大型深厚緩坡細粒土堆積體水庫坍岸機理研究

2021-09-15 07:16:16方力，胡卸文

四川水力發(fā)電 2021年4期

關鍵詞：變形

方力，胡卸文

(西南交通大學，四川成都 611756)

1 概述

自意大利瓦依昂滑坡[1]、中國千將坪滑坡[2]等大型水庫滑坡發(fā)生后，庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性問題得到越來越多的關注[3]。嚴福章等[4]研究發(fā)現(xiàn)引發(fā)庫區(qū)滑坡的重要因素是庫水位升降導致滑帶土抗剪強度發(fā)生變化。王士天等[5]發(fā)現(xiàn)庫水位快速漲落最易引起滑坡發(fā)生。

從已有研究成果發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)坍岸普遍集中發(fā)生于土質邊坡，且一般土體顆粒較粗、坡體較陡的岸坡。而對于深厚緩坡細粒土堆積體由于其地形坡度緩，一般小于10°，通常認為不會發(fā)生大型坍岸變形。因此，對此類大型堆積體水庫坍岸機理較少涉及[6-7]。寶興河磽磧水電站于2016年建成并組網發(fā)電，其庫水位每年在2 060～2 140 m之間漲落變化。高達80 m的庫水位變化必然影響庫區(qū)兩岸邊坡坡體內地下水運行環(huán)境，并形成磽磧庫區(qū)特殊的復合水環(huán)境動力效應，極大地影響和控制庫區(qū)水庫坍岸發(fā)生頻率與規(guī)模，其中以螞堆5號堆積體坍岸最為特殊。該堆積體覆蓋層深厚，顆粒較細，整體地形坡度緩。根據(jù)以往認知，基本不具備發(fā)生大型坍岸條件，但卻在水庫蓄水后十多年間一直處于蠕滑變形狀態(tài)，而且有愈演愈烈趨勢。因此，以螞堆5號堆積體為例，探討大型深厚緩坡細粒土堆積體水庫坍岸機理，對該庫區(qū)以及類似水動力條件庫區(qū)坍岸預測和防治具有重要的理論意義與應用價值。

2 螞堆5號堆積體空間分布及坍岸變形特征

2.1 堆積體基本特征

螞堆5號堆積體位于螞蝗溝右岸，距壩址3.36 km，地貌上為緩坡形態(tài)，堆積體順坡長約690 m，沿河寬約830 m，后緣分布高程2 244 m，前緣分布高程2 075 m，螞堆5號堆積體全景見圖1。堆積體主要由早期冰緣凍融堆積粉土質礫組成，結構較松散，堆積體厚度20～70 m，估算規(guī)模約511萬m3。

圖1 螞堆5號堆積體全景

根據(jù)鉆孔揭露，堆積體下伏地層為泥盆紀千枚巖夾少量灰?guī)r，埋深20～70 m，其表層冰緣凍融堆積碎石土(Q4Prgl)，天然密度20.2～22.2 kN/cm3， >200 mm大塊石少見，而<0.005 mm的黏粒則普遍在12%～33%之間，細顆粒成分(<0.075 mm)占22%～59%，按土工規(guī)范上可定名為 “礫質黏土”。

2.2 堆積體坍岸變形破壞特點

2006年首次蓄水以來，該堆積體前緣就一直存在緩慢蠕滑變形， 2008年5·12地震時，坍滑后緣邊界已經到達環(huán)湖公路部位，出現(xiàn)路基下沉，而且使建造在坡上、坡腳的居民建筑嚴重受損，最后無法居住。在隨后的15 a中，坍岸一直在持續(xù)發(fā)展，后緣邊界已經到達2 200 m。具體表現(xiàn)為滑體后緣拉張裂縫，中部多級錯臺及兩側由錯動造成的剪切裂縫。目前各級裂縫性狀不穩(wěn)定，呈繼續(xù)發(fā)展擴大趨勢，螞堆5號堆積體坍岸滑坡工程地質平面圖和螞堆5號堆積體坍岸滑坡A-A′工程地質剖面圖見圖2、3。

圖2 螞堆5號堆積體坍岸滑坡工程地質平面圖

3 深厚緩坡細粒土堆積體坍岸機理

3.1 數(shù)值模擬

根據(jù)螞堆5號堆積體地質結構，運用Geo-Studio有限元數(shù)值模擬軟件建立計算模型。堆積體組成概化為三種材料：上部覆蓋層(粉質黏土)、中部夾層(碎石土)、下部基巖(千枚巖)。上部和中部覆蓋層采用彈塑性材料模型，底部基巖采用理想彈性材料。模型垂直庫水方向為600 m(X軸方向)，豎直方向為200 m(Y軸方向)。左右兩側邊界施加水平向位移約束，底邊界施加位移全約束，其余坡面邊界為自由邊界。有限元數(shù)值計算本構模型見圖4。

圖3 螞堆5號堆積體坍岸滑坡A-A′工程地質剖面圖

圖4 有限元數(shù)值計算本構模型

3.1.1 計算模型本構方程及參數(shù)選取

無論坍岸堆積體所在土體是否飽水，地下水在其中運動均滿足達西定律及質量守恒原則。其不同之處在于非飽和土的滲流系數(shù)k是一個變量，其隨孔隙水壓力和土體含水率的變化而變化[8]。多孔介質下滲流微分方程為[9]：

(1)

式中kx,ky分別為水平方向x和豎直方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；h為總水頭；n為體積含水率；t為時間。

邊界條件包括水頭邊界條件和流量邊界條件，可分別表示為

(2)

式中h、h1分別為滲流場水頭和Γ1類邊界條件下的已知水頭;q為Γ2類邊界條件下單位面積流量(m3/s)；Lx，Ly分別為Γ2類邊界x，y方向的單位法向量。

在設置滲流邊界條件時，由于堆積體底部千枚巖滲透系數(shù)遠小于其他各層，所以在模擬計算中和左右兩側邊界一同視為不透水介質邊界。2 060～2 140 m坡體表面設置動水頭邊界，后緣設置定水頭邊界。

3.1.2 庫水位變動下堆積體岸坡地下水滲流場動態(tài)分析

為研究螞堆5號堆積體坡內地下水在磽磧水庫調蓄過程中滲流場動態(tài)變化，選取一個水文年水位變動作為滲流模擬計算工況，庫水位運行見圖5，共計350 d。初始水位為最高蓄水位2 140 m，隨后緩慢下降，經130 d降至最低蓄水位2 060 m，接著回升到2 140 m。

圖5 磽磧水電站庫水位運行圖

地下水滲流場數(shù)值模擬計算結果見圖6～8，該類深厚緩坡細粒土堆積體內地下水滲流場隨庫水位的升降而發(fā)生顯著變化。在最初階段(0～80 d)，庫水位從2 140 m緩慢降至2 113 m，浸潤線前緣呈輕微的外凸形，地下水位線與庫水位基本持平。說明隨庫水位下降，坡體內地下水緩慢補給庫水且滯后效應并不明顯。在隨后的80～130 d，水位快速下降，滑坡體前緣浸潤線呈較為明顯的外凸形，說明在庫水位快速下降過程中，地下水浸潤線的下降速率明顯小于庫水位的下降速率，存在明顯的滯后性。庫水位在130 d時到達2 060 m最低蓄水位，隨后130～300 d，緩慢抬升，在此過程中滑坡體內浸潤線呈輕微內凹形，說明隨著庫水位的抬升庫水逐步補給地下水。300～350 d，水庫在2 140 m最高蓄水位附近穩(wěn)定運行。堆積體前緣的壅水逐步向中、后緣消散，前緣浸潤線也由內凹形逐漸恢復平緩，最后與庫水位基本持平。說明庫水位上升并于高水位穩(wěn)定運營過程中，庫水位對堆積體內地下水的補給是由表及里逐步擴展的，且需一定時間才能形成穩(wěn)定的地下水滲流場。

圖6 庫水位下降初期地下水滲流場(0～80 d)

圖7 最低庫水位下地下水滲流場(130 d)

圖8 庫水位上升至正常蓄水位下的地下水滲流場(130～300 d)

3.2 基于庫水位變化的緩坡細粒土堆積體岸坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結果，結合螞堆5號堆積體坍岸滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)取值(表1)，對該堆積體庫水位變化下的穩(wěn)定性計算以A-A’剖面為例，結合坡面各級拉裂縫為后緣邊界，進行各級潛在弧形滑面計算分析，顯示在蓄水2 100 m條件下坍岸體的穩(wěn)定性最差，穩(wěn)定性計算結果見表2。

表1 螞堆5號堆積體坍岸滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)取值

表2 螞堆5號堆積體坍岸滑坡最不利蓄水位下穩(wěn)定性計算結果

計算結果表明：該堆積體天然工況下分別處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)都小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這說明該堆積體在歷經10多年自然演化后仍處于不穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)。尤其受庫水位下降時由于地下水位產生的動水壓力變化是其坍岸的主要原因。

3.3 緩坡細粒堆積體坍岸變形機理分析

結合數(shù)值模擬分析計算得出的堆積體受庫水位變化的剪應變和總位移量(圖9～12)，表明該類堆積體在正常庫水位驟降前，受庫水浮托作用，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。一旦庫水位驟降，堆積體內由于滲透性較差，地下水不能同步降落，從而形成水頭差，產生較大的動水壓力，而不利于坡體穩(wěn)定。