古水水电站争岗堆积体滑坡复活条件分析

姚贺冬，石 崇，徐卫亚，邵建富，王盛年

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098)

古水水电站位于云南省德钦县澜沧江上游，处于高山峡谷地貌中，在库区附近，因为山高、坡陡，物理风化作用强烈，发育多个大型堆积体滑坡等不良地质现象。争岗堆积体位于水电站坝址下游右岸，目前处于稳定状态，但在降雨及地震条件下曾多次发生蠕滑。现决定采用接力避让方案对水利枢纽进行规划，所有泄水建筑物均采用长隧洞方式跨越争岗堆积体，该堆积体一旦滑动将可能堵塞下游泄水建筑物出口，对水电站等工程造成严重的破坏，是水电站潜藏的巨大安全隐患。因此需要分析在何种条件下争岗堆积体可能发生滑坡复活，为防灾减灾措施的制定提供参考。

对于滑坡复活的研究主要集中在降雨和地震2种条件下，宏观方面有基于降雨阈值的降雨强度I、年平均降水量IMAP和持续时间D之间的统计分析［1-3］，进而提出时空概率模型［4］及建立预警系统［5］等;对地震引发滑坡复活的研究，侧重采用多种方法建立敏感性评价模型［6-9］等。微观方面，一些学者针对具体滑坡进行了地震［10-12］、降雨［13-15］条件下的滑坡复活机制研究。上述成果虽然均针对特定工况下滑坡的复活机制进行研究，但对于如何判别不同工况量变条件下滑坡体各部位的变形复活情况、可能发生滑动的工况，仍需进一步研究。笔者以云南古水水电站争岗堆积体典型剖面为研究对象，进行滑坡复活条件分析，并把得出的结论与现场勘测结果进行对比印证。

1 地质概况

争岗堆积体滑坡是由于层状岩体发生强烈弯曲倾倒变形并导致压裂-剪切形成的基岩滑坡，演化过程分为倾倒-剪断和贯通-滑动2个阶段，并在后期改造过程中发生多次局部滑动。堆积体总体积约为4750万m3，变形体积为2892万m3，以争岗沟为界，分为Ⅰ区和Ⅱ区，分区及地貌如图1所示。

通过现场勘察和平硐、钻孔勘探(如图2所示)，获得典型地质剖面如图3所示。图3表明，争岗堆积体已经形成贯通滑面，与滑床岩体有明显分离，构成滑床的基岩为三叠系上统红坡组(T3hn)的倾倒基岩和二叠系下统吉东龙组(P1j)，且在2500 m高程处发育I级断层(F1)红山-古水断裂。

图1 争岗堆积体地貌及分区Fig.1 Geomorphy and subzones of Zhenggang deposit talus

图2 平硐勘察堆积体底面区域Fig.2 Survey of deposit talus bottom zone in adit

图3 争岗堆积体典型地质剖面Fig.3 Typical geological profile of Zhenggang deposit talus

如图3所示:(a)争岗堆积体高程2750 m以上主要分布以第四系冰碛物为主的坡积层(Qdl)和冰水堆积层(Qfgl)。坡积层(Qdl)主要成分为有机质土层、灰褐色碎石质砂土、粉土含少量块石;冰水堆积层(Qfgl)主要成分为块石、碎石夹砂土、粉土，厚度一般7～14 m。(b)高程2180～2750 m为基岩滑动形成的地滑堆积物(Qdel)，主要为山梁上部滑落的岩体，以板岩、砂岩为主，局部可见近水平似层面的灰白～黄褐色条带，全～强风化状，岩体破碎呈碎块状，夹泥现象明显，结构松散，局部密实，厚度一般15～45 m。(c)剪出口位于高程2180 m处，剪出口以下为坡积层(Qdl)、冰水堆积层(Qfgl)和冲积层(Qal)(其中Qal主要为漂石、卵、砾石夹粉细砂，厚度较小)。

图4 典型剖面滑面倾角分布Fig.4 Distribution of dip angle of slip surface

2 地质特性分析

2.1 争岗堆积体滑面倾角分布

选取图3所示堆积体典型地质剖面，统计其滑面高程及倾角分布，绘制分布图如图4所示。

图4表明，根据滑面倾角变化的缓急，该堆积体滑面可分为前缘和3个平台区域:高程2160 m以下为堆积体前缘，滑面平均倾角约为42.8°;高程2 160～2340 m为一级平台，堆积体滑面平均倾角约为27.3°;高程2375～2680m为二级平台，堆积体滑面平均倾角约为27.5°;高程2 735～2 840 m为三级平台，堆积体滑面平均倾角约为26.0°。

在堆积体前缘和3个平台区域的交界部分滑面倾角急剧增大，具体在高程2 100～2 160 m处、2 340～2375 m处、2680～2735 m处，并且这些位置的滑面倾角都超过了40°。

2.2 启滑位置和地表裂隙与滑面倾角的关系

根据现场勘察:一、二期滑坡启滑位置高程约为2746m和2660m，均在二、三级平台交界部分附近;三期滑坡启滑位置高程为2516 m，且在高程2550m附近出现了后缘拉裂带(如图5(a)所示)，2处均位于2500m高程处发育的Ⅰ级断层(F1)红山-古水断裂附近。

图5 争岗堆积体典型裂隙与变形Fig.5 Typical cracks and deformation of Zhenggang deposit talus

受2008年10月暴雨和2009年2月降雪的影响，PD1704(在高程2416 m处穿过滑面)和PD1705(在高程2318 m处穿过滑面，如图5(b)所示)滑面部位出现明显的变形，2处变形均在一、二级平台交界部分附近。堆积体前缘在高程2 130～2 150 m处也出现密集裂隙，剪出口部位有较大位移，产生了滑塌现象，如图5(c)所示。这些资料表明，在断层发育处和滑面倾角急剧增大处堆积体容易发生大变形，坡表容易产生裂隙，且影响着各期次滑坡的启滑位置。

3 滑坡复活条件分析

3.1 数值模型的建立

争岗堆积体发生的多次局部滑坡均沿滑面滑动，因此在进行数值模拟中规定堆积体沿滑面滑动。利用颗粒离散元软件PFC建立图3所示地质剖面的数值模型，采用颗粒模拟堆积体，滑面作为边界，保持边界固定，使堆积体在外力作用下沿滑面滑动，采用颗粒与边界之间的摩擦来模拟滑带土的抗剪作用，做到与实际滑坡相符。

颗粒离散元软件PFC无法直接赋予宏观参数，需要进行一系列双轴标定试验，通过调整模型的细观参数，使该模型具有与堆积体相应的宏观参数，则该细观参数即为模拟时采用的参数。采用的参数如下:(a)细观参数:颗粒半径为1～2m，法定刚度为0.86GN/m，切向刚度为0.33GN/m，颗粒摩擦因数为0.70，法向接触力为1×107N，切向接触力为3×106N，颗粒与边界摩擦系数为0.4;(b)堆积体宏观参数:杨氏模量为0.4 GPa，泊松比为0.32，黏聚力为48 kPa，内摩擦角为34°;(c)滑带土宏观参数:黏聚力为48 kPa，内摩擦角为 26.5°。

影响争岗堆积体稳定的因素主要是降雨和地震，在堆积体上分别施加不同的水头作用力和地震力，模拟分析堆积体在2种条件下的滑坡复活情况。数值模拟中，观察塑性区出现的位置、裂隙扩展的程度、堆积体滑动情况等，从而分析堆积体复活情况。历次滑坡剪出口均有明显的位移，位移大小与堆积体变形和滑动距离大小相一致:剪出口位移较小，堆积体发生蠕滑，但能保持稳定;剪出口位移较大，则发生滑坡。因此记录剪出口的位移，以此反映堆积体位移变化趋势，定量分析堆积体复活及滑动情况。

3.2 降雨复活分析

2009年降雨造成滑坡复活时，在堆积体后缘至剪出口部位钻孔水位在1～9 m之间变化，平均水头为5 m。因此，为了与实际相符，在堆积体剪出口部位施加最大水头，堆积体后缘施加1 m水头，中间施加随高程线性变化水头。改变最大水头大小，使平均水头分别取值为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，每种条件下迭代计算10万步，得到相应滑坡体状态如图6所示。

图6 滑面作用不同水头时滑坡体状态Fig.6 Landslide state under different water pressures on slip surface

图6(a)表明:当滑面上作用的平均水头为1 m时，堆积体保持稳定;平均水头增至2 m时，虽然会出现少量剪切屈服，但堆积体内未出现裂隙，变形可以忽略，堆积体仍能保持稳定;平均水头增大至3 m时，堆积体一级平台滑面上出现多处剪切屈服，地表开始产生拉裂隙，堆积体将沿着滑面做缓慢的蠕滑。图6(b)表明:当滑面上作用的平均水头增至4 m时，地表出现多条拉裂隙，剪出口有明显变形;平均水头增大至5 m时，三期滑坡体内剪切裂隙扩张，地表拉裂隙明显，将形成三期滑动面;平均水头增大至6 m时，堆积体的二级平台上也出现裂隙。2009年强降雨后，三期滑坡体上出现多条拉裂隙，平硐内滑面上出现剪切滑动，与模拟中5 m水头时的滑坡复活情况相吻合。

图7 剪出口位移随滑面平均作用水头变化趋势Fig.7 Variation of shear displacement at cavern exit with average water pressure

在剪出口部位设置监测点，统计该处颗粒位移随平均水头变化的趋势，如图7所示。图7表明，争岗堆积体典型剖面在滑面平均作用水头小于2 m时，剪出口位移很小，堆积体应能够保持稳定;当平均作用水头达到3 m时，剪出口位移缓慢增加，堆积体以沿着滑面的蠕滑为主;当平均作用水头超过5 m时，剪出口位移急剧增大，堆积体变形明显。因此，只要在滑面上施加3 m以上水头，计算时间足够长，即可以描述诱发滑坡的情况，但蠕滑阶段时间并不一样，故滑面平均作用3 m水头可视为降雨滑坡启滑的临界条件。

3.3 地震复活分析

采用当地基岩反应谱设计参数构造随机地震，模拟水平向和竖直向振动，按照拟静力法规范规定考虑0.25的地震效应系数，并假定基岩作一致运动，不考虑放大效应变化。分别调整地震波峰值f为0.126g、0.168g、0.3g、0.5g，计算地震作用60s后相应滑坡体的状态，如图8所示。

图8表明，当地震波峰值为0.126g时(当地50年超越概率10%的地震)，在一级平台和二级平台的交界附近产生裂隙，堆积体仍能保持稳定;地震波峰值增至0.168g时(当地50年超越概率5%的地震)，高程约2380 m处产生贯通拉裂隙，堆积体沿一级平台滑面产生一定的蠕滑现象，堆积体后缘仍保持稳定;地震波峰值增大到0.3g时，一级平台堆积体将发生滑坡复活，三期滑坡形成，剪出口产生大位移，会发生滑塌现象;地震波峰值为0.5g时，二级平台的堆积体也产生大量塑性区，开始发生滑动。

图8 作用不同强度地震60 s后滑坡体状态Fig.8 Landslide state under different seismic strengths lasting for 60 s

监测剪出口部位颗粒位移随地震强度变化的趋势如图9所示。图9表明，地震波峰值为0.126g与0.168g时，剪出口位移很小，表明堆积体以沿滑带土的变形为主，堆积体可以保持稳定;地震波峰值超过0.3g时，剪出口位移明显增大，三期滑坡体启滑;地震波峰值增加到0.5g时，剪出口位移急剧增大，堆积体产生较大滑动。

图9 剪出口位移随地震强度变化规律Fig.9 Variation of shear displacement at cavern exit with seismic strength

4 结 论

a.对争岗堆积体典型剖面进行地质特性分析，结果表明，在滑面倾角急剧增大和断层发育处附近容易产生裂隙，且影响着各期次滑坡启滑位置;数值模拟中，一、二级平台交界附近容易产生裂隙，前缘则会发生滑塌。

b.在滑面施加不同压力水头，进行滑坡复活数值模拟，结果表明:当作用水头小于2 m时，堆积体变形较小，基本保持稳定;作用3 m水头时堆积体出现蠕滑;作用5 m水头时将形成三期滑动面，该情况与2009年降雨造成的堆积体滑坡复活相吻合;作用6 m水头时二级平台堆积体也出现裂隙。

c.不同地震力作用下，滑坡复活模拟分析表明:地震波峰值小于0.126g时，堆积体保持稳定;地震波峰值达到0.168g时，产生少量蠕滑;地震波峰值达到0.3g时，一级平台堆积体将发生滑动，三期滑坡形成;地震波峰值达到0.5g时，二级平台堆积体也开始滑动。

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