賦存環境對干海子滑坡體穩定性影響研究

殷秋雨，李仁江，冷先倫，方 波，4，付曉東

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 3.中國長江三峽集團有限公司 移民工作局，四川 成都 610000； 4.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

滑坡體的穩定性狀態是其賦存環境下多種因素共同作用的表現，具有復雜性和綜合性。庫水位漲落[1]、暴雨[2]和地震[3]是誘發庫岸滑坡的關鍵因素。干海子滑坡是溪洛渡水庫近壩庫段的重點滑坡，規模巨大。賦存環境作為誘發邊坡失穩的關鍵因素,國內外學者開展了大量針對性的研究工作，如：TOHARI等[4]在模型槽內進行滑坡試驗，得出了不同工況下邊坡的破壞模式；CATANE等[5]自制了室內模型槽，研究了滲流誘發邊坡破壞造成的含水率、土體位移變化規律；方景成等[6]對庫水位變動速率與降雨強度進行了單因素與雙因素聯合作用下的敏感性分析；徐永強等[7]與徐翔[8]等利用有限元分析軟件 GEOSTUDIO 對滑坡瞬態滲流場進行了數值模擬和邊坡穩定性分析；鄧琴等[9]利用FLAC3D軟件分析邊坡的剪應變發展規律，根據剪應變的集中帶獲取邊坡的多個潛在滑面；JIA等[10]與BERILGEN[11]等，建立模型分析了邊坡在水位漲落作用下的性能。然而，上述研究少有針對賦存環境結合不同周期的監測數據對實際工程進行穩定性研究。干海子滑坡體因其特殊的歷史演化過程、賦存環境因素和工程重要性，研究其在庫水調度過程中的穩定性是保障溪洛渡水電工程健康運營的關鍵。

本文針對溪洛渡水電站庫區干海子滑坡體，在詳細分析其地質條件的基礎上，通過分析現場變形監測點的變形發展規律，初步判斷滑坡的可能破壞形式，進而采用二維極限平衡分析方法[12]，開展滑坡體在建設期、蓄水期及運營期不同賦存環境條件下的穩定性分析。研究其在庫水位漲落、暴雨及地震等條件下的穩定性和可能的破壞區域與形態，并結合現場變形監測結果評價干海子滑坡體的穩定性，揭示賦存環境對滑坡體穩定性的影響規律，為岸坡穩定性評價提供理論依據和方法支持。

1 賦存環境

1.1 區域降雨環境

干海子滑坡體所處的近壩庫段地勢高差懸殊，氣候垂直變化顯著，河谷干熱，高山陰冷潮濕，屬典型的亞熱帶氣候區。該區平均值降雨量為586.3～851.2 mm，主要集中在4～10月，占全年的90.37%～96.55%；多年平均蒸發量2 139.0 mm，多年平均相對濕度67%，平均風速3.0 m/s。暴雨多集中在6～8月，根據永善縣雨季開始、終止日期、保證率和部分地區月降雨量資料，該區域最大日降雨量可達100.0 mm(見圖1)。

圖1 永善縣雨季開始、終止時間及保證率Fig.1 The start, end date and guarantee rate of the rainy season in Yongshan County

1.2 水庫調度

水庫調度由雨季、枯水季和發電共同來控制(見圖2)。溪洛渡水電站水庫發電年調度規則如下：

圖2 溪洛渡水庫水位變化時間過程曲線Fig.2 Water level-time course curve of Xiluodu reservoir

(1) 雨季來臨前，為迎接強降雨，需降低水庫水位留出庫容。4月初至5月底水位下降，最低水位約為540 m。

(2) 根據防洪需求，在雨季末期到枯水季來臨之前為水庫水位持續平穩上升階段，10月到年底，水庫水位達到最高600 m。

(3) 當水庫水位處于保證出力區時，電站按保證出力工作；若水庫已蓄水至正常蓄水位600 m時，則按來水流量發電。

1.3 地震環境

根據國家地震局的國家地震烈度區劃資料和水庫地質資料，認為影響溪洛渡水電站壩區附近水庫區穩定性的周邊地震帶主要是馬邊-鹽津地震帶。該地震帶位于水庫東側，距干海子滑坡20～30 km，北起馬邊附近，經靛蘭壩、瑪瑙、璜瑯、大關木桿河至吉利鋪，分布在西北偏北方向，長約120 km，寬約20 km，與馬邊-鹽津隱伏斷裂帶分布方向基本一致。滑坡區地震危險主要來自于該地震帶的影響，地震基本烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度0.15g。

2 工程概況

2.1 地質條件

干海子滑坡體位于金沙江右岸，距壩址14 km。滑坡體前緣堆積高程390 m，后緣高程700 m，鉆孔揭示厚度為55.66～166.04 m，滑坡體積約4 700萬m3，主滑方向N25°W。滑體上部主要由陽新灰巖碎塊組成，局部架空；下部主要由志留系砂頁巖碎塊組成，結構密實。主滑面沿志留系地層下部頁巖發育，剪出口高度為490 m，滑動面向下游傾斜3°～5°。滑帶厚度為0.50～2.30 m，由志留系泥頁巖巖屑和角礫夾泥組成，擠壓緊密。干海子滑坡體屬于滑坡堆積體，位于庫岸的右側，為堆積層順基巖界面滑坡。區內基巖產狀變化較大，總體上從上游往下游產狀從N10°～40°E/SE∠10°～15°變為N40°～60°W/NE∠12°～18°。干海子滑坡體主滑剖面地質結構如圖3所示。

2.2 滑帶巖體力學參數

為了獲得岸坡的基本物理力學性質參數，研究團隊在干海子滑坡體開展了原位試驗和室內試驗[13]。干海子滑坡體滑帶土的基本物理力學參數和強度參數分別列于表1和表2。

表1 滑坡體滑帶土基本物理性質Tab.1 Basic physical properties of landslide slip zone soil

表2 滑坡體滑帶力學參數建議取值Tab.2 Suggested value for mechanical parameters of landslide slip zone

2.3 現場監測數據分析

為長期監測干海子滑坡體在水庫運行過程中的變形過程，在滑坡體的前緣、主體和后緣布設了表觀變形觀測墩5個(TP1～TP5)，監測剖面大致垂直于岸坡(見圖3)。變形測點方向及符號規定：表面變形成果采用金沙江坐標系，X方向為上下游方向，指向下游為“+”；Y方向為左右岸方向，指向左岸為“+”；H方向為豎直方向，下沉為“+”，反之為負。2013年5月6日取得了首期測值，截至2014年11月6日的特征值如表3所列，觀測時長550 d。X方向(上下游)的最大累積位移變化量為513.60 mm(TP5測點)；Y方向(左右岸)的最大累積位移變化量為766.75 mm(TP5測點)；Z方向(豎直向)的最大累積位移變化量為613.50 mm(TP5測點)。3個分量變形程度為Y>Z>X。對X方向位移而言，均為正值，說明整體向下游方向變位；Y方向位移均為正值，說明坡體體向臨江河谷方向變位；H方向變位為正值，表現為沉降。監測數據表明：位于滑坡體前緣“垮堵灣”附近測點(TP5)的累計位移值明顯大于滑坡體主體部位測點(TP3、TP4)和后緣唐家灣座滑體上測點(TP1、TP2)的累計位移值，表明滑坡在前緣失穩的可能性較大。

表3 變形測點位移增量統計Tab.3 Displacement increment statistics results of deformation points

圖3 干海子滑坡主滑斷面剖面示意Fig.3 Geological generalization diagram of main sliding section of Ganhaizi landslide

3 滑坡穩定性分析

通過地質分析和模型概化建立了3個穩定性分析模型(見圖4)，分別研究干海子滑坡體的整體、局部和前緣的穩定性，探討賦存環境對滑坡體穩定性的影響。以DL/T5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》為依據，結合滑坡體的賦存環境特征，設置了持久、短暫、偶然3種工況。干海子滑坡體在水庫調度周期內經歷了建設期、蓄水期和運行期3個周期。建設期的持久工況取金沙江的天然水位，滑體水位取旱季水位，短暫工況的荷載增加強降雨；蓄水期的持久工況考慮了蓄水過程與蓄水速率的影響，短暫工況的荷載增加強降雨；運行期的持久工況為溪洛渡水庫正常蓄水位與水庫水位調節過程，短暫工況的荷載為快速泄水與強降雨，偶然工況取持久工況與地震的組合。依據DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，采用二維極限平衡法(M-P法)，分析各周期和工況下干海子滑坡安全系數變化過程，進而研究賦存環境對滑坡穩定性的影響規律，分析時水庫調度過程中水庫水位變化速率為2 m/d，日降雨量取100 mm。

圖4 干海子滑坡體剖面穩定性分析模型Fig.4 Section stability analysis model of Ganhaizi landslide

3.1 溪洛渡水電站建設期干海子滑坡體穩定性分析

溪洛渡水電站建設期干海子滑坡不同工況條件下的安全系數匯總列于表4。匯總結果表明：① 剖面在建設期持久工況下，整體滑動的安全系數為1.598，中部滑動的安全系數為1.689，前緣滑動的安全系數為1.037；在建設期短暫工況下，整體滑動的安全系數為1.573，中部滑動的安全系數為1.655，前緣滑動的安全系數為0.857；典型剖面在建設期偶然工況下，安全系數在0.833～1.221之間。② 強降雨條件下，滑坡安全系數均有不同程度的減小。③ 在地震影響下，滑坡安全系數顯著降低，相較于自然狀態下降0.2～0.4。

表4 建設期干海子滑坡體剖面不同工況安全系數Tab.4 Summary of safety factors of Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir construction period

3.2 溪洛渡水電站蓄水期干海子滑坡體穩定性分析

溪洛渡水電站蓄水期干海子滑坡體不同工況條件下的安全系數匯總列于表5。分析蓄水期不同賦存環境的影響結果可知：① 干海子滑坡體在蓄水期持久工況下，水位分別為540，560，600 m時，整體滑動的安全系數分別為1.537，1.514，1.464，中部滑動的安全系數分別為1.595，1.579，1.503，前緣滑動的安全系數分別為0.948，0.937，0.949；在短暫工況下，(降雨條件)，水位分別為540，560，600 m時，整體滑動的安全系數分別為1.533，1.513，1.463，中部滑動的安全系數分別為1.582，1.574，1.500，前緣滑動的安全系數分別為0.934，0.929，0.937。② 干海子滑坡體蓄水期內隨著水位的升高，穩定性系數逐漸降低。持久工況下，540 m水位時安全系數為1.595，560 m水位時安全系數為1.579，600 m水位時安全系數為1.503。可以看出：當水位由540 m上升至560，600 m 時，每上升20 m，安全系數依次降低約0.02。③ 短暫工況下，受暴雨的影響，滑坡安全系數有著不同程度的減小。

表5 干海子滑坡體蓄水期不同工況安全系數Tab.5 Summary of safety factors for Ganhaizi Landslide in different working conditions during the reservoir impoundment period

3.3 溪洛渡水電站運行期干海子滑坡體穩定性分析

溪洛渡水電站運行期干海子滑坡不同工況條件下的安全系數匯總如圖5～9所示。比較整體滑動、中部滑動和前沿滑動在不同工況的計算結果可知：① 在運行期持久工況下，水位條件分別從540 m上升至560 m，從560 m上升至600 m和從600 m下降至560 m時，整體滑動的安全系數分別為1.543，1.527，1.465；中部滑動的安全系數分別為1.593，1.592，1.511；前緣滑動的安全系數分別為0.964，1.00，0.903。② 剖面在運行期短暫工況下(降雨條件)，水位條件從600 m下降至560 m時，整體滑動的安全系數為1.455，中部滑動的安全系數為1.501，前緣滑動的安全系數為0.893。③ 在一個運行周期內，滑坡體的最不穩定時間出現在庫水位下降時，安全系數迅速降低，滑坡體前緣有塌岸的可能。④ 滑坡體運營期內，遭遇暴雨的影響，安全系數將進一步減小，原因是降雨帶來滑坡含水率升高使土體重度增加，導致其下滑力增加以及土的抗剪強度和阻滑力降低。⑤ 主滑剖面整體滑動和中部滑動的穩定性較好，前緣滑動的穩定性較差，有前緣塌岸的可能。

圖5 一個調度周期短暫工況滑坡體安全系數變化Fig.5 Landslide safety factor variation of a short-term working condition in a scheduling cycle

圖6 運行期540 m→560 m短暫工況滑坡體安全系數變化Fig.6 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period(540 m→560 m)

圖7 運行期560 m→600 m短暫工況整體滑坡體安全系數變化Fig.7 Landslide safety factor variation of transient working condition in reservoir operation period(560 m→600 m)

圖8 運行期(600 m→560 m)短暫工況滑坡體安全系數變化Fig.8 Landslide safety factor variation of transient working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m)

圖9 運行期(600 m→560 m+降雨)偶然工況滑坡體安全系數變化Fig.9 Landslide safety factor variation of accidental working condition during the reservoir operation period (600 m→560 m+rainfall)

4 結 論

針對干海子滑坡體在溪洛渡水電站水庫調度周期內的穩定性問題，在分析現場變形監測的基礎上，采用極限平衡方法，開展了滑坡體在水電站建設期、蓄水期及運營期的穩定性分析，研究了賦存環境對干海子滑坡穩定性的影響規律，研究結果表明：

(1) 干海子滑坡體現場監測變形顯示滑坡體前緣變形明顯大于滑坡體主體和后緣，滑坡體前緣測點受水位影響較明顯，變形量值較大，坡體中后部監測點的變形趨于穩定。二維極限平衡法分析得到的滑坡體整體、中部及前緣的安全系數顯示：前緣滑坡體安全系數明顯小于整體滑坡和中部滑坡的安全系數，該滑坡體在蓄水過程中前緣穩定性較差，分析結果與現場監測結果基本吻合。

(2) 在水庫調度周期內，滑坡體最不穩定條件為庫水位下降且遇到暴雨時。在降雨，特別是暴雨期間，應該嚴格控制庫水位調度速率，確保滑坡體的穩定。

(3) 庫水位漲落、暴雨及地震作用是影響干海子滑坡體穩定性的重要因素，賦存環境直接決定了其穩定性。蓄水期庫水位上升，滑坡體穩定安全系數減小，導致前緣塌岸發生的可能性增大；強降雨滲透使得滑坡體含水率升高，導致其下滑力增加以及土抗剪強度和阻滑力降低；當有地震作用時，前緣的穩定性進一步下降。