基于水庫施工期間壩前滑坡穩定性分析

馮裕疆

(新疆三河建設工程有限責任公司,新疆 阿克蘇市 843000)

1 工程概況

某水利工程水庫面積為920 km2，為河谷型水庫，該地區滑坡平面寬度在400 m左右，呈長條形狀，滑坡區域高程在2100～2380 m之間，上部區域主要以大型石塊為主，中部區域為石塊、土質混合狀態，下部區域以土質為主；所在地區地下含水層厚度在10～35 m之間[1-3]。

滑坡的東北面為上石炭統-下二疊統(C3-PI)的巨厚層狀灰巖，并夾雜少量的頁巖，巖性質地堅硬，抗風化性強，斷裂及卸荷裂隙發育，巖層產狀NW∠275°～295°NE∠30°～53°；滑坡的下部及西南面為砂巖、頁巖及泥巖底層(D3～C1)，主要以頁巖為主，巖性較弱，抗風化能力差，巖層產狀NW∠290°NE∠70°?；碌臇|北面與西南面高程相差約為600 m，并以斷層形式相接觸，根據實際勘探發現，滑坡區域的前緣發育有寬約100 m左右的I級侵蝕堆積階地，階地基座表面呈平臺狀態，陡峭處坡面的坡度在30°～40°左右，部分區域較為陡峭，階地基座具有30～75 m厚的松散堆積層；滑坡區域表面發育有兩條沖溝[4-6]。滑坡區域剖面如圖1所示。

圖1 滑坡區域剖面

2 滑坡監測及失穩影響因素

水利工程在建設期間利用GPS對滑坡區域進行了長期的連續位移情況監測。為了更加有效地監測到滑坡區域的位移情況，本次GPS監測中的水平、垂直方位的誤差分別為5 mm±1.0 ppm、10.0 mm±2.0 ppm，監測數據的采集頻率為 5 Hz。GPS滑坡監測點布置示意如圖2所示。

圖2 GPS滑坡監測點布置示意圖

根據研究數據顯示，該地區滑動區域主要出現于滑體的中間區域，主要呈現為先是緩慢滑動變形，后經過不斷地發展成為快速滑動變形，最后將演變為快速變形失穩狀態。由此可見，水庫施工階段的壩前滑坡總體呈現出蠕變破壞形態。根據GPS監測顯示，在滑坡發生期間，中后部監控點的位移程度最為顯著，后部監控點位移程度較小，前緣部位監控點位移程度最小。因此，本工程施工階段滑體主要體現中、后部位推動前緣的破壞形式[7-8]。滑體滑坡各部位監測點位移情況如圖3所示。

圖3 滑體滑坡各部位監測點位移情況

根據以上GPS監控數據的分析，可將本工程施工期間壩前滑坡變形過程按照圍堰的建成為時間節點分為兩個階段：階段一，圍堰建成前的快速變形階段；階段二，圍堰建成后受降水即水庫水位上升影響的變形加速階段[9]。

2.1 階段一中滑坡形成影響因素分析

根據滑體滑坡各部位監測點位移情況可以發現，圍堰建成前水庫對于滑坡產生的影響較小，因此此因素可以忽略。根據水文資料顯示，2018年該區域降水量最大的月份為7—9月份，平均降水量超過了100 mm此時間段滑坡監控點位移情況顯著；同年1—6月份地區降水量相對較小，降水量均值未達到50 mm，此時段滑坡監控點位移變化較為緩慢。因此，水庫在圍堰施工完成前進入雨季后，雨水滲入量的增加是導致滑體中部出現位移的主要因素，不過滑體前緣位移受到的影響卻較小[10-11]。水庫所在地區降雨量如圖4所示。

圖4 水庫所在地區降雨量

2.2 階段二中滑坡形成影響因素分析

自水庫的圍堰施工完畢后，水庫水位得到較大的提升，期間最高達到2120 m，滑體段的水位提升25 m，滑體的位移變化程度增加，在水庫水位回升的狀態下滑體將處在穩定的極限狀態。根據數據顯示，滑體在此因素的影響下，中部出現明顯的變形?？梢?，圍堰施工完成后水位的上升也是導致滑體失穩的重要因素。

根據上述分析，水庫在施工期間造成壩前滑坡的主要是降水量的增加以及水庫圍堰施工完畢后水庫水位的上升，并且水庫施工完成后的滑體變形破壞也是施工期間壩前滑坡穩定性遭到破壞的關鍵階段，滑體表面的滑坡位移情況是降水量增加所導致變形的兩倍。經過數據的對比可以清晰地看到，嚴重破壞壩前滑坡穩定性的主要因素是水庫水位的上升，其次是降水量的增加；施工過程中壩前滑坡的失穩形式主要是由中后部滑坡推動前緣位移形式。

3 滑坡失穩發展的機理分析

3.1 降水因素

降水量的增加所導致的滑坡其主要表現為：降水量的增加導致巖體及土壤的靜水壓力、滲透力以及靜水壓力對上覆巖層截面浮力產生的影響。本文將構建降水與滑坡發育過程模型進行降水因素的分析。降水與滑坡發育過程如圖5所示。

圖5 降水與滑坡發育過程

(1)在坡體中巖體自重的作用下將加大滑體后部的拉應力，并且在此拉應力達到負荷后滑體的后緣便會發生裂縫，而且在降水的作用下滑體將會出現靜水壓力如式(1)所示：

σ靜=γwxcosα

(1)

式中：α為滑動面的傾角，(°)；σ靜為滑體后緣裂縫受到降水出現的靜水壓力，Pa；γw為水的容重，N/m3；x為滑體中裂縫壁與坡面之間的距離，m。

在坡體后緣的拉應力以及后緣裂縫靜水壓力的影響下，使裂縫的深度達到剪切面(x=D)后，此時的靜水壓力將為最大狀態，滑動剪切面也將形成。

(2)裂縫在降水不斷滲入的狀態下將使剪切面形成聯通，此時滑體的力學機制也將發生改變。

①巖體在降水滲入的狀態下，將造成坡體的動水壓力之和ΣPυ的顯著提升，如式(2)所示：

ΣPv=0.5ρv2l

(2)

式中：ρ為裂縫發生率；υ為降水的滲透速度，m/s；l為滑體寬度，m。

②降水對巖體產生的浮托力、滲透壓力的總和將對滑體產生浮托效應，使巖質之間的應力下降，如式(3)所示：

σe=σ-σw

(3)

式中：σe為有效應力,Pa；σ為未受到降水滲透的滑體應力，Pa；σw為浮托力、滲透壓力的和值，Pa。

③當σe減小時c、φ減小，滑體剪切面的抗剪強度T也會顯著降低如式(4)所示：

T=σetanφ+c

(4)

式中：φ為滑體滑面的內摩擦角，(°)；c為滑體滑面的黏聚力，Pa。

(3)由于張拉裂縫主要分布在滑體2270 m高程以上，分布區域主要體現在滑坡主要平臺及滑坡壁周圍，長為20～35 m、寬為0.2～0.4 m，深度在0.2～0.4 m之間。剪切裂縫則分布在2240～2310 m高程范圍內，長為20～60 m，而滑體后緣裂縫并未達到剪切面(x

因此，當x

(5)

式中：K為穩定系數；αi為滑體中分段剪切面傾角，(°)；Wi為分段滑體的質量，N；ΣP靜為滑體中靜水壓力和值,Pa。

根據上面公式可以看出，ΣP靜增加的情況下，滑體的穩定性系數K將會變小。

可見，降水因素造成滑坡失穩發展的機理是庫區雨季(7—9月份)降水量在短時間驟增，導致壩前滑坡的地下水位增加，造成滑體中的ΣP靜增加；巖體中巖質之間的應力不斷地下降，致使巖體c、φ數值減少。巖體因降水的浮托作用其揚壓力σw將增加，而有效應力σe降低，導致巖體抗剪強度T進一步減小，最終滑體的穩定系數K減小導致滑坡的失穩發生。

3.2 水庫水位上升

由于本水庫壩前滑坡呈現為圓弧狀，因此將通過靜力平衡法進行水位孔隙水壓力對邊坡穩定性的影響機制分析，滑體斷面中形成的主要力系如圖6所示。因滑體土層的強度是由c、φ控制，因此滑體邊坡的穩定系數Fs的計算如式(6)所示：

圖6 滑體斷面中形成的主要力系

(6)

而滑體中的作用推力E的計算如式(7)：

(7)

式中：Ni為第i個滑帶土對滑體表面產生的壓力,Pa。

圍堰施工完成后，水庫水位將得到較大的提升，滑體中c、φ參數將減小，根據公式(6)可得Fs將降低，根據公式(7)可得c值的減小將直接導致推力E的增加，而滑體中浸水部分主要在抗滑區域，此段的抗滑能力降低程度將逐漸小于下滑力，于是將產生滑坡。

3.3 庫水位上升數值模擬

依據本水庫的實際情況進行模擬水庫水位提升的模型建立，以此分析水庫水位在上升過程中不同狀態下對滑體穩定性的影響，建模的集體參數為：滑體滑面黏聚車c值取37.23 kPa，內磨擦角φ取22.29°，滑體容重γ取 15 kN/m3，水位上速率取值0.5 m/d，滑體的坡度按照實際情況設定。建模的不同工況以及分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 不同工況下數值模擬結果

圖8 數值模擬結果

4 結 語

水庫施工期間壩前滑坡情況處于穩定的蠕變階段，但在受到雨季降水量增加將發生較大程度的變形，在圍堰施工完成后水庫水位的上升也會造成壩前滑坡發生局部失穩。在圍堰構建完成前滑坡失穩主要受地區降水的影響，而圍堰構建完成后滑坡失穩主要受到水庫水位上升的影響，并且此階段中滑坡變形占比較大，而壩前滑坡不同階段的主要表現為中后部推移前緣式的整體性滑坡。為了更好地進行壩前滑坡穩定的處理，在目前的工作中需注意降雨和滑體變形之間是否具有滯后期的存在，以及在圍堰施工階段有效地進行壩前滑坡的防治。