拖擔(dān)水庫(kù)大壩左岸滑坡形成機(jī)制與治理措施

王玉川， 劉許超， 郭其峰， 周延國(guó)

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 河南 鄭州 450003）

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)地處青藏高原東側(cè)， 具有獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境和活躍的內(nèi)外力地質(zhì)條件[1]， 常常是滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)域。 西南地區(qū)又是我國(guó)水能、 水資源富集區(qū)， 近年來(lái)， 隨著西部大開發(fā)的進(jìn)程， 西南地區(qū)水電工程的建設(shè)項(xiàng)目不斷增多， 在水電工程建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中， 誘發(fā)了大量滑坡地質(zhì)災(zāi)害[2-7]， 給工程建設(shè)帶來(lái)了極大威脅和重大損失。

對(duì)于滑坡的成因機(jī)制和治理方案的研究，眾多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際做了大量分析和論證工作。 殷躍平[8]通過(guò)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體中發(fā)育的滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治的基本理論、 設(shè)計(jì)方法、 施工技術(shù)和監(jiān)控手段的研究， 將滑坡防治工程施工技術(shù)劃分為預(yù)應(yīng)力體系、 抗滑樁擋墻體系、 地表和地下排水體系、 注漿改良體系和減載與反壓體系； 王恭先[9]結(jié)合滑坡工程實(shí)例， 系統(tǒng)分析了滑坡類型與防治措施的關(guān)系， 提出了滑坡防治的基本原則和工程措施； 黃潤(rùn)秋等[10]通過(guò)對(duì)湯屯高速公路順層邊坡變形破壞機(jī)制的研究， 指出滑坡的治理措施重點(diǎn)在于控制碎裂巖體和潛在剪出口的變形， 并提出了“錨索+抗滑樁+排水”的治理措施。 這些從工程斜坡擾動(dòng)過(guò)程與機(jī)理，到邊坡穩(wěn)定定量評(píng)價(jià)技術(shù)方法的研究[11]， 為滑坡的治理提供了豐富的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)， 形成了“成因分析—穩(wěn)定性評(píng)價(jià)—治理方案—效果驗(yàn)證” 一套成熟的研究思路和方法， 本文在這些研究成果的基礎(chǔ)上， 以拖擔(dān)水庫(kù)大壩左岸滑坡為例， 研究其發(fā)育特征和形成機(jī)制， 并充分結(jié)合大壩工程布置， 從工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度， 對(duì)比論證了滑坡的治理方案。

拖擔(dān)水庫(kù)位于云南省富民縣， 為擴(kuò)建工程，樞紐工程由大壩、 溢洪洞、 輸水洞等主要建筑物構(gòu)成。 大壩設(shè)計(jì)為粘土心墻石渣壩， 壩高56.8m， 壩頂高程1986.0m， 滑坡發(fā)育在擬建大壩左壩肩， 分布高程1984～2075m。

1 工程區(qū)地質(zhì)條件

工程區(qū)地處滇中高原， 屬構(gòu)造侵蝕中山地貌， 區(qū)內(nèi)地層巖性以震旦系下統(tǒng)澄江組（Zac）中厚層-薄層狀中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖為主， 局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、 泥巖等， 夾層耐風(fēng)化能力差， 存在夾層風(fēng)化和囊狀風(fēng)化現(xiàn)象。 左岸構(gòu)造不發(fā)育， 巖層呈單斜產(chǎn)出， 產(chǎn)狀一般130°∠40°。

左岸壩肩發(fā)育有H4 滑坡， 為基巖順層小型滑坡， 具有分級(jí)滑動(dòng)的特征， 后緣可見錯(cuò)坎，水庫(kù)擴(kuò)建施工前， 處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

工程區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候， 多年平均降水量868.9mm， 每年5—10 月為雨季， 降水量占全年降雨總量的87.9%。 11 月至次年4 月為干季， 降水量只占12.1%。 工程區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水， 受大氣降水補(bǔ)給。 左岸邊坡地下水位埋深較大， 均位于滑坡底滑面以下。

工程區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g， 基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s， 相應(yīng)地震基本烈度為7 度， 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

2 滑坡特征及形成機(jī)制

2.1 變形過(guò)程

2017 年12 月， 左岸在H4 滑坡下方修建施工道路時(shí)， 誘發(fā)H4 滑坡體出現(xiàn)滑塌， 隨后在完成H4 滑坡的清挖和左岸灌漿洞平臺(tái)及洞臉邊坡開挖施工后， 左壩肩山體（高程1984m 以上） 出現(xiàn)變形。

2.2 滑坡基本特征

左岸滑坡分布高程1984～2075m， 面積約1.5 萬(wàn)m2， 滑體厚度10～20m， 方量約25 萬(wàn)m3。沿滑坡邊界已形成明顯拉裂縫， 以后緣和上游側(cè)緣變形最為強(qiáng)烈（圖1）。 主要有以下特征：

圖1 左岸滑坡工程地質(zhì)平面示意圖Fig.1 Engineering geological map of the left bank

（1） 滑坡發(fā)育于中厚層砂巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖及泥巖地層內(nèi)， 變形巖體雖能保持原巖層面， 但巖體破碎， 呈碎裂結(jié)構(gòu)， 以2015m 高程為界， 滑坡分上、 下兩個(gè)分區(qū)； 上部變形區(qū)巖體產(chǎn)狀120°～150°∠32°～42°， 下部變形區(qū)巖體傾向不變， 傾角變緩， 為19°～26°， 上、 下兩個(gè)變形區(qū)的交界部位， 在地表產(chǎn)生一條橫向的鼓脹裂縫（圖1）；

（2） 滑坡下部存在一層破碎帶， 層厚4～9m， 反傾向坡內(nèi)， 產(chǎn)狀6°∠13°， 由坡面向坡內(nèi)逐漸變厚， 向坡內(nèi)延伸距離較短， 鉆孔BZK04 未揭露（圖2）， 滑坡沿破碎帶頂部有明顯剪出現(xiàn)象；

（3） 破碎帶下部巖體在靠近破碎帶位置，傾角變陡， 產(chǎn)生傾向滑動(dòng)方向的弧狀彎曲變形（圖2）；

圖2 左岸滑坡工程地質(zhì)剖面圖（F-F 剖面）Fig.2 Engineering geological profile（Profile F-F）

（4） 滑坡底滑面為三段式， 后緣沿層面滑動(dòng)， 中部沿下部變形區(qū)內(nèi)的軟弱夾層滑動(dòng)， 前緣沿破碎帶頂部滑動(dòng)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)

2018 年4 月10 日開始對(duì)左岸邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)（圖3）。 左岸滑坡水平位移方向?yàn)?40°～151°， 垂直方向均為沉降變形。 2018 年全年總降雨量697.8mm， 降雨主要集中在5—8 月，滑坡對(duì)降雨敏感， 變形速率隨降雨量的增大而顯著增加， 但有一定的滯后， 滯后時(shí)間一般3～6 天（圖4）。 滑坡滑動(dòng)變形分三個(gè)階段。

圖3 左岸邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.3 Layout chart of monitoring

圖4 左岸滑坡水平位移速率及降雨隨時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of horizontal displacement rate of deformation body and rainfall with time

（1） 勻速變形階段： 2018 年5 月28 日之前， 汛前降雨量較小， 滑坡變形緩慢， 水平位移速率一般5～10mm/d， 最大14.8mm/d。

（2） 持續(xù)變形階段： 2018 年5 月28 日—9月18 日， 汛期降雨量較大， 水平位移速率顯著增大， 一般20～40mm/d， 最大約70mm/d， 隨后變形速率有所減小， 但整體以一個(gè)較高的速率在持續(xù)變形， 該階段滑坡地表變形強(qiáng)烈。

（3） 緩慢變形階段： 2018 年9 月18 日以后隨著降雨量減少， 水平位移速率一般在1～3mm/d， 呈逐漸減小的趨勢(shì)， 但遇降雨有一定波動(dòng)。

2.4 形成機(jī)制

2.4.1 古滑坡的形成

左岸斜坡陡峻， 巖性為中厚層砂巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖， 泥質(zhì)粉砂巖巖性較軟， 在自然風(fēng)化及降雨入滲等作用下， 易形成軟弱滑面； 斜坡沿軟弱層面發(fā)生順層滑移， 下部中厚層-薄層巖體發(fā)生傾向臨空方向的隆起變形， 形成了變形性質(zhì)不同的上、 下兩個(gè)分區(qū)， 隨著斜坡下部隆起變形的加劇， 將最終被剪斷而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生， 其滑動(dòng)模式為“滑移（彎曲） —剪斷”型， 一般該類型的斜坡滑動(dòng)失穩(wěn)的過(guò)程非常緩慢。 綜合拖擔(dān)水庫(kù)左岸滑坡變形特征來(lái)看， 古滑坡由于滑動(dòng)速度慢、 滑移距離短等原因， 滑坡解體程度低， 形成了左岸保留原巖層序的破碎巖體， 王運(yùn)生[12]將其定義為“假基巖”。 該類現(xiàn)象非常特殊， 且隱蔽性高， 勘察時(shí)非常容易被認(rèn)為是構(gòu)造破碎巖體。

2.4.2 古滑坡擾動(dòng)復(fù)活

左岸上、 下兩個(gè)變形區(qū)， 在力學(xué)機(jī)制上，對(duì)應(yīng)于“主動(dòng)傳力區(qū)” 和“被動(dòng)擠壓區(qū)”[5]， 上部變形區(qū)在自重應(yīng)力作用下， 沿古滑坡體后緣滑面產(chǎn)生順層滑移， 此時(shí)下部緩傾角變形巖體提供阻滑力， 由于阻滑力較大， 斜坡巖體破碎、導(dǎo)水性好， 邊坡開挖施工前處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，后期由于施工開挖主要集中在下部變形區(qū)和前緣山體， 斜坡前緣阻滑力減小， 并在下部變形區(qū)內(nèi)沿泥質(zhì)粉砂巖夾層形成新的滑動(dòng)面， 左岸邊坡出現(xiàn)變形。

左壩肩下游的H4 滑坡目前已經(jīng)全部清挖完成， 滑床基巖出露， 其滑動(dòng)模式和左壩肩滑坡基本一致。 二者滑體厚度差別較大， 底滑面不連續(xù)， 應(yīng)為同時(shí)發(fā)育在左岸的兩個(gè)古滑坡體，且H4 滑坡的存在對(duì)左壩肩滑坡提供了一定的阻滑力。

3 左岸滑坡處理方案

3.1 底滑面力學(xué)參數(shù)反演

滑帶土強(qiáng)度反演是獲取其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的一種有效途徑[13-14]， 本次反演計(jì)算是根據(jù)滑坡的變形特征假設(shè)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)， 反算滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)， 并將所取結(jié)果帶入到擾動(dòng)前的斜坡剖面進(jìn)行驗(yàn)算。 采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序EMU 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算， EMU 是對(duì)滑坡體采用傾斜條塊的極限分析上限解的穩(wěn)定性分析程序， 具備應(yīng)用最優(yōu)化方法自動(dòng)尋找最小安全系數(shù)和臨界滑裂面臨界斜分條模式能力[15]， 與Sarma 法具有等效性。

左岸滑坡邊界條件清晰， 為邊坡開挖擾動(dòng)形成， 底滑面為“三段式”， 滑帶物質(zhì)主要為泥夾碎屑， 滑動(dòng)方向平均約145°。 根據(jù)邊坡開挖前后穩(wěn)定性不同， 采用EMU 軟件， 針對(duì)典型剖面F-F（圖2） 進(jìn)行計(jì)算。 根據(jù)工程壩址區(qū)多組巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)和邊坡巖體的工程地質(zhì)特性， 所選用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)指標(biāo)

左岸滑坡變形強(qiáng)烈， 依據(jù)邊坡當(dāng)前的變形與穩(wěn)定性狀況， 現(xiàn)狀地形條件取0.95 的穩(wěn)定性系數(shù)， 進(jìn)行正常運(yùn)用條件下的反演分析， 結(jié)果如表2 所示。 根據(jù)滑帶土的工程地質(zhì)特性， 其參數(shù)取值如表3 所示。

表2 底滑面抗剪強(qiáng)度反演結(jié)果（K=0.95）

為驗(yàn)證底滑面強(qiáng)度參數(shù)取值的合理性， 取表3 中抗剪指標(biāo)φ 和c 的均值， 對(duì)左岸剖面FF 開挖前的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算（圖5-6）， 結(jié)果表明： 左岸開挖前， 天然工況穩(wěn)定性系數(shù)約為1.10， 處于穩(wěn)定狀態(tài)； 暴雨工況下， 穩(wěn)定性系數(shù)為1.01， 處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。 反演結(jié)果與邊坡實(shí)際情況相吻合， 表明取值基本合理。

圖5 剖面F-F 原地形天然工況計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation of original terrain of nature

表3 底滑面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值

取表3 中飽和抗剪指標(biāo)φ 和c 的均值， 對(duì)現(xiàn)狀地形剖面F-F 在暴雨工況的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算（圖7）。 結(jié)果表明： 極端暴雨條件下， 滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)約為0.88， 降幅較大， 存在整體失穩(wěn)的可能。

圖6 剖面F-F 原地形暴雨工況計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation of original terrain of rainstorm

圖7 剖面F-F 現(xiàn)地形在暴雨工況下的計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation of current terrain of rainstorm

3.2 計(jì)算工況

水庫(kù)擴(kuò)建工程為Ⅳ等工程， 工程規(guī)模為小（1） 型， 主要建筑物為4 級(jí)建筑物。 左岸邊坡滑坡位于左壩肩， 其安全性狀對(duì)大壩影響嚴(yán)重，因此確定邊坡級(jí)別同主要建筑物級(jí)別， 即邊坡級(jí)別為4 級(jí)。 邊坡計(jì)算工況及安全系數(shù)取值見表4。

表4 計(jì)算工況及安全系數(shù)取值表

3.3 滑坡處理方案比選

根據(jù)滑坡變形模式及底滑面的分布， 擬采取的處置方案為： ①開挖方案； ②挖錨結(jié)合方案； ③抗滑樁方案。

抗滑樁方案由于受地形條件限制， 施工困難， 且造孔施工對(duì)滑坡擾動(dòng)大， 存在較大安全隱患。 另外抗滑樁實(shí)施后， 左岸灌漿洞及灌漿實(shí)施對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定存在較大擾動(dòng)， 因此不再深入研究， 重點(diǎn)研究開挖方案和挖錨結(jié)合方案。

3.3.1 開挖方案

根據(jù)左岸滑坡邊界和底滑面位置， 將滑坡自上而下全部挖除。 為避免滑坡清除后頂部覆蓋層發(fā)生淺表層滑動(dòng)， 清除滑坡頂部覆蓋層至基巖面， 頂部覆蓋層按1∶1.5 坡度進(jìn)行放坡， 覆蓋層清除至高程約2025.0m 地形坡度較緩部位。

開挖后后緣邊坡根據(jù)風(fēng)化情況進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。 另外根據(jù)大壩分區(qū)以及壩料設(shè)計(jì)， 開挖石渣料可利用上壩， 填筑至大壩下游排水體以上的石渣設(shè)計(jì)區(qū)。 結(jié)合大壩壩基開挖以及大壩填筑施工進(jìn)度安排， 先對(duì)滑坡頂部進(jìn)行卸荷開挖，開挖至2035m 高程后， 此時(shí)不考慮降雨， 安全系數(shù)約為1.098， 處于基本穩(wěn)定狀態(tài)， 隨后可啟動(dòng)大壩壩基開挖、 填筑工作。

開挖總量42.3 萬(wàn)m3： 其中碎石土27.6 萬(wàn)m3，石渣14.7 萬(wàn)m3。

3.3.2 挖錨結(jié)合方案

對(duì)比分析了滑坡上部開挖至2035.0m 高程+下部錨固方案和上部開挖至2015.0m 高程+下部錨固兩種方案。 滑坡下部巖體為中厚層砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖， 巖體完整性差， 巖體質(zhì)量屬Ⅳ～Ⅴ類。

（1） 挖錨結(jié)合方案（2035m 高程）

根據(jù)計(jì)算（表5）， F-F 現(xiàn)狀剖面最不利工況為非常運(yùn)用條件Ⅱ工況， 計(jì)算安全系數(shù)為0.826， 安全系數(shù)不滿足要求， 采用最大錨固力為4300kN/m 的錨索加固后， 安全系數(shù)可達(dá)到1.062， 滿足穩(wěn)定要求。 錨索間排距3.5×3m（高度方向按3.0m）， 錨索采用150t， 框格梁按3.5×3m（高度方向按3.0m） 進(jìn)行布置。 錨索內(nèi)錨固段布置于滑動(dòng)底面以下弱風(fēng)化巖體內(nèi)， 錨固長(zhǎng)度按10m 考慮。

表5 2035m 高程挖錨方案計(jì)算成果

主要工程量： 錨索253.5 萬(wàn)t·m； 混凝土3380m3； 鋼筋507t。 開挖總量29.2 萬(wàn)m3。

（2） 挖錨結(jié)合處置方案（2015m 高程）

根據(jù)計(jì)算（表6）， F-F 現(xiàn)狀剖面最不利工況為非常運(yùn)用條件Ⅱ工況， 計(jì)算安全系數(shù)為0.966， 安全系數(shù)不滿足要求， 采用最大錨固力為800kN/m 的錨索加固后， 安全系數(shù)可達(dá)到1.071， 滿足穩(wěn)定要求。 錨索間排距按4×4m（高度方向按4.0m）， 錨索采用100t， 框格梁按4×4m（高度方向按4.0m） 進(jìn)行布置。 錨索內(nèi)錨固段布置于滑動(dòng)底面以下弱風(fēng)化巖體內(nèi)， 錨固長(zhǎng)度按10m 考慮。

表6 2015m 高程挖錨方案計(jì)算成果

主要工程量： 錨索67.1 萬(wàn)t·m； 混凝土1345m3； 鋼筋174t； 開挖總量37.0 萬(wàn)m3。

3.3.3 方案比選

三方案從施工條件、 施工隱患以及投資方面進(jìn)行比較（表7）， 滑坡處置方案推薦投資較小， 施工簡(jiǎn)單、 方便的開挖處置方案， 開挖方案可根據(jù)開挖揭露地質(zhì)條件及時(shí)進(jìn)行復(fù)核， 動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖設(shè)計(jì)方案， 對(duì)滑坡處理徹底、 明確。同時(shí)可利用開挖料直接或者通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)上壩， 減少大壩填筑料料場(chǎng)開采量， 以到達(dá)減損的目的。另外滑坡全開挖處置后， 左岸原設(shè)計(jì)的66m 長(zhǎng)的灌漿洞將取消， 節(jié)省了該部分投資。

表7 左岸滑坡處理方案對(duì)比

4 結(jié)論

基于拖擔(dān)水庫(kù)左岸滑坡工程地質(zhì)條件， 研究了其形成機(jī)制和治理措施， 主要有以下認(rèn)識(shí)。

（1） 左岸邊坡為一古滑坡體， 滑動(dòng)模式為“滑移（彎曲）-剪斷” 型， 存在巖層傾角上陡下緩的上、 下兩個(gè)變形分區(qū)， 下部變形區(qū)內(nèi)的施工開挖， 使阻滑力減小， 導(dǎo)致古滑坡體復(fù)活，并在下部變形區(qū)內(nèi)形成新的順層滑動(dòng)面。

（2） 此類古滑坡的下部變形區(qū)提供阻滑力，是斜坡整體穩(wěn)定的關(guān)鍵， 因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)下部變形區(qū)的保護(hù)； 另外降雨會(huì)加劇古滑坡的變形， 斜坡的排水措施也是減小其變形的關(guān)鍵。

（3） 結(jié)合大壩工程設(shè)計(jì)， 對(duì)比研究了抗滑樁、 開挖和挖錨結(jié)合三種方案， 開挖方案施工簡(jiǎn)單、 投資小， 建議左岸滑坡采取開挖方案進(jìn)行處理。