吉牛水電站順層巖質邊坡變形體成因機制及防治效果分析

劉瑞庭, 巨能攀*, 劉恒, 周新, 張成強, 王豪

(1.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, 成都 610059;2. 國能大渡河流域水電開發有限公司, 成都 610093)

滑坡是一種常見的地質災害,威脅著中國1/5～1/4的國土面積,造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[1]。近年來,隨著城鎮化建設的快速發展,人類工程活動日益強烈,由此誘發了大量的工程滑坡[2]。中國西南地區的水電工程普遍面臨著高邊坡的安全隱患問題,一旦失穩破壞將造成災難性的后果,嚴重威脅到人民生命財產安全及水電工程的安全穩定,因此對此類工程問題進行研究具有重要意義。

工程滑坡泛指由人類工程活動直接誘發而產生的滑坡[3]。眾所周知,工程擾動不僅會改變坡體的形態特征、應力場和變形場,同時當遇有降雨、外部加載等不利因素疊加作用時,會起到放大其不利影響的作用,工程擾動對于滑坡的發生和發展具有明顯的催化效應[4]。目前,對于滑坡治理,特別是公路及隧道口的滑坡治理已經研究有多種措施,包括刷方減載、預應力錨索錨桿、支擋支護、加固及排水等[5-7],對工程中遇到的順層滑坡治理也有部分研究[8-9]。針對工程擾動誘發滑坡的穩定性分析及應急防治措施研究也取得了一定成果[10-11]。通過數值模擬進行邊坡穩定性分析和治理方案分析的研究一直是熱點問題,一些學者認為通過數值模擬指導邊坡工程治理及對邊坡坡體在工程治理前后的穩定性數值模擬分析是合理的、可行的[12-13]。包括對降雨等誘發因素進行了大量水固間耦合作用[14]方面和不同條件滑坡力學響應模型[15-16]的研究,對順層邊坡監測預警方面的研究也取得一定成果[17-19]。離散單元法(discrete element method,DEM)被用于研究對巖體加載路徑對含開放缺陷巖石試樣開裂過程的影響[20]。此外,通用離散元程序(universal distinct element code,UDEC)還被用于將巖體建模為可變形塊體的組合,從而預測節理巖體強度和變形能力[21]。但是對于因人類工程擾動及其他誘因綜合作用影響的滑坡,通過數值模擬方法對其成因機制和有效防治措施的研究一直是重點和難點[22-24]。

現通過開展邊坡變形體成因機制及防治研究,結合離散元數值模擬方法,為順層巖質邊坡變形體工程防治處理提供技術依據,對類似的工程擾動及降雨綜合誘發滑移-拉裂式滑坡的成因機制分析及防治方案選取具有參考意義。

1 研究區工程地質特征

1.1 研究區域概況

吉牛水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內,該邊坡變形體位于革什扎河口上游約0.5 km的聶呷鄉甲居村區域邊坡中上部高程位置、某交通洞洞口上部,為自然邊坡,下方公路開挖產生工程擾動。2018年5月以來,丹巴地區進入雨季,地質災害頻發,受持續性的降雨影響與工程活動擾動,道路上部基巖邊坡高程2 344～2 394 m范圍內巖體發生強烈滑動變形,于5月2日和12日先后發生兩次滑坡,總方量超過200 m3,大量塊石對洞口建筑物、坡角處施工道路混凝土路面及擋墻均造成不同程度的破壞,變形邊坡巖體松動、破碎,具備再次崩滑的可能性,對水電站的正常運行和下部道路通行造成嚴重威脅。正射影像及整體變形示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 變形體正射影像位置示意圖Fig.1 Diagram of orthophoto position of deformed body

圖2 整體變形范圍示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall deformation range

1.2 水文氣象條件

研究區域屬青藏高原型季風氣候。流域內高山聳峙,溝壑縱橫,系典型的高山峽谷地貌,屬于北亞熱帶氣候。流域氣候的主要特點是:雨熱同季,降雨集中,干濕季分明;氣溫日較差大,年變幅小;日照、光輻射充足,干季多大風。據丹巴縣氣象站(海拔高程1 949.7 m)1952—1991年資料統計,多年平均氣溫14.3 ℃,極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為39.0 ℃和-10.6 ℃,多年平均年降水量為593.8 mm,歷年一日最大降水量為43.4 mm,多年平均相對濕度為52%,歷年最小相對濕度為零。多年平均蒸發量為2 553 mm,多年平均風速為3.5 m/s。

1.3 工程地質條件

變形體分布高程2 300～2 394 m,順坡向長度約150 m,寬度55～70 m,推測拉裂卸荷巖體厚度8～13 m,松動巖體總體積約2.2萬m3。變形體上部地形較陡,斜坡坡度一般為40°～45°。斜坡體上部海拔2 420 m左右,沿N10°W向分布有大型危巖體。坡頂分布覆蓋層厚度一般為1～1.5 m,植被稀疏。中上部段基巖裸露,巖性為灰色片巖,風化程度介于強風化到中風化之間,斜坡上部海拔約2 370 m為斜坡主要風險源所在,有已被裂縫L1貫穿的危巖體,也是斜坡后緣所在位置。在坡底出露志留系茂縣群基巖,巖體表層受風化及重力卸荷影響,基巖節理裂隙發育呈層狀碎裂結構,主要受產狀為130°∠38°及產狀為57°∠78°兩組裂隙控制。

通過分析變形體的邊界條件、變形破壞特征、監測成果及數值計算等資料,將蠕滑變形體及其影響范圍分為3個區,其中Ⅰ區為蠕滑拉裂區,為變形強烈的蠕滑拉裂基巖邊坡,以L1裂縫為后緣邊界,基巖陡壁為上游側邊界,基覆界線為下游側邊界,道路內側坡腳為前緣;Ⅱ區為拉裂影響區,為Ⅰ區后緣及上游側基巖陡壁邊坡,未見明顯的變形跡象,整體較穩定;Ⅲ區為蠕動變形區及經過抗滑支護的工程支護區,其變形深度較淺,程度較弱。工程地質平面圖及剖面圖(A-A′剖面)如圖3、圖4所示。

圖3 工程地質平面圖Fig.3 Engineering geological plan

圖4 A-A′工程地質剖面圖Fig.4 Engineering geological profile of A-A′

2 變形破壞特征及成因分析

2.1 變形破壞特征

變形體中上部基巖邊坡高程2 344～2 394 m范圍內巖體開裂顯著,發育數條順坡向陡傾卸荷拉裂縫,在空間形態上大致平行發育,張拉寬度0.3～6 m,延伸長度35～55 m,可見深度5～8 m。在坡腳處道路路邊可見內側擋墻后期加高段沿施工縫向外推出2～5 cm,同時擋墻上部的混凝土噴層有開裂現象,覆蓋層邊坡表層局部滑塌,蠕滑變形體邊坡在道路內側坡腳部位巖土體存在位移變形。除此之外,路面、道路下部邊坡滑坡體均未見變形跡象,以此推測道路內側坡腳為邊坡蠕滑變形的前緣邊界;后緣邊界:蠕滑變形體L1裂縫后緣邊坡坡度42°～47°,高程2 410 m以上呈陡崖狀。后緣邊坡地表未發現較大規模的斷層、擠壓破碎帶,層面產狀正常,坡面未發現變形現象,后坡整體穩定,L1裂縫即為蠕滑變形體后緣邊界。調查中發現,后坡普遍發育順坡向卸荷裂隙,巖體長期暴露于地表,受降雨、臨空面牽引及節理裂隙等因素的影響,存在卸荷變形的可能。坡中上部基巖坡體變形強烈,中下部覆蓋層邊坡及洞口工程邊坡局部見剪出破壞現象,道路擋土墻局部錯位,整體變形特征如圖5所示。

圖5 邊坡變形特征示意圖Fig.5 Schematic diagram of slope deformation characteristics

2.2 成因分析

通過實際勘察及理論分析認為,邊坡巖體為互層狀結構,傾向坡外,巖石軟硬相間,其中的二云片巖屬較軟巖石,具遇水軟化的特性,易產生塑性變形而形成軟弱滑動面。強降雨、前緣開挖或沖刷、中后緣不合理加載等都會導致坡腳附近軟弱帶擴展和坡體穩定性的降低,沿軟弱面的蠕滑。滑體前移及表層變形,后緣出現拉裂縫并持續加深,中部逐漸出現剪應力集中。同時地表形態是造成邊坡蠕滑變形的重要因素,形成前緣重力過大的態勢,由于開挖導致下部臨空面支撐力不足,具備下滑的空間。一旦潛在剪切面被剪斷貫通,則發展為滑坡。蠕滑變形區中上部的拉裂松動巖體邊界主要受結構面控制,并以層面為底滑面順層滑動,同時推擠中下部巖土體產生變形,邊坡中上部變形較中下部強烈,變形機制整體為推移式順層拉裂蠕滑變形。

根據理論分析及實際勘察將變形劃分為3個階段:①表層蠕滑:巖層向坡下彎曲,后緣產生拉應力;②后緣拉裂:通常造成面向坡下的臺階;③潛在剪切面剪切擾動。

研究認為影響因素及作用機理有地形、巖體條件、卸荷、工程擾動及降雨影響。

(1)地形。地表形態是造成該邊坡蠕滑變形的重要因素,中上部變形強烈的基巖邊坡地形陡峻,自然坡度40°～50°,局部達55°,而下游側、下部邊坡坡度較緩,地形相對較低,導致基巖邊坡在地形上相對較凸起,形成頭重腳輕的形態,下部支撐力不足,具備下滑的空間。

(2)巖體條件。該邊坡巖體為互層狀結構,傾向坡外,巖石軟硬相間,厚薄不等,其中的二云片巖屬較軟巖石,具遇水軟化的特性,易產生塑性變形而形成軟弱滑動面。邊坡同時發育順坡向的結構面(J1)和與坡向大角度相交、陡傾的結構面(J2、J3)。認為對變形體邊坡邊界起到了分割作用。

(3)卸荷。該邊坡卸荷作用強烈,巖體強卸荷水平深度一般55～60 m,淺表巖體沿邊坡原有結構面張開0.5～2 cm,多充填次生泥、巖屑等,整體結構較松弛。

(4)工程擾動及降雨影響。工程擾動與降雨是誘發邊坡變形的主要因素。由于地形原因,該變形體的基巖邊坡在地形上相對較凸起,形成“頭重腳輕”的形態,而公路的開挖更增加了滑體前緣向下的臨空面,前緣鎖固段破壞,最終導致下部支撐力不足,公路內側滑體前緣剪出。另外,持續高強度的降雨,雨水沿現有裂隙、裂縫滲入坡體,導致巖石及潛在滑動面的抗剪強度降低,影響邊坡穩定。

3 數值模擬分析及滑坡動態過程研究

3.1 離散元模型建立及模擬方案選取

巖土體物理力學參數的選取將會直接影響數值模擬計算結果的準確性[25]。然而,由于地質體具有非連續、非均勻、流固耦合、未知初始狀態等特點,僅依靠有限的鉆孔數據無法準確給出滑坡體的滲流參數及巖土力學參數[26]。并且,通過傳統的確定結構面參數方法(如試驗法、工程類比法和專家經驗法等)不僅前置要求高,而且包含過多的主觀因素。因此,通過基于狄里克萊隨機向量的加權統計方法確定巖體及結構面力學參數,方法如下。假設所求參數的先驗樣本服從未知分布F,未知分布的均值為μ,通過實驗、現場及文獻收集到服從獨立同分布的參數樣本及平均值為

X=(X1,X2,…,Xn)

(1)

(2)

(3)

式(3)中:Vi(V1,V2,…,Vn)為服從D(1,1,…,1)分布的狄里克萊隨機向量。

因此只需通過計算機產生N組服從D(1,1,…,1)分布的狄里克萊隨機向量,然后計算出所有組隨機向量取均值的隨機加權子樣,即可得到所求參數分布特征的估計值為

(4)

此方法作為一種適用于小樣本的重采樣技術,消除了傳統方法主觀經驗的影響,利于確定所求參數的真實分布。參數選取如表1、表2所示。

表1 結構面力學參數選取Table 1 Mechanical parameters selection of structural plane

表2 巖體力學參數選取Table 2 Selection of rock mass mechanical parameters

數值模擬方案分為3種情況,如圖6所示。

圖6 邊坡影響因素分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of slope impact factors analysis

(1)方案1:強降雨工況下未開挖。方案模擬在強降雨工況下,下方道路未開挖前處于自然邊坡狀態。

(2)方案2:強降雨工況下開挖。方案模擬下方道路開挖后,在強降雨及下方工程擾動下的狀態。

(3)方案3:強降雨工況下開挖后治理。方案模擬在強降雨工況下,下方道路開挖后,經過防治支護(錨固)后的狀態。

3.2 數值模擬結果分析

在方案1的強降雨工況下,自然狀態下的模型計算至10×104時步時,通過分析X方向位移云圖(圖7)及邊坡位移矢量圖(圖8),其最大僅在淺表層強風化帶之上產生約4.345 cm位移,整體保持穩定。雨水作用為沿原有裂隙、裂縫滲入坡體,導致巖石及潛在滑動面的抗剪強度降低。邊坡基本穩定,可以認為降雨對該邊坡的穩定性影響相對較小。

圖7 數值模擬方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of three simulation schemes

在方案2的強降雨工況下,開挖后的模型計算至時步step為2.5×104時,邊坡位移矢量圖及X方向位移云圖見圖9(a)、圖10(a)。可以看到,邊坡在坡體前緣開挖之后,高程2 300～2 350 m處靠近開挖臨空面的淺表部巖體產生了約0.2 m的變形,變形以斷層為后緣邊界,沿著緩傾坡外卸荷結構面向臨空面方向產生剪切變形。高程2 350～2 370 m的坡表碎裂巖體由于受到上部巖體開挖卸荷的影響,且巖體極破碎,產生約0.1 m的變形,小于下部巖體變形。開挖高程2 310～2 350 m深部1～2 m處巖體由于失去前緣被開挖巖體的鎖固作用,向坡外產生變形,變形由高高程向低高程傳遞,越往下部受開挖影響越小。開挖高程以上的巖體,由于失去被開挖巖體的支擋作用,首先在開挖面產生變形并逐漸向上部延伸擴展。第一階段變形特征:表層蠕滑,巖層向坡下彎曲,后緣產生拉應力。

圖9 方案1位移矢量圖Fig.9 Displacement vector diagram of scheme 1

圖10 方案2位移矢量圖Fig.10 Displacement vector diagram of scheme 2

當模型計算至5×104時步時,邊坡位移矢量圖及云圖見圖9(b)、圖10(b)。從邊坡X方向位移云圖可以發現,隨著變形的進一步增加,在淺表層位移繼續加大至0.7 m的情況下,由于高程2 300～2 310 m、深部1～2 m處前緣巖體發生約0.2 m劇烈變形,導致后部巖體失去前緣被開挖巖體的鎖固作用,加上較軟巖與中硬巖兩個層面分界,發生剪切破壞,滑面貫通,開始向前下方變形產生約0.3 m位移。后緣坡內的多組長大裂隙密集發育,受到前部位移影響,產生約0.1 m的地表裂縫。從邊坡位移的變化可以看出,邊坡變形受控于結構面,以不同巖性層面交界作為潛在滑面,以陡傾結構面為后緣,以淺表層強風化帶為主要滑體。第二階段變形特征:后緣拉裂,通常造成面向坡下的臺階。

當模型計算至7.5×104時步時,邊坡位移矢量圖及云圖見圖9(c)、圖10(c)。可以看出,隨著變形的加劇,前緣部分已發生垮塌崩落,其X方向最大位移達到約1.2 m。

當模型計算至10×104時步時,邊坡位移矢量圖及云圖見圖9(d)、圖10(d)。由于淺表層巖體向臨空面垮塌崩落,加上滑體前緣深部巖體位移增加至約0.5 m,施工道路已被完全掩埋。前部巖體變形的加劇導致后方巖體脫離,后部裂縫寬度繼續增加,寬度1.5～2 m,邊坡最終X方向累積最大變形位移達3 m以上,脫落的碎石巖塊完全掩埋下方施工區及道路。此時在后緣高程2 375 m及中部高程2 350 m處,產生寬度分別約為1.5 m和0.5 m的裂縫L1、L2及L3,裂縫所在位置及裂縫寬度與實際情況高度吻合。此外,方案2在無降雨影響下(其他條件完全相同),開挖后的邊坡在模擬中仍然發生了較大規模滑動。因此認為,變形體下方道路開挖導致的工程切坡對此滑坡的產生具有較大影響。

4 防治方案及效果分析

4.1 防治方案選取

拉裂的主要影響區分布高程為2 300～2 408 m,該區治理范圍包括L1裂縫后緣陡壁、上游側(至蝶閥室洞口)基巖陡壁。臨空面高陡,裂隙發育,目前未發現明顯的變形跡象,總體較穩定。但坡體內普遍發育J1卸荷裂隙,變形特征主要表現為向臨空面方向松弛變形,存在崩塌、掉塊的可能性。

該區域坡度較陡,針對順層巖質邊坡破壞模式和破壞特征,主要考慮對前緣臨空陡壁面采取加支護措施進行治理。主要治理措施為:在蠕滑區域前緣臨空陡壁部位采用包括深層錨索、中層錨筋束、淺層錨桿、表層噴護等深淺層結合的措施進行綜合加固,在拉裂影響區設置一道截水溝,同時在坡度相對緩的部位設置一道被動防護網。

4.2 防治效果綜合分析

該邊坡共有9個GNSS測點,其中GP01、GP02、GP05測點位于拉裂影響區,GP03、GP04位于蠕滑變形區,GP06、GP07、GP08、GP09位于邊坡下部的工程支護區。治理后模型監測點從左向右開始編號,前緣設置點3#,中部設置點2#,后緣設置點1#。數值模擬方案3的監測點及位移云圖如圖11、圖12所示。

圖11 方案2位移云圖Fig.11 Displacement nephogram of scheme 2

圖12 方案3監測點示意圖Fig.12 Schematic diagram of monitoring points

變形體拉裂影響區在2019年7—11月處于勻加速變形階段,目前處于穩定階段。蠕滑拉裂區X方向的最大位移達到了876 mm,累計沉降最大值為600.89 mm。蠕滑變形區處于穩定階段,截至目前累計變形量在800～1 600 mm。坡腳工程支護區處于勻速變形階段,截至目前累計變形量最大為180.29 mm。

該變形體于2020年6月左右完成蠕滑拉裂區及變形體后緣的支護措施。在進行支護防治之后,現場監測得到的位移數據顯示該滑坡的變形得到了較好的控制,GPS01、GPS03及GPS04在治理后均趨于平緩(GPS02由于外界干擾導致數據異常),如圖13所示。同時,由數值模擬方案3監測點監測的位移數據(圖14)表明,在加固防治之后,該滑坡的變形得到了有效控制,監測點1累計位移量控制在X方向3.23 cm以下,監測點2累計位移量控制在X方向0.89 cm以下,監測點3累計位移量控制在X方向0.461 cm以下,變形體滑移趨勢得到良好控制,與實際現場的位移監測數據曲線趨勢高度吻合。顯然,在進行防治之后,該邊坡變形基本得到了控制,在降雨等外部影響下仍然保持相對穩定的狀態,并未再次發生滑動。

圖13 方案3位移云圖(時步為100 000)Fig.13 Displacement nephogram of scheme 3

圖14 現場位移監測數據曲線Fig.14 Schematic diagram of creep deformation range

圖15 治理后數值模擬位移曲線Fig.15 Schematic diagram of creep deformation range

同時,從防治前及防治后的現場監測與數值模擬數據均高度擬合的情況來看,數值模型是貼近真實情況的。而巖體及結構面物理力學參數的選取對二維離散元模型有著決定性的影響,因此從側面反映了基于狄里克萊隨機向量的加權統計方法在確定數值模型力學參數上的優越性。并且,針對此類具有監測數據的順層邊坡,可以通過離散元建模從而反演滑坡的演化過程、穩定性系數、變形特性等,進而為支護防治措施提供進一步的理論支撐,提高防治工程的有效性和合理性。此種方法和思路對工程邊坡治理具有一定參考意義。

5 結論

基于吉牛水電站邊坡變形體的工程地質特征及變形現象,分析不同工況條件下的滑坡變形響應過程、基本破壞規律及地質-力學模式,確定其主要誘發因素及形成機制,結合防治方案進一步檢驗治理后的防治效果,并在此基礎上進行數值模擬驗證。得到結論如下。

(1)變形機制整體為推移式順層拉裂蠕滑變形。變形體中上部基巖邊坡至邊坡極限平衡狀態被打破后,蠕滑變形區中上部的拉裂松動巖體邊界主要受結構面控制,受上部基巖滑動擠壓以層面為底滑面順層滑動,同時推擠中下部巖土體產生變形,主要表現為表層蠕滑,巖層向坡下彎曲,后緣產生拉應力,后緣拉裂,潛在剪切面剪切擾動,至滑面貫通,在坡腳道路處剪出。前緣淺表層巖體向臨空面垮塌崩落,前部巖體變形的加劇導致后方巖體脫離,最終在后緣產生0.5～2 m的裂縫,在前緣水平方向累積最大變形位移達3 m 以上。

(2)此滑坡主要誘因為下方道路開挖形成的工程切坡擾動,次要誘因為連續高強度降雨。邊坡在下方公路開挖后,變形體下部臨空,支撐力不足,以不同巖性層面交界作為潛在滑面,沿著緩傾坡外卸荷結構面向臨空面方向產生剪切變形,對邊坡穩定性影響較大。而持續高強度的降雨,雨水沿原有裂隙、裂縫滲入坡體,導致巖石及潛在滑動面的抗剪強度降低,對邊坡穩定性產生一定影響。

(3)根據順層巖質邊坡破壞模式及破壞特征,結合離散元數值模擬結果,采取預應力錨索等措施進行綜合加固。防治后模擬結果最大累計位移量控制在3.23 cm以下,且實際監測數據曲線在治理后立即趨于平緩,均表明該滑坡的變形得到了有效控制。在降雨等影響下,仍然保持相對穩定的狀態,并未再次發生滑動。

(4)防治前后現場監測與數值模擬數據均高度擬合,模型與實際吻合,從側面反映基于狄里克萊隨機向量的加權統計方法在確定數值模型力學參數上的優越性。針對此類具有監測數據的順層邊坡,通過離散元建模從而反演滑坡的演化過程、穩定性系數、變形特性等,進而為工程實際提供進一步的理論支撐,后續研究可從此展開深入。

(5)在進行工程活動時,應考慮到人類工程活動(特別是工程切坡)對自然邊坡造成的影響及導致發生次生災害的可能性。尤其應充分考慮工程擾動與降雨等自然因素綜合影響下誘發滑坡的可能性。