烏弄龍水電站庫區拉金神谷坡體變形成因機制分析

劉 昌，王林維，李樹武，胡 華，李少平

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065)

0 引 言

反傾向層狀結構巖質斜坡是常見的斜坡結構類型[1-2]。隨著我國大量水電工程的建設，這類坡體發生變形破壞的規模大(如錦屏二級水電站左岸的深部拉裂縫、龍灘水電站左岸的傾倒蠕變體等)，且變形成因機制復雜，演變過程隱蔽，坡體一旦失穩，常具有突發性[3]。因此，有必要進行該類斜坡變形成因機制以及穩定性評價預測的研究。為此，本文以瀾滄江烏弄龍水電站庫區拉金神谷坡體變形破壞為例，對這類斜坡的變形成因機制進行研究，并進行穩定性評價和預測。

拉金神谷坡體位于烏弄龍水電站水庫區右岸，距烏弄龍水電站大壩約24 km，水庫正常蓄水位1 906.00 m，水庫蓄水后坡體前緣水位上升約30 m。2018年11月7日電站開始下閘蓄水，2019年5月30日之后水庫水位經過3次抬升至1 904.9 m高程，于2019年6月7日拉金神谷村居民所在坡體上部約2 312 m高程發現環狀裂縫，坡體開始變形，隨后在坡體近沖溝側出現縱向裂縫，中部出現橫向裂縫。目前，頂部裂縫最大寬度約2.9 m，下錯高度最大約3.4 m，前緣的跨江索橋左岸橋墩已整體向左岸位移2.2 m。坡體一旦失穩下滑，其產生的涌浪或水位壅高將對左岸二級公路及上下游居民安全產生較大影響。

1 坡體基本特征

坡體地貌形態總體呈扇形，頂部高程約2 800 m，前緣位于庫水位以下；2 500 m高程左右地形平緩，下部發育1條沖溝，變形區域位于2 312 m高程以下，被沖溝切割劃分為A、B兩個大區，上游為A區，下游為B區，根據地形地貌特征，將A區進一步分為A1和A2兩個亞區。通過勘探、平剖面計算，坡體總體積約1 400萬m3坡體地形地貌見圖1。

圖1 坡體地形地貌

坡體表部覆蓋層發育，以塊碎石土為主，下伏基巖在坡體上部以侏羅系頁巖、粉砂巖、泥巖為主，中下部以二疊系砂巖、泥質板巖為主，巖層軟硬相間，陡傾坡內，正常巖層產狀N10°～20°E，NW∠70°～80°，江水流向S12°E，岸坡走向S8°E，為縱向谷、反向坡。坡體范圍內有近EW向的石底斷裂、NNW向的茨姑斷裂和燕門-南路卡斷裂等3條區域斷裂通過。經調查統計，共發育5組結構面。結構面分組見表1。

表1 結構面分組

電站蓄水至正常蓄水位后，坡體區江水位由1 876 m 高程抬升至1 906 m高程，水位抬升了30 m，地下水位也相應升高。根據勘探，抬升后的地下水位在坡體水平深度約300 m處與原始地下水位相接。

2 坡體變形特征

2.1 歷史變形

坡體地形地貌特征、勘探揭露情況均表明，該坡體歷史上發生過多期次滑移變形。坡體后緣自2 460～2 312 m高程邊坡較陡且地形整齊，坡度約45°左右，上游側突出山梁之下坡面整齊，呈圈椅狀地形。B區后緣有明顯的陡坡地形，上述特征明顯符合坡體下滑后形成的破裂壁。此外，在A區后緣附近地面分布有多級臺坎，表明坡體在歷史上曾發生過多期滑移變形。因此，從地形地貌上看，坡體符合滑坡的特征。

根據前緣鉆孔揭露，在碎石土和塊碎石層之下分布有粗砂夾卵礫石層，卵石的母巖巖性不一，低于蓄水前江面約3 m。結合現場地形特征，卵石來源可排除古河床成因。此外，坡體區也無溶蝕現象，也排除了溶洞內填充砂、卵石的可能。深部被約40 m碎石土、塊碎石覆蓋的砂卵石為滑坡滑動過程中滑體物質沖覆于瀾滄江河流堆積物之上形成，上部碎石土與砂卵礫石的接觸面即為坡體的歷史底滑面(帶)。鉆孔深部揭露的瀾滄江沖積砂卵礫石層是上覆土體歷史上發生過滑動破壞的最直接、最有力的證據。

勘察階段在坡體中后部及前緣進行了2個平硐勘探， A區中后部底滑面(帶)以淺黃色泥質為主，前緣則以灰黑色泥質為主，粘粒含量較高，擠壓密實；B區前緣底滑面(帶)以青灰色碎塊石為主，泥質含量相對較少，粘粒含量較低，結構松散。上述特征均表明坡體在歷史時期已曾產生過滑移變形。

2.2 蓄水后變形

烏弄龍水電站下閘蓄水后，于2019年6月7日開始在坡體上部約2 312 m高程產生環狀裂縫，上、下游兩側一定范圍也產生了不連續的側向裂縫，隨著坡體持續變形，周邊拉裂縫進一步延伸、貫通。目前，后緣裂縫最大寬度約2.9 m，下錯高度最大約3.4 m，坡體范圍內出現大量的縱向裂縫，中部出現2條延伸長120～150 m、寬15～20 cm的橫向拉裂縫，部分房屋開裂，跨江索橋右岸橋墩向左岸移動約2 m，導致橋面向上隆起。

根據觀測資料分析，坡體各部位變形總體向臨空方向，即N85°E～S70°E，其中A1區總體變形方向為垂直河流方向，A2區總體變形方向為垂直河流略偏下游方向，B區變形方向偏向上游沖溝臨空方向。

3 坡體成因機制分析

坡體區河谷演化過程整體上經歷了寬谷期和峽谷期2個階段。在寬谷期，瀾滄江持續下切，且不斷向右岸侵蝕，因此在右岸形成了2 450 m高程以上的寬闊地形。進入峽谷期后，地殼抬升及河流快速下切，形成的坡體地形較陡。上述河谷的演化形成了現在右岸坡體上緩下陡的地形特征。

經詳細勘察，拉金神谷坡體演變主要經歷了初始完整坡體→初期傾倒變形→變形持續發展→多次變形調整最終滑移4個階段。

3.1 歷史滑移

引起坡體滑移變形的因素很多，主要為地形地貌、地質構造、巖層傾倒折斷等。

(1)地形地貌條件。坡體上游為一突出山梁，下游受沖溝切割影響，形成三面臨空的地形，為早期岸坡巖體的傾倒變形提供了空間條件。地質歷史時期，隨著地殼的抬升和瀾滄江河谷的下切，由于坡體位于易受沖蝕的凹岸，長期受江水淘刷，逐漸形成高陡的地形，使巖體臨空，原有的應力平衡被破壞。坡體在自重應力、構造應力、地震力等多種應力的綜合作用下，向臨空方向產生變形調整。

(2)地質構造。根據區域地質資料，拉金神谷坡體范圍內發育3條規模較大的區域斷裂，這3條斷裂相互切割、錯斷。下伏基巖巖性復雜，斷層、裂隙發育，巖體極為破碎，為坡體滑動變形提供了物質條件。

(3)巖層傾倒。岸坡出露的巖性有侏羅系花開左組紫紅色砂巖、板巖、頁巖、泥巖等；二疊系灰、深灰色砂巖、板巖、侵入巖等。巖層產狀為N10°～20°E，NW∠70°～80°，陡傾岸內，走向與岸坡夾角較小(18°～28°)，為逆向坡，軟硬相間的層狀巖體受層面或其他結構面切割，以“板梁”的形式賦存于坡體之中，在坡體表部最大主應力作用下，向河谷方向發生彎曲傾倒，持續變形折斷。

(4)坡體中后緣順坡向斷層為巖層傾倒提供了分離面。在A區2 098 m高程的平硐主洞242～245 m段及支洞35～36 m段揭露的斷層F1，產狀N22°～25°W，NE∠50°～64°，走向與坡向近平行，傾岸外，斷層帶寬約1～3 m，帶內充填灰白色泥質及糜棱巖，兩側影響帶寬約3～5 m，巖體破碎，巖層有明顯揉皺現象。該斷層發育于坡體后部，中陡傾坡外，規模較大，斷層的作用導致了坡體中后部巖體完整性變差，降低了巖體的力學性質，使該部位的巖體成為傾倒或滑移破壞的薄弱部位，為坡體下伏巖體產生傾倒變形提供了分離面。坡體折斷面(帶)貫通—滑移示意見圖2。

圖2 坡體折斷面(帶)貫通—滑移示意

(5)折斷面(帶)貫通并產生滑移破壞。眾多巖質邊坡中，由于原生地質成因或后期內外動力地質改造作用，常常于坡體內形成走向平行于坡面的陡、緩2組斷續結構面，這2組結構面的存在對反傾岸坡傾倒變形具有極大的影響[4]。邊坡在傾倒的同時，伴隨有坡體沿坡內順傾結構面的滑移變形，當傾倒達到一定程度時，坡體將最終沿結構面產生滑移破壞[5]。從勘探揭露情況看，鉆孔及平硐中同時揭露了滑動帶和巖體的折斷帶，表明坡體在傾倒變形持續發展的過程中，形成了多期(次)的折斷帶，當坡體變形發展至一定程度，巖體沿上部的強傾倒折斷帶貫通后產生滑移破壞并形成目前的底滑面(帶)，而底滑面(帶)下部仍殘留有傾倒的巖體和折斷帶。對坡體主要發育的結構面進行組合分析認為，①、②組與邊坡整體走向近平行且傾坡內，不能直接構成邊坡的潛在滑移面；③、④組結構面走向與邊坡大角度相交，且分別分布于坡體兩側，可能形成坡體的側裂面；⑤組為中～緩傾結構面，走向與邊坡近平行傾坡外，延伸較短，可追蹤折斷面(帶)并形成貫通性滑移面產生滑移破壞。

3.2 變形成因機制

拉金神谷坡體自2019年6月坡體出現變形開始，至2019年8月底逐漸趨于收斂。其變形過程基本上劃分為啟動、加速滑移、減速并趨于收斂3個階段。

第1階段。滑坡體受到內、外部因素的強烈影響，坡體后緣產生拉張裂縫，同時由于剪切變形加劇以及良好的臨空條件，坡腳出現局部變形。坡體變形的第1階段見圖3。

圖3 坡體變形的第1階段

第2階段。滑體在啟動加速度作用下獲得初始滑速，滑體后緣變形速度持續增加，前緣堆積體不斷受到后緣物質擠壓和推動，后緣環形拉裂縫形成，坡體有產生裂縫的趨勢。坡體變形的第2階段見圖4。

圖4 坡體變形的第2階段

第3階段。受地形條件限制，滑坡體從后緣啟動，變形逐漸發展至地形略緩的中部，坡體產生縱、橫拉裂縫，并不斷克服土體的抗剪強度，產生明顯裂縫，運動速率有所降低，進入減速階段并逐漸趨于收斂。坡體變形的第3階段見圖5。

圖5 坡體變形的第3階段

水庫蓄水后，庫水位由1 876 m高程蓄水至1 906 m高程，水位上升了30 m。受地下水位抬升影響，坡體前緣水下部分產生懸浮減重效應，阻滑段滑體的有效重度減小；前緣部分底滑面(帶)、碎石土軟化，抗剪強度參數大大下降，滑面上的有效應力減少或抗滑阻力減少[6]，坡體在重力作用下產生沿既有的滑移面產生整體變形調整，造成坡體后緣、側緣拉裂，坡面形成多條張拉裂縫和剪切縫。因此，水庫蓄水是本次坡體再次產生調整變形的主因。

4 穩定性評價

對滑坡體穩定性采用極限平衡法進行計算分析[7]，分別沿底滑面(帶)與傾倒折斷面(帶)進行穩定性計算。巖土體物理力學參數綜合取值見表2。

表2 巖土體物理力學參數綜合取值

經計算，坡體在蓄水后沿底滑面(帶)在正常工況下整體安全系數為1.036～1.101，下游突出山梁A2區及B區安全系數較高，暴雨工況下安全系數為1.03～1.09，地震工況下安全系數為0.99～1.04，基本上處于極限平衡狀態。沿下部傾倒折斷面(帶)正常工況下整體安全系數為1.189～1.483，暴雨工況下安全系數為1.18～1.39，地震工況下安全系數1.13～1.34，表明坡體沿下部傾倒折斷面(帶)整體是穩定的。從計算結果分析，滑坡整體失穩下滑的可能性不大，但滑坡前緣臨水局部岸坡仍存在調整變形，破壞形式以局部解體坍塌為主。

5 變形趨勢分析

從監測成果分析，坡體變形總體上經歷了加速變形→平穩變形→減速變形→趨于收斂4個階段。自2019年6月22日監測以來至2019年7月6日坡體處于加速變形狀態，Vmax=2.92 mm/h，日變形量最大為70 mm；2019年7月6日～2019年8月5日處于平穩變形狀態，Vmax=2 mm/h，日變形量最大為48 mm；2019年8月5日～27日處于減速變形狀態，V=1～0.5 mm/d； 2019年8月27日以后逐漸趨于收斂狀態，V=0.1～0.2 mm/d。2020年以來各GNSS監測點平均變形速率已降為0.08 mm/d。坡體變形速率變化過程見圖6。總體上看，坡體蠕滑變形速率已小于0.2 mm/d，持續時間已近12個月，可判定其整體變形趨于收斂。

圖6 坡體變形速率變化過程

綜合分析認為，當坡體下錯滑落后，上部的重量減小，重心降低，下滑力減小，坡體變形趨于收斂；另 一方面，由于坡體滑面中段為巖塊被剪斷構成的呈臺階狀，當繼續向下沿臺階狀剪切時，可能遇有大的臺階而逐漸停止下來[3]。

6 結 語

本文基于烏弄龍水電站庫區拉金神谷坡體蓄水后變形情況，對其成因機制與穩定性進行了分析研究，得出以下結論：

(1)從地形地貌上看，拉金神谷坡體為滑移后形成的典型地形；坡體表部分布有較厚的碎石土層，下伏基巖受區域斷裂影響，巖性復雜，斷層、裂隙發育，巖體極為破碎，構成了坡體變形的主要物質基礎；高陡的反向坡體使巖層傾倒折斷并追蹤傾坡外的中緩結構面形成貫通的滑移面，最終滑移形成滑坡。

(2)水庫蓄水后，受地下水位抬升、坡體前緣部分底滑面(帶)、碎石土軟化等因素影響，坡體在重力作用下沿既有的滑移面產生整體變形調整。

(3)目前，在坡體中部、下游臨沖溝側形成許多弧形和縱向裂縫，水泥路面大部分拉開，部分房屋開裂，應力逐步在調整釋放。多種方法監測數據表明，目前坡體變形速率減緩，整體變形已趨于收斂。