40°～50°E/NW∠50°～70°的節(jié)理面等相對軟弱結構面展布。滑床的槽狀地形與本區(qū)山坡和陡崖常沿層面與裂隙等相對軟弱結構面發(fā)育是一致的。

2.4 滑坡形成機理分析

從滑坡的發(fā)育特征可以看出：該滑坡滑動方式比較復雜，前期以整體推動式基巖滑動為主；后期滑體上部又堆積了較多的第四系松散物并發(fā)生過多次以牽引式為主滑動。

2.4.1 層間軟巖夾層及層面構成了潛在滑移面

滑動前，岸坡基巖為二疊系岡達概組(P2g)薄—厚層狀灰?guī)r、灰?guī)r夾板巖、硅質巖。由于本區(qū)地質構造發(fā)育，物理地質現象作用強烈，風化、卸荷普遍。在軟硬相間的厚層灰?guī)r夾薄層板巖層中，二者風化和變形結果不同，較硬的厚層狀灰?guī)r易造成節(jié)理的拉裂張開及卸荷崩塌，較軟的薄層狀板巖側易造成風化剝蝕和次生成土，各種地質應力長期作用的結果，進一步加劇了降雨的入滲和巖體的風化，惡化了軟巖夾層的地質條件，形成潛在順層滑移面。

2.4.2 多種結構面的發(fā)育組合成有利滑動的邊界條件

滑坡區(qū)為斜順向坡基巖地層，總體產狀：N40°～50°W/SW(NE)∠60°～70°，產狀變化較大，揉皺較發(fā)育，主要發(fā)育三組裂隙：①N40°～50°W/SW(NE)∠50°～70°(層面)；②N5°～10°W/SW(NE)∠60°～70°；③N40°～50°E/NW∠50°～70°。滑坡后緣發(fā)育有一推測斷層，總體產狀：N50°W/SW∠60°～70°。①、③組裂隙分別構成上、下游側切割面，②組裂隙和斷層及其影響帶形成后緣切割面，兼具滑動面的作用，滑坡下部發(fā)育的斷層及影響帶，巖體破碎，風化強烈，斷層的切割分離，不但造成岸坡基巖斷腳臨空，也構成前緣部分滑帶。

2.4.3 易于滑坡的地形地質條件

滑坡區(qū)地處青藏高原強烈隆起區(qū)，遭受了多次構造運動，地形高差懸殊，勢能較大。當滑體在重力作用下順層面發(fā)生滑移變形時，在下部斷層破碎帶剪出，形成突發(fā)性的高速滑坡。滑坡發(fā)生時，由于其速度高，體積大，滑體前部滑塌的碎石土不但直接覆蓋于冰水沉積層上，并造成滑體物質在對岸2 375 m高程山坡處也有分布。從地貌形態(tài)及滑塌物質分布情況看，該滑坡為整體推動式基巖滑坡。滑體兩側有沖溝切割，使滑坡周圍形成有利于滑動變形的地質邊界條件。地震、降雨入滲等影響也是岸坡變形破壞的誘發(fā)因素，在各因素綜合作用下，最終引起邊坡失穩(wěn)，形成滑坡。

3 滑坡穩(wěn)定性分系統(tǒng)評價

3.1 計算方法

選擇摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法進行滑坡體穩(wěn)定性驗算。上述方法能分析特殊結構面(層面折線)對滑坡體的穩(wěn)定性影響，尤其是地表水、地下水的作用可在岸坡穩(wěn)定分析中自動計算。該方法還可以分析地震力對滑坡體穩(wěn)定性的影響，比較客觀的反映了各種控制岸坡穩(wěn)定的因素的作用。計算模式分三種情況：模式1滑面上部以實測邊界和結構面產狀為依據，中部以滑體上鉆孔揭露的滑面作控制，剪出口選擇河岸邊2 220 m高程溶蝕洞穴發(fā)育和砂土含量較多的的軟弱部位，進行整體穩(wěn)定性分析。模式2滑面上部以實測邊界和結構面產狀為依據，中部以滑體上鉆孔揭露的滑面作控制，前部順滑帶走勢及揭露的黃色土夾碎(礫)石底部軟弱結構面延伸，并以前緣巖性分界的地形陡坎底出口，進行上部土體穩(wěn)定性研究。模式3根據鉆孔揭露情況，中下部滑帶同模式①的情況，上部沿前部滑帶走勢向上順延切層至地表，進行前部滑體穩(wěn)定計算。根據水庫運用方式，滑坡體穩(wěn)定計算條件主要考慮了自然狀況和庫水位在2 224 m高程條件下與加地震荷載不同組合的安全系數(表3)。

表3 滑坡體巖土物理力學參數表

3.2 計算結果

滑坡破壞模式見圖3～圖5、滑坡破壞穩(wěn)定性計算成果見表2～表6。

圖3 滑坡整體性破壞模式

表4 模式1滑坡整體破壞穩(wěn)定性計算成果

圖4 滑坡上部破壞模式

表5 模式2滑坡上部破壞穩(wěn)定性計算成果

圖5 滑坡前緣部份破壞模式

表6 模式3滑坡前部破壞穩(wěn)定性計算成果

3.3 穩(wěn)定性評價

滑坡體自然條件下整體(模式1)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這和滑坡體上未發(fā)現有變形跡象是吻合的。當庫水位在設計高水位(2 225 m)時，各種工況條件下，安全系數仍大于1.03，滑坡體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。模式2上部滑體盡管存在次級以土為主的軟弱帶，但由于其厚度薄，連續(xù)性差，不具控制意義，加之滑帶平緩，穩(wěn)定條件好。模式3安全系數較低，尤其是Ⅶ度地震條件下個別計算結果為1.016～1.021之間，說明地震條件下安全余度不大。計算結果還表明：地震因素對滑坡體穩(wěn)定性影響較為顯著，地下水位的抬升對滑坡體穩(wěn)定性具有一定的影響，但不顯著，地下水對滑坡體穩(wěn)定性更明顯的影響表現在滑面泥質夾層強度的降低。

水庫蓄水后，滑坡堆積體水文地質條件改變不大，岸坡不會產生大規(guī)模的變形失穩(wěn)現象。

滑坡前部由于庫水位頻繁升降，土體強度降低，動水壓力增大，將會有一定的岸坡再造現象。

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