库水位升降作用下某水电站库区滑坡稳定性研究

李青春，余晓华

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.水电工程质量监督总站，北京 100120）

库水位升降作用下某水电站库区滑坡稳定性研究

李青春1，余晓华2

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.水电工程质量监督总站，北京 100120）

库区堆积体边坡的变形破坏及稳定性问题已成为制约水电开发的主要工程地质问题之一。本文基于黑水河某水电站库区一滑坡体，在查明滑坡体基本地质条件的基础上，通过二维边坡稳定计算和渗流分析，对库水位升降作用下滑坡体的稳定性进行研究。结果表明，库水位升降影响滑坡体A区稳定性较为明显。在水位上升过程中稳定性有先增加后减小再上升的趋势，而在水位下降过程中稳定性有先减小后增加的趋势。

水位升降；滑坡体；稳定性研究

0 前 言

西南地区是我国水能资源的主要聚集区，是我国水电开发的重要“基地”，一系列大型乃至巨型水电站相继开工建设。这些地区地质条件复杂，地质环境脆弱，新构造运动活跃，内外动力作用强烈，分布有大量的堆积体边坡。这些库区堆积体边坡的变形破坏及稳定性问题已成为制约水电开发的主要工程地质问题之一，也逐渐成为研究的热点问题。而水位变化是引起库岸边坡变形失稳的关键因素之一，在三峡等水电站库区已出现多起水位升降引起的库岸边坡变形失稳案例，聂德新［1］、唐辉明［2］、廖红建［3］等学者对库水位升降下的库岸边坡稳定问题进行一定的研究。本文基于黑水河某水电站库区一大型滑坡，在现场地质调查的基础上，通过室内试验及工程反算获取滑坡体物理力学参数，应用岩土工程分析软件geostudio，对库水位升降作用下滑坡体的稳定性进行研究。

1 滑坡体工程地质概况

滑坡体距离坝址约3 km，为一形态不规则的滑坡体，上游以冲沟为界，冲沟切割最深约20 m，长约850 m，从滑坡后缘贯通到前缘剪出口形成一个完整边界。下游边界以西尔瓜子沟和黑水河相汇的山脊之间的冲沟为界，切割深度达2～5 m。滑坡体形态上表现为前缘和中部稍宽，后缘则逐步收敛，在平面呈圈椅状，滑坡分布高程2 050～2 644 m，前缘达黑水河边，中部高程2 320～2 500 m，后缘2 602～ 2 644 m，滑坡整体上地形起伏微小，坡度36°～42°，滑坡体厚度35～65m，体积约1 341万m3（见图1）。在电站库水位升降过程中，滑坡体前缘出现复活迹象。新复活滑坡的后缘错台分布在2 320～2 340 m高程，前缘剪出口目前不可见，应位于库水位以下，总体方量约450万m3。

根据钻孔结合现场调查，滑坡体及周围区域内出露的地层第四系及三叠系基岩，各地层主要特征为：

（1）风积土（Q4eol），分布于滑坡的高高程地带，物质组成以细粘粒为主，由岩石风化碎屑物质经风力搬运作用至此地降落，堆积所形成，厚约1.5～20 m；

（2）滑坡堆积碎石土（Q4del）：是滑坡体主要物质组成，厚度30～62 m，碎石粒径2～10 cm，，成分以变质石英砂岩和炭质千枚岩为主，间夹白色石英矿物，土石比约4∶6；

（3）滑带土（Q4del）：分布于钻孔基覆界线附近，以碎块石夹岩屑、碎石土，角砾土夹强风化泥化碳质千枚岩为主，平均厚度约1～3 m，碎块石有一定磨圆度，角粒直径多以0.5～1 cm为主，泥化千枚岩层面具有挤压镜面和擦痕迹象；

（4）杂谷脑组变质石英砂岩（T2z）：以中厚层状变质细粒钙质石英砂岩为主，岩层较完整，岩层倾角较陡，产状148°～155°∠45°～62°。

2 滑坡分区及变形破坏特征

该水电站正常蓄水位2 133 m，死水位2 063 m，水位消落70 m，为年调节水库，蓄水后，滑坡体前缘出现了较大的变形。通过对滑坡勘探成果以及现场变形情况的调查，在综合评价的基础上把滑坡体分成了2个大区，即A区强变形区和B区弱变形区，A区后缘高程位于2 305～2 324 m，根据各大区的特征又分为多个亚区（见图2），各区变形破坏特征如下：

图1 滑坡体工程地质平面示意

图2 滑坡体分区

A1区：强变形松动区，整体上处于蠕滑状态，后部主要变形迹象在2 290 m高程处的错台，错距2～5 m，前缘临近库岸位置，库岸再造和多层次级解体现象明显。

A2区：强变形拉裂区，整体上处于蠕滑状态，其后缘错距达23～27 m，坡度约50°，在滑动过程中主要以整体滑动为主，仅在高程2 210 m处的反坡台坎，存在新滑坡次级解体的现象。

A3区：强变形解体区，整体上变形迹象非常明显，横纵裂缝交织发育，区内还存在多级的次级解体和变形错台。

B区：B区变形而相对集中出现在B2区内，以古滑坡体长期蠕滑累计变形而成的老裂缝为主，裂缝都是沿着斜坡体上陡缓交接的部位拉开，且裂缝向下贯通的深度较浅，反映裂缝由浅表层覆盖物滑动产生，表明B区还处于地表蠕变过程。

3 稳定性分析评价

勘探揭示，滑坡体是由一个大型古滑坡及在其上复活的新滑坡共同组成，在库水位变动过程中，新复活次级滑坡已经历一次完整的变形破坏过程，并达到目前状况下的新平衡状态，但滑坡体的蠕滑仍在继续，在库水位继续上升后，整个新复活滑坡体仍存在失稳的可能性，新复活体下滑后，失去支撑的上部古滑坡体就会有失稳的可能。

在以上地质分析的基础上，为深入研究库水作用下堆积体边坡的变形破坏特征，采用GEO-Studio软件对库水位升降过程滑坡体稳定性进行定量计算分析。

3.1 计算参数选取

滑带土强度参数的取值根据室内初步试验结果和基于实验结果的参数反演方法确定。参数反演以强变形解体区A3区典型断面作为反演剖面，A3区在蓄水至2 103 m时产生剧烈蠕滑，结合边坡变形发展状态实际情况，本次反演取FS固定值0.95。在安全系数FS＝0.95条件下，通过公式分别计算当φ在20°～28°时的粘聚力值，通过工程类比确定当φ＝24°～25°时，反演出C＝52.5～65 kPa，通过线性优化组合分析：当φ＝24.7°，C＝58 kPa时，FS＝0.948 96，基本符合蓄水至2 103 m后新复活区活动状态，FS值基本在0.95～1.0的范围内。因此，根据室内试验成果结合参数反算，该滑坡体稳定性分析计算参数见表1。

表1 滑坡体物理力学计算参数综合取值

3.2 计算模型建立

计算模型包括滑坡稳定性计算及渗流分析模型建立。滑坡稳定性计算及渗流分析均采用剖面Ⅱ分析。根据不同材料分层建立计算模型。采用有限元方法计算不同工况下地下水浸润线，考虑水位上升、水位下降等工况下对滑坡渗流场影响进行模拟分析，相关计算模型见图3。

3.3 计算工况

根据库水位升降运行要求，取水位下降速率0.5 m／d和水位上升速率1 m／d进行稳定分析。考虑特殊情况库水位升降幅度变化对滑坡影响，本次分别取2 m／d上升和2 m／d下降对滑坡稳定性分析，水位升降作用下的计算工况见表2。

表2 滑坡稳定分析计算工况汇总

3.4 稳定性计算

根据勘探揭示及地质分析，滑坡体在水位升降过程中，滑坡体产生整体下滑的可能性不大，以多级的解体式下滑为主，A区将率先出现变形失稳，A区变形失稳后，古滑坡前缘形成临空面，影响后部B区稳定，因此，稳定性分析首先分析水位升降过程中A区稳定性，进而研究B区的稳定性。

（1）水位上升A区稳定性。通过搜索A区在以2 m／d和1 m／d上升时不同水位下的最小稳定性系数，稳定性系数与时间关系见图4、5。

水位上升速率在2 m／d时，滑坡体稳定性先随库水位上升而增高，随后开始降低，而后继续升高。水位至2 090 m高程左右，稳定性系数下降幅度不断增大，新复活区局部出现变形破坏，水库蓄水至2 100 m时，稳定性系数FS＝0.933，新复活区存在失稳的可能，水位至2 118 m时，稳定性系数大于1.0；而以1 m／d上升时，滑坡稳定性系数先增加后减小，蓄水至2 075 m后，稳定性系数随水位上升逐渐减小，最小稳定性系数为FS＝1.029。

（2）水位下降过程中A区稳定性。计算通过搜索A区在以0.5 m／d和2 m／d从2 133 m水位下降时不同时刻的最小稳定性系数，稳定性系数与时间关系见图6、7。

图4 水位上升（2 m／d）时间与稳定关系

图5 水位上升1 m／d时间与稳定关系

图6 水位下降（0.5 m／d）时间与稳定关系

图7 水位下降（2m／d）时间与稳定关系

水位下降速率在0.5 m／d时，滑坡体稳定性先随库水位下降而降低，至2 130 m水位后随水位下降而升高，最小稳定性系数1.018，处于极限平衡状态；而以2 m／d下降时，滑坡稳定性系数也先减小后增加，下降至2 110 m时，最小稳定性系数为0.997，可能产生变形破坏。

（3）B区稳定性计算。虽B区受水位升降影响较小，但A区在水位升降作用下稳定性多处于失稳～极限平衡，若出现失稳，会导致B区局部形成较高的临空面，从而降低B区的稳定性。

因此分析A区失稳后，B区稳定性也十分重要。分析以Ⅲ-Ⅲ′剖面为典型剖面，首先计算B区整体稳定性，整体稳定性以古滑坡滑带作为潜在滑移面，计算模型见图8、表3，计算结果可知；A区失稳后，古滑坡（B区）在天然、暴雨、地震工况下整体稳定性较好。

高程2 410 m地表局部出现较大的变形，且存在拉张裂缝，B区局部稳定性分析以2 410m裂缝为入口，自动搜索最危险滑面，计算分析结果表明在暴雨状态推测的次级解体稳定系数FS＝0.894，次级解体处于失稳，在地震工况下次级解体稳定性FS＝0.989，在天然状态下稳定性系数FS＝1.074，处于欠稳定状态，综上表明推测次级解体在暴雨、地震状态下失稳，在天然状态下处于欠稳定状态。

表3 A区失稳后古滑坡（B区）稳定性计算

4 结 论

（1）文中滑坡体为一古滑坡体，古滑坡体沿基覆界线附近产生过滑动，在水库水位升降过程中前缘出现变形垮塌或失稳。

（2）库水位升降对滑坡体A区稳定性影响较为明显。在水位上升过程中稳定性有先增加后减小再上升的的趋势，而在水位下降过程中稳定性有先增加后减小的趋势；且稳定性与水位升降速率关系较大，以2m／d上升时，在2100m水位附近A区将出现失稳，以1m／d上升时，在2075m水位附近稳定性系数最小，处于蠕滑变形状态。

P642.22

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1003-9805（2015）04-0036-04

2015-01-06

李青春（1983-）男，重庆合川人，工程师，从事水利水电及岩土工程勘察设计工作。