楞古水电站雨日堆积体岸坡稳定性研究

肖华波，易志坚，刘懿辉，夏万洪

（1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中国水电工程顾问集团有限公司，北京 100120）

0 引 言

楞古水电站位于雅砻江中游，四川省康定与雅江两县交界处，预可行性研究阶段拟定了上、下坝段2个方案进行比选研究。雨日堆积体位于2个比选坝段之间河段，上距上坝段约1 km，下距下坝段约11.5 km，总方量约2100万m3；其下部基岩边坡浅表部发育松动变形岩体，体积约420万m3。堆积体主要由冰水堆积物组成，胶结较紧密，但受地震、降雨及下部基岩边坡浅表部变形等因素的影响，前缘和两侧陡坎局部出现坍滑与拉裂破坏。该堆积体规模巨大，一旦失稳将直接威胁到位于其上部雨日村约30户130余人的生命财产安全，其稳定性问题对楞古水电站坝段的选择具有重大工程影响。本文通过地质条件调查研究，将基岩与覆盖层接触带、基岩边坡内松动变形底界作为潜在滑面，采用极限平衡法计算岩土体稳定性，然后采用拉格朗日差分法模拟计算坡体应力-应变特征，进一步验证分析边坡稳定性及失稳方式。

1 工程地质条件

研究区地形陡峻，属高山峡谷地貌，河谷深切呈 “V”形。雨日堆积体平面上呈舌状，上、下游发育深切冲沟，前缘被雅砻江切割围限，地形相对独立，呈圈椅状地貌 （见图1）。前缘高程2550 m，后缘3055 m，顺河向前宽后窄，前缘宽500～560 m，后缘宽200～300 m，横河向长450～590 m，前缘地形坡度 40°～55°， 中部平台 20°～25°， 后缘 30°～35°，呈现 “陡-缓-陡”的地形特征。堆积体两侧冲沟切割深达 80～100 m， 形成 50°～60°的陡壁， 局部近直立。堆积体前缘基岩边坡平均坡度35°，局部50°～60°， 后缘基岩边坡坡度一般 40°～50°。 出露地层岩性为三叠系上统侏倭组变质砂岩和印支-燕山期花岗伟晶岩脉， 岩层产状 N30°～50°W/NE∠30°～50°（倾坡内）。堆积体主要由冰水堆积物组成，后缘分布有少量崩坡积堆积物。冰水堆积物分布于2550～2870 m高程，以含块碎砾石土为主。崩坡积堆积物分布于堆积体后缘2870～3055 m高程，由块碎石土组成。雨日堆积体所在岸坡无较大规模断层通过，岩体内节理裂隙较发育。

图1 雨日堆积体岸坡全貌

堆积体与下伏基岩接触带坡度较平缓，前缘坡度 3°～5°、 中部～后缘坡度 30°～34°。 接触带内未见土体压密现象，无整体滑动破坏迹象。堆积体下部基岩边坡主要发育4组裂隙，各结构面切割组合易形成潜在不稳定块体，坡表临空部位岩体滑移-拉裂变形、倾倒变形明显。水平深度40～50 m范围发育松动变形岩体，呈碎裂结构，弱风化状态，变形较强烈，各方向结构面多张开，岩体沿倾坡外结构面滑移张开 0.5～2.0 cm，上、下盘岩体错位 1～5 cm，结构面后缘拉张形成宽3～15 cm的倒 “V”字形拉裂缝，勘探平硐成型不规则，裂隙发育段掉块严重。

2 变形破坏现象及失稳方式

2.1 已有变形破坏现象

雨日堆积体已有变形破坏现象，主要表现为前缘和两侧陡坎的局部坍滑与拉裂破坏。在堆积体前缘2550～2600 m高程可见多处小规模坍滑现象，前缘与上游侧冲沟交切处的小山脊后缘可见1条横向拉裂缝，平面延伸约10～15 m，多被后期块碎石土充填，未见新近变形迹象，其成因为1967年唐古栋滑坡堵江后 （堵江壅高水位为2575 m），边坡土体受江水浸泡软化和水位骤降的影响发生变形。此外，在堆积体上游侧陡坎的中部和后缘部位各发育1条横向拉裂缝，平面延伸长度小于10 m，未见发展贯通迹象，其成因主要是临沟侧高陡边坡在重力作用下发生局部蠕动变形所致。堆积体前缘2550 m高程以下基岩边坡在1967年唐古栋滑坡堵江溃坝后水位骤降过程中形成多处小规模塌滑破坏，多沿倾坡外结构面发生滑移-拉裂破坏。

2.2 变形失稳方式

堆积体主要由冰水堆积物组成，结构紧密，已经历了1967年唐古栋滑坡堵江溃坝后水位骤降和2001年雅江孜河6.0级地震的考验，均未发生整体变形破坏。因此，在暴雨或地震工况下，堆积体发生整体滑移失稳的可能性小，但其前缘和两侧临空，有出现局部小规模蠕滑-拉裂变形的可能。堆积体前缘2550 m高程以下基岩边坡浅表局部变形强烈，发育一组产状为 N60°～65°W/SW∠30°～45°的倾坡外结构面，在暴雨或地震等不利因素作用下，有发生小规模滑移-拉裂失稳的可能。

3 稳定性分析

3.1 极限平衡分析

3.1.1 计算剖面及滑面选取

雨日堆积体极限平衡法稳定性计算地质模型见图2。滑面1为基岩与覆盖层接触带，主要分析堆积体整体稳定性；滑面2为堆积体下部松动变形岩体底界，主要分析松动变形岩体整体稳定性，滑面2上部穿过堆积体内按圆弧形滑面考虑，并延伸至坡表。

图2 堆积体稳定性计算地质模型

3.1.2 计算方法及工况

采用基于刚体极限平衡理论的Morgenstern-Price法，对各潜在滑面进行稳定性计算。由于堆积体分布位置高于下坝段方案正常蓄水位，稳定性分析不考虑蓄水相关工况，主要考虑天然、暴雨、地震3种工况，堆积体下部松动变形岩体考虑天然、暴雨、地震、蓄水、蓄水+暴雨、蓄水+地震等6种工况。地震工况按超越概率水平为50年10%的地震动参数选取，即基岩水平加速度峰值取0.15 g。

3.1.3 边坡等级及安全标准

相对于上坝段，雨日堆积体位于坝段下游，边坡类别及安全级别为B类Ⅲ级；相对于下坝段，堆积体位于近坝库岸，边坡类别及安全级别为B类Ⅰ级。综合考虑后，最终确定安全系数标准 （见表1）。

表1 安全系数标准

3.1.4 物理力学参数取值

雨日堆积体岩土体物理力学参数系根据物理力学试验成果、反演分析及工程经验类比提出的。具体参数值见表2。

表2 雨日堆积体物理力学参数取值

3.1.5 稳定性计算成果及评价

雨日堆积体稳定性计算成果见表3。从表3可见，在各种工况下，堆积体及下部松动变形岩体整体稳定性均较好，均可满足上、下坝段安全标准。

3.2 三维数值模拟分析

3.2.1 天然状态

堆积体最大主应力分布主要受重力场控制，量值随埋深增大而增大，最大值位于堆积体底部，为2.0 MPa。受岩土体性状差异影响，边坡内最小主应力分布呈明显的不连续性，主要体现在沿基覆接触带局部段应力降低，为0～0.5 MPa（见图3），从而将导致剪应力集中。因此，基覆接触带是堆积体稳定的控制性边界，但天然状态下最小主应力降低带贯通性差，对堆积体稳定性影响不大。

表3 雨日堆积体稳定性系数计算成果

图3 堆积体天然状态最小主应力分布

3.2.2 地震工况

沿基覆接触带最小主应力集中加强，约85%的区域内形成低应力区，为0～0.5 MP（见图4），且在堆积体后缘形成拉应力区。堆积体总体表现为向坡外、竖直向下的位移分布特征，位移值总体不大，水平、竖向位移分别为4.0～9.0 cm和1.0～4.0 cm。堆积体及基覆接触带内均未出现贯通的剪应变增量集中条带，整体仍处于稳定状态。后缘崩坡积堆积物由于组成物质松散，位移值较大，水平、竖向位移最大值分别为15.57 cm和14.08 cm，发生失稳破坏的可能性较大，但规模较小。

图4 雨日堆积体地震工况最小主应力分布

3.2.3 下坝段蓄水工况

雨日堆积体位于下坝段方案库内，水库蓄水后堆积体下部基岩边坡应力集中明显，坡脚最大主应力为6.0～8.0 MPa，坡表局部岩体变形明显，水平、竖向位移分别达10.0～20.0 cm和15.0～20.0 cm，变形深度3～5m，可能发生局部失稳破坏。受下部基岩边坡变形的影响，堆积体内最小主应力普遍降低，沿基覆接触带70%的区域形成低应力区，为0～0.5 MP，前缘坡表甚至出现拉应力区，拉应力最大为0.85 MPa（见图5）。堆积体整体表现为向下和向坡外变形，但量值不大，水平、竖向位移仅分别为0.5～2 cm和0.5～1 cm，堆积体及基覆接触带内均未出现贯通性剪应变增量集中条带。综合分析表明，下坝段蓄水工况下，堆积体整体仍处于稳定状态，仅堆积体前缘及下部基岩边坡表部可能发生局部失稳破坏。

图5 堆积体下坝段蓄水工况最小主应力分布

3.3 稳定性综合评价

在综合分析坡体结构特征、已有变形破坏现象与变形破坏方式的基础上，结合二维极限平衡法、三维数值模拟成果，对雨日堆积体及其下部松动变形岩体的稳定性评价如下:

雨日堆积体分布于2550 m高程以上，由冰水堆积物组成，结构较密实，基覆接触带坡度平缓，未见压密土带分布，无整体滑动迹象，仅在堆积体前缘和两侧陡坎有局部坍滑或拉裂，后缘松散崩坡积堆积物有小规模溜滑。1967年唐古栋滑坡堵江溃坝后水位骤降过程中也未引起堆积体变形失稳，仅前缘出现几处小规模浅层坍滑，说明堆积体整体稳定性较好。据二维极限平衡法计算成果，各种工况下堆积体沿基覆接触带的稳定性系数在1.337～1.738之间，满足上、下坝段安全标准要求。另据三维数值模拟分析，各种工况下沿基覆接触带均出现最小主应力低值带，但均未贯通，堆积体整体位移不大，说明其稳定性较好。地震工况下，后缘崩坡积堆积物的内剪应变增量集中明显，位移值较大，可能发生小规模失稳。下坝段蓄水工况下，堆积体前缘局部拉应力集中明显，有发生小规模失稳的可能性。

堆积体前缘2550 m高程以下基岩边坡浅表部发育松动变形岩体，变形方式以滑移-拉裂变形为主，局部有倾倒变形现象，但总体边坡地形坡度不大，且处于变形发展初期阶段，整体稳定性较好，各种工况下松动岩体的整体稳定性系数在1.368～1.554之间，满足上、下坝段安全标准要求。堆积体前缘基岩边坡受结构面切割控制，在1967年唐古栋滑坡堵江及溃坝后水位骤降过程中，坡表曾出现多处小型塌滑现象。因此，下坝段蓄水工况下，结构面受水浸泡软化，表层岩体有发生局部失稳的可能性。

4 结 论

（1）受岩土体性状突变的影响，雨日堆积体底部基覆接触带内易形成最小主应力低值带，导致剪应力集中，从而容易形成堆积体稳定性的控制性边界。

（2）堆积体主要由冰水堆积物组成，结构紧密，基覆接触带坡度平缓，有利于边坡稳定。数值模拟结果显示，各种工况下沿基覆接触带均出现最小主应力低值带，但均未贯通，边坡整体稳定性好。

（3）堆积体下部基岩边坡浅表部发育松动变形岩体，表现为滑移-拉裂变形和局部倾倒变形，坡内顺河向、横河向裂隙均多张开，岩体扩容。由于总体上边坡地形坡度不大，且处于变形发展初期阶段，分析计算表明，整体稳定性较好。

（4）堆积体及前缘基岩边坡整体稳定性均较好，满足上、下坝段安全标准要求，仅在地震、下坝段蓄水工况下有发生局部变形失稳的可能，但对电站上、下坝段方案影响均较小。

［1］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京:地质出版社，1994.

［2］胡耀飞，沈军辉，聂德新.牙根水电站拉裂松动岩体的工程适宜性研究［J］.水力发电， 2011， 37（4）:28-30.

［3］DL/T 5353—2006 水电水利工程边坡设计规范［S］.