旭龍水電站庫區格亞頂堆積體變形及穩定性分析

楊 鵬,鄭 光,黃 金 成,劉 震 東,陳 明 浩

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

0 引 言

金沙江上游受構造破碎、巖體結構復雜、河谷深切、強卸荷改造等多種不良因素的疊合[1],區內地質災害頻發[2-3],如2018年金沙江上游西藏江達縣白格村先后發生2次大型高位滑坡-堰塞堵江事件,造成巨大損失[4-5]。若修建水庫,將促進該區域地質災害的發育,威脅水庫正常運行以及當地居民安全。據金沙江水電規劃報告,金沙江作為中國最大的水電基地和“西電東送”主力,其上游將進行12級梯級水電站建設。旭龍水庫位于金沙江干流上游河段,水庫建成蓄水后可能發生庫岸變形破壞等的工程地質問題[6-7],加之該區域地質環境差異大、新構造運動強烈、生態環境脆弱,若滑坡失穩下滑,將造成巨大損失和危害。

在國外,由于水庫蓄水導致滑坡失穩的典型實例如瓦依昂水庫滑坡[8],造成了災難性后果,使大量學者開始關注此類滑坡。根據國內關于三峽庫區典型滑坡的研究成果,水庫蓄水后對滑坡的影響可主要歸結為滲流特性研究和滑坡穩定性評價2個方面。比如大部分學者對三峽水庫正常運行期間,不同的庫水升降速率、滑體滲透系數對滑坡穩定性的影響進行研究[9-10],得出了一些影響穩定性系數的因素和規律。也有學者對滑坡進行流-固耦合的數值模擬計算[11-14],研究分析了滑坡的滲流特征及穩定性變化。在蓄水條件下,學者多關注某一水位或變化水位后的滑坡穩定性,但是對于水庫蓄水正常運行后滑坡穩定性的動態變化以及滑坡變形預警模型的研究較少。坡體變形是直接反映滑坡穩定性和變化特征的重要參考。近年來,基于滑坡變形監測技術,采用滑坡變形切線角預警模型[15],對貴州省龍井村滑坡、甘肅黑方臺黃土滑坡[16]進行了多次成功預警。滑坡變形切線角模型的實時過程化、無量綱化特點適用于幾乎所有的漸變型或突發型滑坡,并取得了良好的預警防災效果。利用該模型的普遍適用性,結合坡體穩定性系數的動態變化,可對庫水位變化下的坡體變形階段進行預測判別。

本文通過數值計算得到水庫蓄水后旭龍水電站庫區格亞頂滑坡堆積體的滲流特征、應力位移及穩定性系數動態變化,結合滑坡變形切線角預警判據,對水庫蓄水后該坡體的變形階段進行預測判別,對于旭龍水庫地質災害防治具有重要意義。

1 滑坡概況

旭龍水電站水庫正常蓄水位2 302 m,總庫容8.47億m3,具有日調節能力。格亞頂堆積體位于金沙江干流上游河段右岸,屬高山峽谷地貌,距離壩址約3.8 km。如圖1所示,滑坡平面形態呈不規則形態,主滑方向約53°,平均坡度約30°。后緣高程約2 750 m,平均坡度約為47°,為崩塌形成的陡壁,兩側山脊有斷層F6-1穿過,基巖裂隙發育,前緣直抵金沙江江面,高程約2 183 m。

格亞頂堆積體存在Ⅰ區滑坡堆積體和Ⅱ區崩塌堆積體兩部分。Ⅰ區堆積平臺位于坡體下部,為滑坡堆積體平臺,高程約2 230 m。Ⅰ區組成物質主要為灰黑色粗粒土,巖性為花崗巖、變質巖碎石、塊石,巖質新鮮、堅硬,粒徑為0.1～0.5 m,見圖2(a)。Ⅱ區堆積平臺位于坡體中部、Ⅰ區平臺左后側,為上部的崩滑堆積體組成,高程約2 300 m。Ⅱ區物質組成為黃褐色塊、灰黑色碎石土,主要為碎石、角礫及礫砂等,碎石巖性為石英閃長巖,間夾云母片巖,見圖2(b)。水庫建成蓄水后,正常蓄水位將達到坡體中下部,淹沒到坡體下滑段,如圖3所示。考慮水庫30 m的波動水位,坡體受動水壓力作用,將產生變形甚至失穩下滑堵江,威脅下游水庫、村落和城鎮。動水壓力作用指水在土體孔隙中滲流時,對其周圍骨架產生的滲透力,其大小與水力梯度成正比。如果動水壓力指向坡外,將降低滑坡體的穩定性,從而引起滑坡復活[17]。本文將利用GeoStudio軟件對格亞頂堆積體進行流-固耦合分析,預測其在庫水位變動條件下的變形及穩定性。

圖3 格亞頂堆積體1-1′剖面Fig.3 1-1′ profile of Geyading accumulation body

2 庫水位變動下滑坡數值模型

選用GeoStudio中的SEEP/W、SIGMA/W、SLOPE/W等3種模塊相互結合的方式進行滲流-應力耦合分析,對蓄水后的格亞頂堆積體進行變形及穩定性分析。

2.1 模型構建及邊界條件

根據工程地質資料以及水文資料,本文選取1-1′地質剖面建立數值模型,如圖4所示。設計單元尺寸為10 m,共計3 699個節點,3 500個單元,并設置合理的邊界條件。具體邊界設置如下:① 初始滲流邊界:將前緣坡面初始水位高程設置為天然江面2 183 m,底部為零流量邊界,兩側邊界為自由滲流邊界,計算初始滲流狀態。② 瞬態滲流邊界:將前緣坡面設置為動態水頭邊界,水位以一定的速率升降,以此進行瞬態滲流分析。③ 位移邊界:約束模型兩側的水平位移、模型底部的水平和豎向位移。④ 監測點:為了便于分析庫水位變動過程中滑坡失穩的內在規律,設置監測點 A～D進行分析,其水位高程分別為2 230,2 272,2 302 m和2 320 m。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

2.2 參數選取以及計算工況

假定模型介質均為理想彈塑性材料,服從莫爾-庫倫強度準則,材料的物理力學參數是通過室內試驗、現場試驗及工程類比等方法確定,物理力學性質參數見表1。運用SEEP/W模塊自帶的樣本函數擬合得出巖土體的土水特征曲線(見圖5);利用飽和滲透系數與土水特征曲線,結合Van Genuchten模型推導出滲透系數曲線(見圖6)。考慮水庫運行調度及庫水位變幅特征變動范圍為30 m,即2 183 m→2 302 m→2 272 m的庫水位變動對滑坡變形及穩定性的影響。庫水位以1 m/d的速率升降,動態邊界水頭函數如圖7所示。

表1 巖土體物理力學參數取值Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

圖5 土水特征曲線Fig.5 Soil-water characteristic curve

圖6 滲透系數曲線Fig.6 Permeability coefficient curve

圖7 動態邊界水頭函數Fig.7 Dynamic boundary head function

3 數值模擬結果分析

3.1 滲流場數值分析

由于水庫運行,岸坡外的水位周期性變化較大,岸坡土體的飽和度也處于變化中,水分的相互補給改變了岸坡內的滲流場。斜坡巖土體的不均勻性和庫水的滲透作用將直接影響岸坡的穩定性,所以,對庫水作用下的滲流規律進行分析具有重要意義。

利用 GeoStudio 軟件的后處理功能,得到瞬態滲流分析中地下水浸潤線動態變化特征,如圖8所示。浸潤線指的是地下水位線中孔隙水壓力為0的線條。各階段浸潤線變化特征如下:

1.1 材料 ①一次性無紡布，規格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊;②雙層棉布，規格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊(在包布一角訂一塊3 cm×3 cm的“補丁”，用于記錄使用次數);③3M壓力蒸汽滅菌化學指示卡及指示膠帶。

圖8 水位升降過程中岸坡地下水浸潤線動態變化Fig.8 Dynamic changes of groundwater infiltration line on bank slope during the rise and fall of water level

(1) 在水位上升階段,如圖8(a)所示,水位在上升過程中,因為坡體滲透速率明顯小于庫水升降速率,導致坡體內浸潤線的位置明顯滯后于庫水位,上升時浸潤線在坡面附近向下彎折,隨著庫水上升,這種滯后性在坡體中越明顯,說明在水位上升過程中,水由坡面向坡體內逐漸補給。

(2) 在2 302 m水位維持階段,如圖8(b)所示,浸潤線逐漸緩慢上升,明顯還存在一定滯后性,這種現象在巖土體的滲透系數足夠大時,將不再明顯。與剛上升至2 302 m水位時相比,209 d浸潤線上升明顯。這種上升幅度隨時間逐漸減小,并且在局部出現彎折重合的現象。

(3) 在水位下降階段,如圖8(c)所示,浸潤線下降幅度隨時間逐漸減小,在209～239 d期間,坡體浸潤線向下彎折幅度較大,說明浸潤線在水位下降階段變化較大。

(4) 在2 272 m水位維持階段,如圖8(d)所示,浸潤線在水位維持的90 d中逐漸緩慢下降,在坡體中浸潤線的滯后現象已不明顯。水位變動階段相比于水位維持階段,浸潤線變化幅度大,這也使得應力在水位變動階段出現明顯變化(見圖9～10)。

圖9 監測點最大剪應力變化特征Fig.9 Variation characteristics of maximum shear stress at monitoring points

圖10 監測點最大有效應力變化特征Fig.10 Variation characteristics of maximum effective stress at monitoring points

3.2 坡體變形分析

庫水位升降引起坡體內部應力的變化,繼而產生位移的變化。根據設置的監測點,庫水位在升降過程中不同位置的最大剪應力、最大有效應力和位移變化如圖9～11所示。各階段應力-位移變化特征如下:

(1) 在水位上升階段,各監測點的最大剪應力都呈急劇上升的趨勢;最大有效應力在庫水位未達到監測點高程前變化不明顯,在水位上升至監測點高程附近時,最大有效應力開始急劇下降,如A,B,C點,而D點因高程位于庫水位2 302 m之上,受庫水作用相比于其他點較小,變化不明顯。這說明在蓄水過程中,水位上升對附近巖土體應力場影響較大。

對于監測點的位移,各監測點位在庫水擠壓作用下首先表現出向坡體內部的位移,隨后在庫水位升高至監測點附近時,開始出現向坡外的位移。這是因為隨著庫水位升高,坡體受到指向坡外的動水壓力作用,產生指向坡外方向的位移,也使豎直位移表現出持續增長的趨勢。根據圖11所示,在庫水位上升階段,坡體位移發生明顯突變,在蓄水后可能在監測點高程附近出現局部失穩、滑塌。

注:X和Y方向的位移以朝向坡外為正。圖11 監測點位移隨時間變化Fig.11 Change of monitoring points displacement with time

(3) 在水位維持階段,坡體內應力變化不明顯,逐漸趨于穩定,而各點位移則隨著庫水位維持一定時間后出現下降,并逐漸穩定在一定范圍。這說明位移主要發生在庫水位上升和下降階段,而在水位維持階段的變形較小。

3.3 坡體穩定性系數變化

(1) 庫水上升并維持水位對坡體的影響具體可分為2個方面:① 水位上升階段,坡體內的水位上升滯后于庫水位(見圖8(a))從而形成水位差,水向坡體內入滲,產生沿坡內方向的動水壓力和孔隙靜水壓力,相當于施加在坡體表面的一個正應力,產生向坡內的位移(見圖11),并且庫水位以下部分受到水的浮力作用,下滑力減小,從而使穩定性系數上升,成為坡體穩定性的有利因素,如圖12所示;② 水位維持階段,水向坡體內入滲,土顆粒間的膠結物質被溶解,使土體黏聚力降低,土粒間的潤滑作用增強使內摩擦角減小,即水的軟化作用使土的抗剪強度降低,與基巖接觸面(滑面)有效應力減小,抗滑阻力降低,成為對坡體的不利因素,使穩定性系數下降。

圖12 滑坡穩定性系數與時間的關系Fig.12 Relationship between slope stability coefficient and time

(2) 庫水下降并維持水位對坡體的影響。在水位下降階段,由于巖土體的持水性主要與顆粒大小有關,顆粒越小的巖土體滯留的水越多,從而使浸潤線的下降滯后于庫水位,坡體內具有較高的孔隙水壓且不能及時消散,形成非穩態滲流場,對周圍土體骨架產生向臨空面及向下的滲流動水壓力(動態擴張力),同時,由水頭差產生的靜水壓力相當于對前緣施加了一個推力,使坡體穩定性急劇下降,水位下降至2 272 m時穩定性系數減小至最低值0.951,此時最危險滑移面位置如圖13所示。在2 272 m水位維持階段,穩定性系數因為浸潤線逐漸趨于穩定,形成穩態滲流場,并且應力位移變化較小,使穩定系數出現一定上升。

圖13 最危險滑移面位置(239 d)(孔隙水壓力單位:kPa)Fig.13 Location of the most dangerous slip surface (239 d)

在水庫蓄水運行中,穩定性系數急劇下降的階段并未出現在水位上升階段,而是發生在2 302 m水位維持階段和下降階段,且穩定性系數最小的時間點出現在水位下降階段。因此,在旭龍水電站蓄水運行后,應該關注蓄水初期以及庫水下降過程中的滑坡變形情況,及時制定相應的災害防治措施。

3.4 位移切線角預警判據

坡體從變形產生到最終失穩破壞,累計位移(S)-時間(t)曲線一般會經歷初始(期)變形階段、等(勻)速變形階段和加速變形階段,即所謂的斜坡變形演化3階段規律[18]。位移切線角是指S-t曲線中某一時刻變形曲線的切線與橫坐標軸之間的夾角,即S-t曲線上某一時刻用角度表示的曲線斜率。坡體在失穩破壞前的位移切線角一般為89.0°～89.5°,并以此作為滑坡的預警預報判據之一,即位移切線角預警判據。許強等[15]通過對斜坡累計位移-時間曲線進行坐標變換,實現縱橫坐標同量綱化得到改良后的累積位移曲線。為滿足預警需要,許強等對滑坡的加速變形階段進行了細分,并給出了基于變形的滑坡4級綜合預警判據,如表2所示[19]。

表2 滑坡預警級別的定量劃分標準Tab.2 Quantitative classification criteria of landslide warning levels

改良S-t曲線處理具體方法如下[15]:① 通過位移累積曲線并結合坡體變形跡象,確定坡體等速變形階段的變形速率,利用公式(1)得到改良后的位移-時間變形曲線;② 通過公式(2)計算出單位時間間隔的切線角。

(1)

式中:S(i)為某一單位時間段(一般采用1個監測周期,如1 d、7 d等)內坡體累計位移量;v為等速變形階段的位移速率;T(i)為改良后與時間相同量綱的縱坐標值。

(2)

式中:αi為改進的切線角;ti為某一監測時刻;Δt為與計算S時對應的單位時間段(一般采用1個監測周期,如1 d、7 d等);ΔT為單位時間段內T(i)的變化量。

根據數值模擬得到的庫水位變動下坡體的穩定性系數變化規律(見圖12),選取庫水作用帶的監測點C的位移數據,利用單位時間步長記錄的X,Y方向位移量,計算出單位時間間隔的切線角,如圖14所示。

圖14 點C的累積位移與切線角曲線Fig.14 Cumulative displacement and tangent angle curve at point C

利用位移切線角預警判據,根據滑坡預警級別的定量劃分標準(見表2),判別坡體在蓄水后不同庫水位作用階段的變形狀態。在水庫蓄水運行后,切線角迅速增加,達到一定水位后開始下降,并且在庫水維持階段逐漸趨于平緩穩定。這說明在庫水上升作用下,坡體變形速率突增,切線角明顯增加。在庫水下降階段,切線角也有明顯的突增,說明坡體在庫水升降過程中變形較強烈,而在水位維持階段則變形較小,與前文的應力-位移分析相符。該坡體在蓄水初期變形強烈,預測變形階段為初加速變形,預警級為警示級,見表3。

表3 滑坡變形階段預測Tab.3 Prediction of landslide deformation stage

4 結 論

(1) 庫水位變動影響著滑坡體的滲流場。在庫水位上升階段,庫水向坡體內入滲,地下水位滯后于庫水位,浸潤線向坡內彎折凹陷;在庫水位下降階段,水由滑坡體向坡外排泄,浸潤線向下彎折,并且下降幅度逐漸減小;在水位維持階段,浸潤線隨時間趨于平緩,變化幅度逐漸減小,并出現局部彎折重合。

(2) 水庫蓄水運行過程中坡體的應力-位移變化規律:最大剪應力與最大有效應力受庫水位升降影響,在坡體內變化明顯,突變主要發生在庫水上升階段。隨著庫水位上升,水平位移先增加后減小,豎向位移則逐漸增加。對水平位移影響較大的主要是水位上升階段,而對豎直位移影響較大的主要是水位升降階段。

(3) 水庫蓄水運行過程中,坡體的穩定性變化規律:在庫水上升階段,因指向坡內方向的水壓力作用和浮力作用,坡體穩定性系數明顯上升;在水位維持階段,因為受到庫水的軟化作用,巖土體抗滑力下降,穩定性系數減小;在庫水位下降階段穩定性系數繼續減小至最低值0.951,而在2 272 m水位維持階段則出現一定回升。

(4) 根據穩定性系數變化規律,結合數值計算獲取的位移曲線,通過累加法計算出累積位移曲線,并利用切線角預警判據,對該坡體在庫水位變動下的變形階段進行預測判定。結果表明:坡體變形主要發生在蓄水初期,變形階段為初加速變形,預警級為警示級。