某涉水崩滑堆積體邊坡地震致災機制綜合評估

任東偉，曾亮亮，張 洪，李長濤

（云南交投集團公路建設有限公司，云南 昆明 650200）

0 引 言

邊（滑）坡是自然作用下或者人類工程活動下地形演替并再次堆積穩定的產物，由于人和工程的存在，才需要對邊（滑）坡的安全威脅進行評估。人類自古逐水而居，現在興建水利工程，也是為了最大化利用水資源，興利除弊。但人類對于自然的認知和邊（滑）坡穩定性的認知，相對于動輒上億年的地質歷史時期，是短暫的，認知是有限的。因此，需要慎重對待涉水邊坡工程穩定性評價和處治。

一般在興建水庫的地區，后建工程也都會評估庫水對既有邊坡工程的安全威脅，包括：①塌岸寬度預測，評估塌岸造成的中長期安全威脅［1-4］；②涉水邊坡穩定性評價，評估水位變化及巖土體遇水軟化對邊坡靜動力穩定性造成的綜合影響［5-7］；③對既有邊坡安全的跟蹤監測及評估，對于風險等級高，可能威脅已建、在建和擬建工程安全的，需要跟蹤監測，目的是準確評估工程安全威脅和環境安全風險［8-11］。雖然做了這么多研究，但是仍有很多擾動因素難以準確評估，這就需要對這類工程，尤其是危害后果嚴重的工程，利用不同分析方法和技術對其進行深入系統的研究，目的是獲取定性經驗和定量認知，為后續工程提供類比借鑒，提升涉水邊坡的勘察設計及防治水平［12-15］。

本文針對地震和庫水綜合作用下某庫區崩滑堆積體邊坡穩定性劣化機制評價難題，在不同階段工作對比分析的基礎上，利用現場調查和既有資料的時空耦合分析，結合不同階段的變形破壞跡象和地震事件調查，揭示坡體擾動的主導因素，探討邊坡的劣化機制，提出針對性處置建議，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 建設項目及周邊環境

溪洛渡水電站位于云南永善縣和四川雷波縣交界的金沙江上，工程發電、攔砂、防洪、調水與航運并重，采用混凝土雙曲拱壩，壩高285.5 m，總裝機容量1.4×107kW，年均發電5.7×1011kWh。電站2002年立項，2003年籌建，2004年開工，2013年7月運行，2015年10月全面竣工。

在建的沿金沙江公路某連續剛構及T形梁大橋為3×21+73+130+73+3×21 m，全長410 m，緊鄰金沙江，跨越牛欄江，位于兩江交匯口。起點樁號K0+199，止點樁號K0+605。橋墩最大高度71 m，蓄水位601 m，四級單向通航，詳見圖1。

圖1 水電站庫區、橋梁工程與邊坡Fig.1 Location of reservoir， bridge and slope

1.2 崩塌堆積體邊坡

橋梁工程位于兩江交匯位置，從地形地貌看，橋梁上部坡體為歷史崩滑堆積體邊坡，主要指向牛欄江，部分斜指金沙江，坡體物質主要為砂頁巖、白云巖、白云質灰巖等擾動巖體，勘察期間未見坡面變形跡象，坡體穩定，詳見圖2。

圖2 崩塌堆積體邊坡Fig.2 Slope derived from collapse-slide accumulation

2 地震災變時空劣化機制辨析

2.1 穩定性劣化導致的工程問題簡述

2012年該大橋開始勘察，江面水位528 m高程；2013年上半年大橋開建；2013年7月-2014年9月水電站逐步蓄水至580 m高程；2014年4月5日永善地震，邊坡局部開裂；2014年8月3日魯甸地震，地震過后坡面多處開裂；2014年9月之后，蓄水至600 m高程；之后隨季節漲落，年變化幅度在50 m左右；2014年9月，大橋施工過程中發現墩臺出現位移；2014年-迄今，停工并進行了震后勘察和監測，目前變形繼續發展，沒有收斂趨勢；2016年8月，專家組建議評估且處置穩定后方可繼續施工。

2.2 時空序列分析揭示的致災主因

將地面調查和既有資料按時空序列對比分析，揭示的地震致災證據和邊坡穩定性劣化過程見圖3。

圖3 崩塌堆積體邊坡穩定性劣化時間序列證據Fig.3 Temporal series evidences of the collapse-slide slope stability deterioration

根據工程建設前后的坡面調查對比，工程活動本身規模有限，影響可控；溪洛渡水電站初期蓄水，對坡體的影響同樣有限；永善地震，最大震級5.3級，余震38次，對坡體產生一定影響，巖體部分擾動，造成坡面局部破裂，裂縫寬度8～13 cm，但長度有限，距離橋位有一定距離；魯甸地震，最大震級6.5級，余震1 335 次，震級和余震頻次均大于永善地震，對坡體的影響更為顯著，巖體擾動顯著，造成坡面多處破裂，裂縫長度和數量發展迅速，引道和施工場地多處開裂，永善岸橋臺、1號墩、3號墩、4號墩發生顯著位移，平均位移超過15 cm。這說明地震對永善岸邊坡巖土體的擾動顯著，震松效應顯著，擾動巖土體在高蓄水位下性能軟化，使得坡體前緣產生不同規模的崩滑不穩定現象，這也是崩塌堆積體邊坡由穩定發展為基本穩定再到欠穩定的根本原因。

2.3 坡體擾動及穩定性劣化

該場地，位于兩江交匯位置，構造活動強烈，微地貌發育，各方重視，工作逐步深入，認知逐步加深，將歷史認知資料整理成圖4。

圖4 崩塌堆積體邊坡擾動及劣化論據Fig.4 Historical arguments of the slope disturbance and deterioration mechanism

不良地質體和不穩定跡象的空間分布特征表明，永善岸邊坡在地震發生后，坡面發展多條裂縫，坡體擾動顯著，前緣坡面更為破碎，多處產生崩滑等局部穩定問題。永善岸金沙江側H59滑坡、沖溝、局部崩滑、坡面沖刷等造成臨金沙江側邊坡局部不穩定，長期作用會影響橋位結構安全；臨牛欄江側，坡面多處局部崩滑，沖溝部位崩塌嚴重，長期作用會嚴重影響永善岸穩定性。綜上，永善岸不同規模不穩定現象發生和發展的空間關系證明了地震對該岸的影響顯著，即永善地震前永善岸邊坡基本穩定，永善地震造成該側坡體產生一定程度擾動，但沒有到威脅工程安全的程度；魯甸地震造成永善岸坡體產生顯著擾動，已經威脅到工程安全；高水位加劇了這些不穩定現象的規模和危害程度，目前已經嚴重影響到橋梁結構安全。

3.4 數值計算揭示的穩定性演化機制

利用Slide軟件，建立地質模型，考慮實際庫水變化條件，計算模型見圖5，計算參數見表1。

表1 邊坡計算參數Tab.1 Computing parameters of slope

圖5 邊坡計算模型Fig.5 Computing model of the slope

將整體和局部穩定性計算結果整理成圖6，穩定性系數和考慮力的補償效應的加固力統計列于表2。限于篇幅，僅列出最不利的情況。

表2 邊坡穩定性計算結果統計表Tab.2 Computing results of slope stability

圖6 邊坡整體和局部穩定性計算結果圖Fig.6 Computing results of slope overall and local stability

由圖6和表2可知，545～580 m高程水位，邊坡整體和局部穩定性系數，均小于1.30安全標準，大于1.05，基本穩定，所需加固力20015-1473717kN/m；600 m蓄水高程，邊坡整體和局部穩定性系數，均小于1.05，處于欠穩定狀態，所需加固力急劇增加至197 421 kN/m。若考慮抗滑樁截面尺寸為2 m×4 m，抗滑樁間距為8 m，則單根抗滑樁承受的最小下滑力20 015 kN/m×8 m=160 120 kN。一般單根抗滑樁可以提供的抗滑力為5 000～8 000 kN，至少需要20～32排抗滑樁才能滿足加固要求。另外，潛在滑體厚度為60～180 m，L型鄰水側累計橫向長度約350～985 m。根據上述加固力、滑體的厚度和水平范圍可知，該邊坡很難通過抗滑樁加固使其滿足工程穩定性要求，即不可加固。

3 結論與建議

根據勘察設計資料、三峽移民局蓄水及滑坡通報、參建單位往來函件、搜集到的歷史地震資料等，采用時空序列分析、現場調查評估和數值計算量化評價相結合的方法，對崩滑堆積體邊坡進行了穩定性綜合評價，所得結論如下。

（1）基于既有資料的時間和空間序列分析發現：工程建設對永善岸邊坡的擾動和穩定性影響可控；兩次地震，尤其是魯甸地震對邊坡的擾動顯著，近千次余震嚴重震松了坡體地層結構，高水位加劇了巖性劣化，目前坡體前緣沿牛欄江和金沙江一線多處出現崩塌、滑移、塌岸等局部不穩定現象，嚴重威脅橋梁結構安全。

（2）該邊坡的坡頂、坡面、坡腳和橋梁結構現場調查發現：坡頂、坡體中部發育的不良地質現象和不穩定現象為歷史變形跡象，其整體穩定可控，不會威脅工程安全；坡腳臨牛欄江到金沙江一線，目前局部穩定性較差，坡面破壞痕跡新鮮，前緣邊坡的穩定性已經威脅結構安全。

（3）邊坡極限平衡量化分析發現：邊坡由勘察階段的整體穩定，到兩次地震作用后的基本穩定-欠穩定狀態，目前達到工程穩定所需要的加固力為20 015～197 421 kN/m、加固深度60～180 m、加固范圍350～980 m，很難通過工程措施達到加固穩定目標。

（4）綜合評估認為：該涉水邊坡當前整體處于基本穩定-欠穩定狀態，局部處于欠穩定-失穩狀態，潛在變形破壞范圍深大，不可加固，建議舍棄。