考虑地下水影响的大华滑坡塌岸预测

王乐华,王家成,杨姗姗,陈 星

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌 443002;2.中国长江三峡集团公司枢纽管理局,湖北 宜昌 443002)

水库蓄水后,由于库水位变化使库岸地质条件发生改变,库岸在库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及干湿交替作用下发生坍塌,导致水库岸线后退,在水库周边波浪作用范围内形成浅滩,进而诱发库岸稳定性发生变化,这种现象称为水库塌岸现象[1]。水库塌岸是影响水库工程安全的重大地质灾害,为此,有必要对滑坡可能失稳发生破坏范围和规模进行塌岸预测。

传统的塌岸预测方法有图解法、卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法等[2]。近年来,许多学者提出了新的塌岸预测方法,如两段法[3]、土力学法、库岸结构法[4]、数值模拟法[5]等。上述基于工程实践的预测方法在实际的工作中仍然广泛地应用[6]。地质条件和环境的复杂多变性,对岸坡滑坡的稳定性产生了显著影响[7-8],迄今为止的塌岸预测方法多属于经验性或半经验性的,简化了水文地质条件的影响,很少从定量的角度出发,从而无法清楚了解塌岸和地下水影响之间的确切关系。本文在考虑地下水影响的基础上,综合应用极限平衡搜索预测法、FLAC3D数值模拟预测法两种数值模拟方法,对大华桥水库大华滑坡进行了塌岸预测,并与传统的卡丘金法预测结果进行了对比分析。

1 滑坡概况

大华滑坡距大华桥水电站下坝址5km。大华桥水库两岸岸坡较陡,基岩由板岩、片岩等组成,性状较差,沿江滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频繁发生。大华滑坡体分布高程在1410～1870m之间,后缘至前缘长度约1000m,顺河向宽度1060m左右,周边为基岩陡壁,呈“圈椅”状,形成后缘及上下游侧缘被基岩陡坡围限、前缘临空的态势,属于典型的纵横等长式滑坡,目前前缘已达澜沧江边(天然蓄水位1413m),滑坡堆积物体积约为4800万m3,属大型滑坡。当水库水位达到正常蓄水位1477m时,滑坡体前缘约有67m的深度位于水位以下。大华滑坡体主要由表层 10～50m崩积土夹碎块石、中部20～50m侏罗系坝注路组倾倒变形的强风化紫红色板岩(J3b)组成,倾倒变形岩层基本保持原状层序,岩层倾向岸内,从浅到深岩层倾角逐渐从缓变陡,倾角15°～ 30°左右 ,强度低 ,手捏即可成碎块、碎片 、碎屑状。滑坡体下部为弱风化紫红色板岩(J3b),岩层倾角上部35°～45°,随着深度的增加,岩层倾角逐渐变陡至70°～85°,趋于正常。根据地表形态特征,滑坡体明显分为5个区,见图 1。3—3′剖面沿Ⅳ区中线上下延伸,并穿过Ⅰ区,地质剖面见图2。

图1 大华滑坡分区

图2 大华滑坡3—3′剖面

2 塌岸预测方法及其改进

2.1 塌岸类型分析

在具体评价库岸稳定性时,根据不同的塌岸类型,宜采用多种方法综合预测评价。根据水库库岸变形失稳的破坏机理,可将水库塌岸划分为侵蚀-剥蚀型、坍塌型、滑移型、崩塌型和流土型等 5种类型[3]。根据地质条件分析认为大华滑坡前缘岸坡的可能失稳模式是沿着堆积体底部和倾倒板岩层发生滑移,从而可认为岸坡塌岸类型属于滑移式塌岸。

2.2 塌岸预测方法选择

滑移式塌岸适合用极限平衡搜索预测法、FLAC3D数值模拟预测法来预测塌岸宽度[5]。极限平衡搜索预测法是依据实测的岸坡地质剖面,建立库岸模型,利用Geo-Slope软件选取适当的方法(如Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等)进行岸坡稳定分析计算,依据计算出的最危险滑动面来圈定相应的塌岸范围。FLAC3D数值模拟预测法利用有限差分软件FLAC3D分析坡体岸坡局部剪应变增量云图,自动搜索剪应变增量贯通区来圈定相应的塌岸范围。

2.3 塌岸预测方法补充和改进

传统塌岸预测方法没有具体考虑库水位及地下水的孔隙水压力和渗透作用等影响因素。随着库水位上升及周期性涨落,岸坡岩土体在水的作用下软化,波浪对岸坡冲刷搬运、库水位及地下水的孔隙水压力和渗透作用,导致岸坡工程地质条件发生变化,使得塌岸的可能性增大。库水位上下的土体分别处于非饱和、饱和状态,库水位变化时滑体内的浸润线变化滞后于滑坡外水位线的变化,产生对滑坡稳定不利的非稳定渗流[9]。考虑地下水影响更加符合工程实际情况。

本文基于非饱和土的渗流理论,采用GeoStudio系统软件中专业的渗流计算有限元程序SEEP/W模块模拟库水位上升到正常蓄水位时滑坡体内的稳态渗流场,将SEEP/W计算的孔隙水压力和地下水位线分别与极限平衡搜索预测法、FLAC3D数值模拟预测法结合起来预测。具体方法如下:①将SEEP/W计算的孔隙水压力应用到SLOPE/W中建立极限平衡模型进行耦合分析,采用极限平衡搜索预测法进行塌岸预测;②在建立的FLAC3D单宽三维模型中添加SEEP/W计算的地下水位线,采用FLAC3D数值模拟预测法进行塌岸预测。

图3 卡丘金法预测塌岸宽度原理

另外,采用由卡丘金1949年提出的库岸最终塌岸宽度预测计算公式而演变的卡丘金法(图3,图中H为正常高水位以上岸坡的高度;h1为黏性土斜坡上部的垂直陡坎坎高;hs=H-h1;hb为浪爬高度;hp为波浪影响深度;γ为原岸坡坡角;α为水下稳定坡角;β为水上稳定坡角)进行对比预测。该法的实质是依据实测的洪水、枯水位变幅带各岩土岸坡长期稳定坡角,根据几何关系用基于地质类比的图解法求解库岸最终塌岸宽度[10]。

3 大华滑坡塌岸预测

3.1 渗流计算

分析大华桥水库正常蓄水位1477m下大华滑坡3—3′剖面渗流情况。坡体组成及其渗透系数见表1。土体渗透系数函数和体积含水量函数参照SEEP/W自带的函数库进行选取。

表1 滑坡岩土体的渗透系数

大华滑坡3—3′剖面SEEP/W采用平面有限元法进行求解,直接使用AutoCAD底图建模。计算模型共确定了8663个节点,划分了9049个单元(包括三角形单元和四边形单元),计算网格见图4。

图4 渗流计算网格

在正常蓄水位1 477m稳态下的渗流场分布和地下水位线如图5所示。计算的地下水位线的溢出点高程为1477m。

图5 正常蓄水位1477m稳态渗流下的浸润线(局部)

3.2 极限平衡搜索预测法

在SLOPE/W中计算之前,首先将SEEP/W渗流计算得出的正常蓄水位1 477 m稳态结果导入SLOPE/W中进行稳定性计算。这样计算更符合实际,避免了根据经验确定地下水位线以致计算结果可信度低等弊端,计算结果可为滑坡失稳、发展趋势及塌岸预测提供参考依据。SLOPE/W中所需的力学参数见表2。

表2 滑坡稳定性分析的力学参数

在SLOPE/W中分别进行了前缘岸坡最危险滑动面搜索,得出了大华滑坡3—3′剖面最危险滑动面的分布范围,也就是采用极限平衡搜索预测法得出的各剖面塌岸发生的范围,如图6所示。

图6 极限平衡搜索预测法搜索的最危险滑动面

3.3 FLAC3D数值模拟预测法

在建立的单宽三维FLAC3D模型中添加SEEP/W渗流计算的地下水位线,这样可以根据地下水位线对水上和水下的岩层进行分区。相比根据经验估算地下水位线的范围,用渗流计算的地下水位线可以很好地解决经验估算的可靠度问题。采用FLAC3D数值模拟预测法分析大华滑坡3—3′剖面的前缘岸坡,根据其剪应变增量云图(图7)可得出:由于库水位变化,在滑坡前缘会出现较明显的贯通面,岸坡的稳定性降低,说明滑坡性质受库水位影响作用较大,由于库水涨落,岸坡可能会沿着贯通面失稳。这里的贯通面分布范围即代表前缘岸坡的塌岸预测范围。

3.4 卡丘金法

图7 FLAC3D数值模拟预测法计算的剪应变增量云图(局部)

根据卡丘金法预测塌岸宽度的原理,几个关键的取值如下:浪爬高度hb取0.5m时,波浪影响深度hp取1m。原岸坡坡角 γ可从剖面图中量测,水下稳定坡角 α和水上稳定坡角β可参考澜沧江流域已经测得的相关资料[11-12]进行塌岸参数类比获得,并结合大华滑坡地形地貌特点,初步确定大华滑坡岸坡水上稳定坡角为33°,水下稳定坡角为22°。

对大华滑坡3—3′剖面进行几何作图,得出塌岸发生的范围,见图8中粗线所示。

图8 卡丘金法计算示意图

3.5 3种方法预测结果对比分析

大华滑坡3—3′剖面采用 3种方法预测的塌岸宽度分别为:极限平衡搜索预测法124.4m,FLAC3D数值模拟预测法124.7m,卡丘金法139.1m,3种方法预测的塌岸宽度相差不大,采用卡丘金法得到的塌岸宽度分布范围相对较大。

对大华滑坡这种滑移型的塌岸类型进行塌岸预测时,传统的折线型几何作图预测方法从原理和变形破坏机制上来说就不适用,所以预测的结果会与实际情况极不相符。采用极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法两种方法得到的潜在滑移面较接近,塌岸宽度预测结果也较吻合,而卡丘金法的预测结果则较上述两种方法差别较大,故对大华桥库区大华滑坡前缘岸坡进行塌岸预测时,采用极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法两种方法较为合适,应以这两种方法得到的结果作为参考,如图9所示。

图9 极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法预测结果对比

4 结 论

a.大华滑坡3—3′剖面采用极限平衡搜索预测法、FLAC3D数值模拟预测法和卡丘金法预测的塌岸宽度分别为124.4m,124.7m和139.1m。

b.相对于传统的卡丘金法,极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法充分考虑了地下水的影响,对大华滑坡这种滑移型塌岸的预测较为合理。

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