唐古棟滑坡參數(shù)反演及穩(wěn)定性分析

李映霞　李劍武

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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唐古棟滑坡參數(shù)反演及穩(wěn)定性分析

李映霞李劍武

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

摘要結(jié)合楞谷水電站唐古棟滑坡的工程地質(zhì)條件及初始參數(shù)，根據(jù)滑坡體的穩(wěn)定現(xiàn)狀，利用極限平衡法對(duì)滑帶的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析，從而確定滑帶的c、φ值，然后用SLIDE軟件分析滑坡在各工況下的穩(wěn)定性，為水電站的正常運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞滑坡極限平衡法反演計(jì)算穩(wěn)定性分析

土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及滑坡治理工程設(shè)計(jì)主要受滑帶土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等強(qiáng)度參數(shù)的影響。目前，確定c、φ值的方法主要有3種：一是現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)，該法需要耗費(fèi)大量的人力、物力,另外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能存在失真、非均勻性、誤差及多樣性等問題；二是經(jīng)驗(yàn)類比法，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比確定滑帶的力學(xué)參數(shù)。該法要求滑坡地形地貌、水文地質(zhì)條件、滑坡形態(tài)及成因等基本相同，但實(shí)際上不同滑坡的地質(zhì)情況、成因等千差萬(wàn)別，難以準(zhǔn)確地得到滑帶土的力學(xué)參數(shù)，常作為校核之用；三是參數(shù)反演分析法，即參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)滑坡近期的穩(wěn)定情況及變形跡象來(lái)反演得到滑帶的力學(xué)參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用科學(xué)合理的反演法及綜合多種方法評(píng)估滑帶土的c、φ值被證明是有效的途徑[1]。

1滑坡概況

唐古棟滑坡位于雅江縣孜河鄉(xiāng)雨日村1.2 km處的雅礱江右岸，滑坡發(fā)生于1967年6月8日，當(dāng)時(shí)有1.1億多m3的巖體在幾分鐘內(nèi)高速下滑。滑體前緣高達(dá)200余m的碎石流堆積堵塞河谷，形成壩高175～355 m、庫(kù)容6.8億m3的攔河壩，致使雅礱江堵江斷流達(dá)9 d之久，潰壩后最大流量達(dá)53 000 m3/s，壩下游洪水位陡漲到50.4 m。滑坡規(guī)模巨大，前緣高程為2 450 m，后緣高程為3 500 m，前后高差達(dá)1 000余m，滑坡縱長(zhǎng)1 500 m，前緣寬約1 400 m，展布面積為1.4 km2以上。目前殘存體積仍有約4 875萬(wàn)m3[2]。

滑坡位于雅礱江V形峽谷的陡坡地段，岸坡自然坡度為40°～50°，雅礱江在該段較順直，河水面高程為2 450 m，流向?yàn)?70°左右。

滑坡所處地層巖性為上三疊統(tǒng)侏倭組中厚層砂巖與石英巖脈互層，巖層產(chǎn)狀310°∠54°。砂巖多為中粗粒結(jié)構(gòu)，中等—強(qiáng)風(fēng)化，石英巖脈為偉晶結(jié)構(gòu)，單層厚度一般為30 cm左右，砂巖中偶夾薄層板巖。巖性組合為層狀堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組。岸坡結(jié)構(gòu)為斜反向坡。

2滑坡參數(shù)反演

2.1反演分析思路

參數(shù)反演分析法有很多種[3-4]：正反分析法、逆反分析法、局部最優(yōu)化方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、粒子群算法、梯度類法、混合算法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下可采用反分析法。

唐古棟滑坡沒有明顯的滑帶厚度，多為沿基覆界面滑動(dòng)。滑帶的力學(xué)參數(shù)按其所在層的力學(xué)參數(shù)來(lái)取值，只調(diào)整滑帶的力學(xué)參數(shù)，使得最不利剖面在天然工況下處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)的參數(shù)即為滑帶的力學(xué)參數(shù)，也即滑帶所在巖層的力學(xué)參數(shù)，然后利用該參數(shù)分析滑坡在各工況下的穩(wěn)定情況。

2.2參數(shù)反演分析

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DLT 5353—2006)，唐古棟邊坡屬Ⅱ級(jí)B類邊坡，在持久工況、短暫工況下其設(shè)計(jì)安全系數(shù)[K]不應(yīng)低于1.05，偶然工程下不應(yīng)低于1.00。反演分析中所涉及的天然工況屬持久工況，其極限狀態(tài)的安全系數(shù)為1.05。

唐古棟滑坡典型地質(zhì)剖面見圖1。可以看出，圖1(a)剖面中，滑坡有3種可能的滑帶，其中滑帶1為col+dlQ4層底邊界，滑帶2為fglQ層底邊界，滑帶3為T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷層底邊界。圖1(b)剖面中，滑坡有3種可能的滑帶，其中滑帶1為delQ4層底邊界，滑帶2為結(jié)構(gòu)面、裂隙等與T3zh(1-3)及T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷層底邊界組合形成的可能的滑帶，滑帶3為結(jié)構(gòu)面、裂隙等與T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷層底邊界組合形成的可能的滑帶。圖1(c)剖面中，滑坡有2種可能的滑帶，滑帶1為dlQ4層底邊界，滑帶2為結(jié)構(gòu)面、裂隙等與T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷層底邊界組合形成的可能的滑帶。圖1(d)剖面中，滑坡有一種可能的滑帶，滑帶1為col+fglQ層底邊界。

圖1　唐古棟滑坡工程地質(zhì)剖面

由圖1可知，需要計(jì)算4個(gè)剖面中9種可能的滑動(dòng)情況。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將col+dlQ4、delQ4合并為col+dlQ4，fglQ、col+ fglQ合并為fglQ，見表1。

表1計(jì)算滑帶所在的巖層由表1得出需要進(jìn)行力學(xué)參數(shù)反演的巖層和相應(yīng)的剖面及滑帶，見表2。

計(jì)算剖面及滑帶滑帶所在的巖層縱1剖面1滑帶col+dlQ4縱1剖面2滑帶fglQ縱1剖面3滑帶T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷縱2剖面1滑帶col+dlQ4縱2剖面2滑帶T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷,T3zh(1-3)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷縱2剖面3滑帶T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷縱3剖面1滑帶col+dlQ4縱3剖面2滑帶T3zh(4-7)強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷縱4剖面1滑帶fglQ

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，該滑坡的初始力學(xué)參數(shù)取值見表3。利用極限平衡slide軟件，試算需反演的巖層相對(duì)應(yīng)的剖面及滑帶中沿哪種滑帶滑動(dòng)的安全系數(shù)最小，即哪種滑帶最不利；然后，以相應(yīng)剖面及滑帶中最不利剖面在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.05為原則，依次對(duì)上述各巖層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，得到反演后的力學(xué)參數(shù)，見表4。

表2　需進(jìn)行力學(xué)參數(shù)反演的巖層

3滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

唐古棟滑坡利用表4中的力學(xué)參數(shù)，在slide軟件中建立計(jì)算模型，滑坡縱1剖面1滑帶不同工況，計(jì)算結(jié)果見圖2。各剖面計(jì)算結(jié)果匯總見表5。

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DLT 5353—2006)，穩(wěn)定分析中涉及的工況一、工況四屬于持久工況，工況二屬于短暫工況，工況三屬于偶然工況。

由表5可知：唐古棟滑坡縱1剖面1滑面的工況一、工況四處于極限平衡狀態(tài)，工況二安全系數(shù)低于1.05，工況三安全系數(shù)低于1.00，均處于極限破壞狀態(tài)。縱2剖面1滑面的工況二安全系數(shù)低于1.05，處于極限破壞狀態(tài)；縱2剖面3滑面工況一、工況四處于極限平衡狀態(tài)，工況二安全系數(shù)低于1.05，工況三安全系數(shù)低于1.00，處于極限破壞狀態(tài)。縱3剖面2滑面的工況一、工況二、工況四安全系數(shù)低于1.05，工況三安全系數(shù)低于1.00，均處于極限破壞狀態(tài)。縱4剖面1滑面的工況一、四處于極限平衡狀態(tài)，工況二安全系數(shù)低于1.05，工況三安全系數(shù)低于1.00，均處于極限破壞狀態(tài)。

表3　唐古棟滑坡初始力學(xué)參數(shù)

表4　唐古棟滑坡反演后的力學(xué)參數(shù)

圖2　滑坡縱1剖面1滑帶計(jì)算結(jié)果

計(jì)算剖面滑帶編號(hào)工況一(天然工況)工況二(暴雨工況)工況三(地震工況)工況四(蓄水工況)縱1縱2縱3縱411.050.9240.9551.04921.2511.0961.1441.25131.4391.4371.3071.43911.1621.0181.051.16321.1691.1151.0571.14731.050.9850.9591.0511.2481.0961.1231.24820.9850.9190.8970.98511.050.9220.9611.05設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.051.051.001.05

4結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)地質(zhì)剖面分析所有可能的滑動(dòng)面以及其所處的巖層，找出該巖層相對(duì)應(yīng)的最不利滑動(dòng)面，進(jìn)行參數(shù)反演，得到該巖層更趨于實(shí)際的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合極限平衡理論對(duì)唐古棟滑坡縱1～縱4剖面進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果表明唐古棟滑坡縱1～縱4剖面均處于臨界狀態(tài)，需要進(jìn)行治理。滑動(dòng)面以外的巖層力學(xué)參數(shù)對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析影響不大，無(wú)需進(jìn)行反演修正。

(2)地質(zhì)報(bào)告中提供的各層初始力學(xué)參數(shù)(試驗(yàn)數(shù)據(jù))可能存在失真、非均勻性、誤差及多樣性等問題，需結(jié)合滑坡近期變形跡象，采用參數(shù)反演方法對(duì)初始力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正。這樣可使滑坡穩(wěn)定分析結(jié)果更趨于實(shí)際，為滑坡治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免治理措施偏保守而造成浪費(fèi)，或者避免治理措施偏危險(xiǎn)而給工程運(yùn)行埋下安全隱患。

參考文獻(xiàn)

[1]周平根.滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的估算方法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1998(6):30-33.

[2]中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省雅礱江楞古水電站可行性研究階段工程地質(zhì)報(bào)告[R].成都：中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

[3]班宏泰，覃文文，趙昕，等.巖體參數(shù)的反演分析方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(8) :7-8.

[4]王樂華，楊學(xué)堂，李建林，等.水布埡瓦屋場(chǎng)滑坡參數(shù)反分析研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，27(5)：390-393.

(收稿日期2015-11-24)

李映霞(1984—)，女，工程師，550081 貴州省貴陽(yáng)市。