雅礱江楞古水電站馬河崩塌堆積體邊坡穩定性評價

張楚楚 孫少銳 王 帥 唐 凱

(河海大學 地球科學與工程學院， 南京 210098)

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雅礱江楞古水電站馬河崩塌堆積體邊坡穩定性評價

張楚楚 孫少銳 王 帥 唐 凱

(河海大學 地球科學與工程學院， 南京 210098)

邊坡失穩是一種常見的工程地質災害，直接影響了工程的建設與運行安全．本文在詳細地質調查的基礎上，確定了楞古水電站馬河崩塌體邊坡的分布范圍并分析其變形失穩模式．分別利用SLIDE和ADINA軟件對邊坡進行穩定性計算，對比計算結果，得出邊坡的潛在滑動面及其安全系數，繼而對邊坡的整體穩定性做出評價．研究結果表明，馬河崩塌體基本處于極限平衡狀態，在蓄水和地震工況下安全系數明顯降低，有沿淺表層發生滑動破壞的可能．

馬河崩塌體； 極限平衡法； 有限單元法； 安全系數； 穩定性評價

邊坡的穩定性分析是巖土工程中一項重要工作，國內外眾多學者在大量工程實踐的基礎上積累了許多經驗，發展至今也誕生了很多研究方法，其中最重要、應用最廣泛的是極限平衡法和有限單元法．極限平衡法最早由Bishop在1955年提出，后Chen Z Y，Duncan等學者又基于不同的假設對其進行了修改[1-3]，迄今為止，常用的極限平衡方法有Fellenius法，簡化Bishop法，Morgenstern-Price法，Spencer法，Janbu法，Sarma法等．大量的工程實踐證明，極限平衡法是一種簡單有效的邊坡穩定性分析方法，且經過數十年的發展，在理論和計算方面均日漸成熟，被廣泛運用于研究和實踐．Jian Weixing等[4]基于Sarma法對崩塌堆積體邊坡的形成機制和穩定性進行了分析；袁廣祥等[5]以極限平衡理論為基礎，采用多種方法對帕隆藏布流域堆積體邊坡的穩定性進行評價．而隨著現代計算機技術的快速發展，有限單元法以其在解決應力應變問題中的特有優勢逐漸受到重視，發展至今也已成為一種主流的邊坡穩定性分析方法．Qinghui Jiang等[6]基于強度折減理論利用有限單元法對錦屏一級水電站高邊坡進行穩定性分析評價；董金玉等[7]利用數值分析軟件對水庫蓄水和下降過程中邊坡變形破壞特征進行了分析預測．

馬河邊坡在結構上屬于崩塌堆積體邊坡，針對堆積體邊坡，國內外一些學者也進行了專門的研究．Bertran.P等[8]研究了邊坡淺層堆積體的結構特征，表明堆積體的結構在一定程度上反應了邊坡的形成發展過程；Jianming He等[9]利用顆粒流程序對堆積體邊坡的地震反應做了研究，表明在地震作用下邊坡表面低速的堆積體可能是影響基巖地震動的關鍵因素；楊繼紅等[10]研究了水庫蓄水過程中堆積體邊坡的瞬態穩定性．本文在詳細地質調查的基礎上，分析了馬河崩塌堆積體的分布范圍、變形失穩模式等，綜合利用極限平衡法和有限單元法(基于強度折減理論)，對其進行邊坡穩定性評價．計算通過SLIDE軟件和ADINA軟件進行，分析過程中充分考慮了馬河崩塌堆積體的邊坡結構、物質組成等特征．

1 工程概況

楞古水電站位于雅礱江干流中游河段上，研究區為典型的高山峽谷地形，兩岸山體雄厚，谷坡陡峭，地形高差大，臨江坡高超過500 m．該河段基巖主要為三疊系變質砂板巖和少量的花崗巖侵入體，第四系松散堆積物主要沿右岸階地和大型沖溝分布，厚度較大，分布范圍較廣，左岸零星分布，厚度及范圍較小．河段沖溝較發育，溝內堆積有大量泥石流、碎石崩塌體等松散堆積物．由于工程區岸坡高聳陡峻，相對高差大，加之風化卸荷影響，岸坡穩定問題突出．根據現場勘察報告，馬河崩塌體邊坡現整體雖處于穩定狀態，但在邊坡前緣發現局部塌滑現象．

馬河崩塌體地形較簡單，地勢較兩邊低，呈下凹的簸箕形．滑坡體整體呈瀑布狀，坡度自上而下較為均一，約為30～35°．由于為巖石崩塌堆積形成，前緣較不規則．崩塌體物質主要為崩塌的碎石塊，表面土石膠結，膠結良好，內部存在架空層，架空層碎塊石松散堆積．崩塌體所在的區域沖溝較為發育，有十數條之多，其中一小部分是泥石流溝，一般較大的沖溝延伸長，切割深度大，有的甚至達到十幾米，崩塌體附近沖溝中分布的塊石粒徑大小較為統一，巖石有輕微磨圓．崩塌體所在邊坡為變質砂巖反傾邊坡．馬河崩塌體邊坡典型地質剖面如圖1所示．馬河崩塌體邊坡區出露的地層主要有中生界的三迭系和新生界的第四系．

圖1 馬河崩塌體邊坡典型地質剖面圖

三疊系(T3)：研究區基巖巖性為三疊系上統侏倭組(T3zh)，為淺灰至深灰色中細粒變質砂巖，并伴有有少量石英巖脈、花崗巖脈．根據現場鉆探資料，鉆孔巖芯多呈半柱狀～碎塊狀，局部呈柱狀，部分鉆孔巖芯風化強烈，破碎嚴重，破碎帶寬度大．部分巖石發生嚴重的泥化糜棱化現象，局部的鐵質浸染現象也很明顯．可見該區巖體經受過強烈的先期構造活動和后期風化侵蝕，巖體質量較差，巖體的完整性也較差．

第四系(Q)：主要發育在河流兩岸的階地上，主要為沖積堆積(alQ4)、崩坡積堆積(col+dlQ4)．另外，在鉆孔資料中可以看到殘坡積、疑似冰積層的存在．巖性為半膠結礫石層、砂礫石層和膠結礫石、塊石、砂、亞砂土、亞粘土等．

巖漿巖：區內巖漿巖分布較廣，主要為侵入巖．侵入巖體主要為印支期-燕山期花崗巖(γ5)、黑云母花崗巖(γβ5)、二長花崗巖(ηγ5)、花崗閃長巖(γδ5)、石英閃長巖(δο5)和規模較小的花崗偉晶巖脈(γρ)．

2 崩塌體邊界及失穩模式分析

2.1 崩塌體邊界的確定

崩塌體邊界主要根據周邊基巖出露情況和鉆孔物探資料確定．根據調查結果，馬河崩塌體是一個上窄下寬的平緩碎石坡．上部為碎石和土石膠結物，表面膠結良好，中間有架空現象．周圍基巖為反傾變質砂巖，崩塌體周邊基巖出露點較多，基巖層面較清晰，出露基巖點構成了崩塌體基本邊界．

馬河崩塌體邊界示意圖如圖2所示，在崩塌體前緣上游側，出露基巖主要為厚層的黑色變質砂巖，有石英巖脈填充；在崩塌體上游下部邊界外，地形為凸起山梁，出露基巖主要為灰黑色-黑色變質；在崩塌體中部上游邊界處，基巖出露點較多，比較破碎，有傾倒現象，節理夾泥；在后緣上游邊界處，為破碎基巖梁，巖石為灰黑色-黑色變質砂巖，巖石破碎，節理充填；在崩塌體后緣附近，巖石順層強烈劈理化，傾倒嚴重，產生垂直于層面的楔形張開，節理泥質充填，表面崩塌；在后緣下游邊界處，為基巖陡壁，巖石為灰色-黑色變質砂巖，巖石劈理化嚴重，但層理仍清晰；在崩塌體中部下游邊界處，基巖出露點較多，比較破碎，表面有崩塌現象，節理夾泥；在前緣下游邊界外，基巖較為完整，為中厚層狀的灰黑色變質砂巖．

圖2 馬河崩塌體邊界示意圖

2.2 崩塌體變形失穩模式分析

研究區地層經歷了多期構造運動和復雜的物理化學風化作用，其成因機制較為復雜．首先，在多期構造運動的影響下，研究區巖體較為破碎，節理非常密集；其次，巖石以及結構面的連接強度在長期風化作用下降低，加上沿裂隙的滲流作用進一步加劇風化，致使巖體產生破碎帶．另外，在雅礱江的持續下切作用下，岸坡巖體發生卸荷變形，側向卸荷導致岸坡巖體中的各類既有結構面向臨空方向擴張，形成一些所謂重力裂隙，巖體完整性及穩定性發生漸進性衰退．

馬河崩塌體邊坡主要為變質砂板巖，巖性較脆，在河流向下侵蝕的過程中，形成了密集的順層劈理，使巖層呈薄片狀．又因為巖層產狀特殊，呈反傾角陡傾，導致巖層向坡外發生傾倒變形．當傾倒至一定程度，達到脆性砂板巖所能承受的彎曲極限，巖層便因彎曲而形成近平行于坡面的楔形張裂縫，與巖層面交叉貫通，將巖石切割破碎，繼而在重力作用下發生崩塌．這種變形主要發生在坡面淺層，延伸深度較小，可以在相對較短的時間內發生，表現出較強的突發性特點，是目前馬河崩塌體破壞形式的主要成因機制[11]．同時，因為本區順坡向的切層結構面特別發育，巖層的傾倒可能導致順坡向節理的拉張，如果由于卸荷產生的切層張節理和順坡向的節理在深部形成貫通，則可能發生較大規模的崩塌滑坡．目前崩塌碎石邊坡處于極限平衡狀態，坡角近似為碎石休止角．馬河崩塌體后緣和周邊基巖卸荷傾倒，切層的楔形張節理發育，存在進一步卸荷崩塌的條件．前緣碎石土在重力和水流沖刷作用下，會產生滑塌，這個過程會逐漸向上延伸，產生緩慢的滑塌現象．在蓄水條件下，現有土石膠結物會產生崩解，加速崩塌體滑塌進程．

3 邊坡計算分析

基于極限平衡理論和有限單元法，分別利用SLIDE軟件和ADINA軟件對邊坡進行穩定性計算．計算按自然工況、蓄水工況、地震工況進行，其中蓄水工況為水位由2 400 m高程上升至2 479 m高程，地震工況模擬為動力水平向峰值加速度采用50年超越概率10%的峰值加速度0.167．計算所需參數均出自工程地質勘察報告，主要是根據室內試驗，再類比國內相關工程來確定，考慮了邊坡中可能滑動的幾層巖土體，其物理力學參數取值見表1．在進行邊坡穩定性計算時，采用Mento-Carlo方法提取樣本，樣本參數按正態分布．另外，考慮到巖土體參數可能的變化范圍，標準差取為0.1．

表1 邊坡巖土體物理力學參數表

3.1 邊坡極限平衡計算分析

利用邊坡分析軟件SLIDE進行邊坡極限平衡分析．根據軟件自動搜索滑面功能可知邊坡滑動主要集中在淺表層，結合邊坡的物質結構組成，預設5條潛在滑動面，主要為不同邊坡介質的交界面．自然工況、蓄水工況和地震工況下的剖面計算結果如圖3～5所示．

圖3 自然工況 圖4 蓄水工況 圖5 地震工況

計算共考慮3種滑移模式：第一種滑移模式為表層堆積體的滑移，底滑面為堆積體與強卸荷(風化)變形巖體的接觸界面，分布范圍為滑坡堆積體的后半部分，水平方向占整個堆積體的2/3；第二種滑移模式為表層堆積體的滑移，底滑面為堆積體與強卸荷(風化)變形巖體的接觸界面，分布范圍為滑坡堆積體的前半部分，水平方向分別占整個堆積體的1/3；第三種為整體滑動，滑動面大部分位于強卸荷(風化)變形巖體與弱卸荷(風化)變形巖體的分界面上．邊坡安全系數概率分析結果見表2．

表2 邊坡概率分析結果

由表2可知，地震工況和蓄水工況下邊坡的安全系數均明顯減小，破壞概率明顯增大，最高達88.7%．計算得，天然狀態下預設滑面所得最低安全系數為1.081，滑面位于邊坡坡腳處，為碎石土與強變形巖體的交界面．邊坡整體處于穩定狀態．下壩址蓄水后，邊坡的安全系數較自然邊坡降低了約8.0%～17.2%，分析原因可能是河水位上升，邊坡坡腳被浸沒，地下水位上升，土石膠結物發生崩解，導致坡腳處潛在滑面的安全系數下降，最低達到0.980，即蓄水后可能導致邊坡前緣崩塌體加速塌滑，滑動的范圍逐漸擴大，致使邊坡坡腳處發生局部失穩．在地震情況下，邊坡的安全系數降低了約8.8%～17.2%，最低降為0.985．由于外動力因素影響，邊坡在動荷載作用下可能導致失穩．由以上分析可知，蓄水和地震作用對邊坡穩定性的影響程度相當．

3.2 邊坡有限元計算分析

為了解邊坡內應力應變分布，找出可能發生的破壞形式和破壞部位，以及邊坡破壞的發生和發展過程，利用有限元軟件ADINA建立邊坡的有限元計算模型．計算中地應力按自重應力考慮．因為邊坡只受到重力場的作用，模型的底部邊界設定為固定邊界約束，左右邊界設定為水平約束．模型假定邊坡巖體應力、應變之間的本構關系為彈塑性，巖體的破壞服從莫爾-庫倫準則．模型共剖分節點3 007個，單元2 947個．建立模型的過程中盡可能的模擬典型地質剖面的各種地質條件，以符合客觀實際．

天然狀態下邊坡的最大主應力云圖如圖6所示．由圖可知邊坡的最大主應力在坡腳位置有明顯的應力集中現象，隨邊坡深度的增加，最大主應力開始擴散，在邊坡下部，應力等值線接近平行分布．最大主應力在底部最大，隨深度的減小而減小，在近地表位置，最大主應力趨近于零壓力值．天然狀態下邊坡的最小主應力云圖如圖7所示，可以看出邊坡的應力分布特征明顯受重力場的控制，坡內應力場的分布符合一般斜坡應力場的分布特征．最小主應力在邊坡內漸變分布，最小主應力值從微新巖體到覆蓋層逐漸變小，靠近臨空面處趨近于零．從圖中可以看出邊坡整體處于受壓狀態，但在滑體邊緣地表附近出現了不連續的拉應力區，最大拉應力值為0.3 MPa．

圖6 最大主應力云圖

圖7 最小主應力云圖

采用折減系數法計算邊坡的安全系數[12]．對邊坡材料的c，φ值進行等比例折減，直至邊坡達到破壞的臨界狀態，即極限平衡狀態，將此時的折減系數作為邊坡的安全系數．判斷邊坡是否處于極限平衡狀態的方法主要有：根據邊坡內塑性區的分布特征，若塑性區由坡底至坡頂貫通，則為失穩；在模型、參數、約束等均正確合理時，若有限元計算不收斂，則可能已發生破壞；若邊坡內某一點的位移隨折減系數的改變突然迅速增大，說明邊坡發生破壞．本文主要采用前兩種方法判斷邊坡的極限平衡狀態．計算得自然工況、蓄水工況、地震工況下的安全系數分別為1.12，1.05，1.00．計算中發現，自然狀態下邊坡剪應力在滑體底部的基巖中出現集中現象，最大剪應力2.83 MPa，在滑體內部剪應力較小．另外，隨著物理力學參數的逐漸折減，滑坡前緣崩塌體最先進入塑性狀態，但沒有大面積的剪切應變增量區，只在前緣坡角有很小的應變集中區，說明坡角位置容易發生局部破壞，這與現場觀察到的坡角處的塌滑現象是吻合的．相應折減系數下的邊坡塑性區分布云圖如圖8～10所示．由圖可知，無論是自然工況，蓄水工況還是地震工況，其塑性區均集中在淺表層，以強變形巖體和弱變形巖體的分界面為底部界線．因此，邊坡在遭遇不利于穩定的外荷載時，極有可能沿該界面發生滑動．這與極限平衡法所得結果是一致的．

圖8 自然工況F=1.12塑性區分布云圖

圖9 蓄水工況F=1.05塑性區分布云圖

圖10 地震工況F=1.00塑性區分布云圖

4 結 論

在安全系數的計算上，基于極限平衡理論的SLIDE軟件具有較高的可靠度，因此將ADINA所得結果與其進行對比，結果發現ADIAN計算所得安全系數較SLIDE大，但相差很小，在可接受范圍內，且在3種工況下所表現出的變化趨勢是一致的．因此可以判斷ADINA基于強度折減理論所進行的穩定性分析是可靠的．而SLIDE所欠缺的邊坡應力應變分析和塑性區發展過程分析則可以通過ADINA進行彌補，從而達到兩種方法取長補短的作用，提高分析可靠度．

本文在詳細地質調查的基礎上，利用兩種分析方法所得邊坡安全系數相近，邊坡的破壞模式和滑動面可能存在的位置也是相似的，因此，結合邊坡的工程地質條件可以得出以下結論：

1)馬河崩塌體由于谷坡陡峻，沖溝發育，加之邊坡巖體的風化卸荷較強烈，岸坡變形破壞，穩定性較差，坡腳處由于重力作用和流水沖刷作用已發生小規模塌滑，且塌滑范圍有向上發展延伸的趨勢．

2)天然狀態下，邊坡應力分布主要受自重應力影響，在坡腳位置有明顯的應力集中．邊坡的安全系數保持在1.1左右，整體穩定，坡腳和坡面的碎石土層局部安全系數小于1.0，表明岸坡局部有小規模塌滑現象．

3)在蓄水和地震工況下，邊坡的安全系數明顯減小，塑性區分布范圍明顯擴大．因此蓄水和地震動荷載會對邊坡穩定性造成較大的不利影響，加速岸坡塌滑破壞進程和破壞范圍．

4)根據Slide自動搜索滑弧的結果，結合ADIAN塑性區分布云圖，崩塌體滑動面主要為表層碎石土與下部強變形巖體的交界面．滑動形式主要為淺層滑動．

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[責任編輯 王迎春]

Stability Assessment of Mahe Deposit Slope of Lenggu Hydropower Station on Yalong River

Zhang Chuchu Sun Shaorui Wang Shuai Tang Kai

(College of Earth Science & Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Slope failure is a common engineering geological hazard directly affecting the construction and operation of projects. Based on detailed geological survey, the distribution range and failure mode of Mahe deposit slope are analyzed. SLIDE and ADINA are used to obtain the potential sliding surfaces and safety factors. The computation results from the two kinds of software are compared and stability assessment of the slope is given. The research results indicate that the Mahe collapse masses are in a state of limit equilibrium on the whole; but the safety factor decreases in the reservoir impounding and earthquake conditions. The sliding along superficial layer will probably happen.

Mahe deposit slope; limit equilibrium methods; finite element method; stability assessment

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.05.008

2016-04-27

國家自然科學基金項目(41102162)

張楚楚(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖石力學等．E-mail：310305568@qq.com

P642

A

1672-948X(2016)05-0041-05