向家坝水电站马延坡边坡滑坡预警研究

姜龙，汪小刚，葛怀光，孙建会，朱赵辉

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

向家坝水电站马延坡边坡滑坡预警研究

姜龙，汪小刚，葛怀光，孙建会，朱赵辉

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

水电站大多修建在地质条件复杂的高山峡谷地区，各种高坝的兴建将不可避免地涉及工程高边坡的稳定性等工程地质问题。本文深入系统地对工程高边坡稳定性和边坡预警进行研究，分析工程高边坡稳定性、建立边坡预警模型和健康诊断体系。研究结果表明：（1）变形随时间增加而增大，随深度增加而减小。其变化规律表现为前期快速增加、中期缓慢增加和后期逐渐趋稳。（2）采用有限元强度折减法，进行了马延坡边坡稳定性分析，其治理前后稳定性系数为1.05和1.72。（3）采用施加边界位移方法，以等效塑性应变区域贯通作为判据，进行了边坡滑坡预警分析，建立了基于位移变形量和安全系数双重指标控制的边坡预警监控体系。

向家坝水电站；马延坡边坡；边坡稳定性；安全预警；三维数值模型

1 研究背景

我国水力资源理论蕴藏量高达6.8亿kW，其中可开发利用的资源量为3.8亿kW，居世界之首，其中68%分布在西南云、贵、川等地区。随着我国经济高速发展，极大地带动了资源和能源的开发进程，从而全面带来了水电建设领域的繁荣。如三峡、南水北调、小湾、向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等大型工程相继或即将兴建［1-2］。毫无疑问，随之也带来了众多的边坡工程问题，尤其是西部水电工程，边坡越来越高、地质结构及环境条件愈来愈复杂。这些工程边坡的稳定性状况，事关工程建设的成败与安全，对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的控制作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及使用效益。工程边坡稳定问题已成为我国水电工程建设中面临的主要技术问题之一，深入系统地对工程高边坡稳定性和边坡安全预警进行研究，反演工程边坡力学参数、分析工程高边坡稳定性、建立边坡安全预警监控体系，指导和优化工程设计、施工，具有非常重大的工程实践意义。建立的基于位移变形量和安全系数双重指标控制的边坡预警监控体系不仅可以直接服务于工程建设，而且对我国工程边坡稳定性和安全预警研究也会起到推动作用。

2 工程概况和工程地质特征

2.1 工程概况向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一个梯级，是我国在建和已建的第三大水电站，为一等大（1）型工程，工程枢纽布置由大坝、厂房和升船机等建筑物组成，坝型为混凝土重力坝［3-4］。马延坡边坡位于金沙江流域的向家坝水电站坝址右岸，其上布置了诸多建筑物，从坡顶到坡脚主要有：110 kV中心变电站、副地下厂房、砂石加工系统及多条道路等。

2.2 工程地质特征马延坡边坡地表覆盖层主要为人工堆渣、残坡积物、崩坡积物，一般厚度0.5～6.4 m；基岩为侏罗系自流井组的砂岩和泥岩，上部为灰白色、浅黄色厚层状中细砂岩夹薄层状棕黄色和砖红色细砂岩，下部为灰色泥质岩石。

在马延坡的侏罗系岩层中揭露有4条主要夹层，自下而上分别编号JC①—JC④。JC①：位于砂岩与下部的泥岩分界面下部，埋深10.8～29.6 m，夹层组成物质为灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩岩块岩屑夹浅灰色的泥，泥由泥质岩石风化形成，结构松散，干燥状态手捏易碎，遇水可塑状。主要分布于变电站开挖边坡、500 m水池边坡、456 m平台开挖坡SW端。JC②：灰白色、棕黄色泥岩碎块及其风化形成的灰白色泥，干燥时泥可捏成泥粉，遇水黏性较强，可塑状。主要分布于BPZK2（5.4～6.5 m）、BPZK3（12.8～13.1 m）、BPZK4（5.1～5.5 m）、LZK23（15.3～15.8 m）LZK24（5.6～7.2 m）、半成品料堆场边坡、G5胶带机基础往东140 m处。JC③：灰白色、棕黄色泥岩及其风化形成的泥，遇水泥多呈流塑－可塑状。主要分布于SJ1（2.5 m）、575 m水池后侧边坡、BPZK3（7.0～7.1 m）、BPZK9（4.6～4.8 m）、537 m平台后侧边坡、520平台后侧边坡、LZK23（6.0～6.8 m）。JC④：灰白色、棕黄色泥岩及其风化形成的泥，遇水泥多呈流塑－可塑状。主要分布于544 m平台后侧边坡。

工区地处亚热带湿润季风气候区，冬暖春早，夏季炎热，雨水多集中，秋季阴雨绵绵，湿度较大。年平均气温在18.5°，相对湿度81%，年平均降雨量在897.7～1 000 mm，多集中在6—9月份，以暴雨或阵雨的方式为主。地下水直接接受降雨的补给，表层覆盖层渗透性较好，赋存于上部砂岩层内裂隙中。地震基本烈度为7度区，设计基本地震加速度值为0.1 g，第一组。

3 马延坡边坡监测成果研究

3.1 监测方案为监测边坡处理加固效果和及时了解、掌握边坡的变形（滑坡）情况及发展变化趋势，发现异常情况，随时采取补救措施，防止滑坡及坍塌等意外事故发生。结合边坡整治效果，对其边坡稳定性和安全度进行评价，优化设计，为加固处理实施方案提供重要的科学依据。根据马延坡一期（500 m水池、成品料场、6#公路附近布置尺寸2.5 m×4.0 m的抗滑桩）和二期（110 V变电站、500 m水池、成品料场附近布置尺寸2.7 m×3.5 m的抗滑桩及边坡排水沟）治理工程进度，并结合马延坡边坡变形体的地质情况、变形特征、建筑物场地分布特点和范围等，进行监测项目布置，具体如图1和2所示。

图1 马延坡外部变形观测平面布置

3.2 监测成果分析对于外部变形特性，选取典型断面的监测数据进行整编分析，绘制了水平、垂直位移随时间变化曲线，如图3所示。图中P为断面的观测墩，如P08表示08号测墩的水平位移随时间变化曲线，P08′表示08号测墩的垂直位移随时间变化曲线，以此类推。

从图3可见，水平、垂直位移随时间增加而增大。位移变化可分为3个阶段，前期（—2007年9月）为变形快速增加阶段；中期（2007年9月—2008年12月）为变形缓慢增加阶段；后期（2008年12—）为变形逐渐趋稳阶段。

图2 马延坡变形体监测仪器平面布置

依据典型断面观测成果和水平、垂直累计位移变化规律，经数据整编分析，绘制了水平、垂直位移变化速率随时间变化曲线，如图4所示。

从图4可见，水平、垂直位移变化速率随时间增加而减小。位移速率变化也可分为3个阶段，基本与位移变化阶段相一致。

图3 水平、垂直位移随时间变化曲线

图4 水平、垂直位移速率随时间变化曲线

对于深部变形特性，选取典型测斜孔的监测数据进行整编分析，绘制了深部位移随深度变化曲线，如图5所示。

图5 测斜孔IN14位移变形随深度变化曲线

从图5可见，测斜孔的位移变形随深度增加而减小，随时间增加而增大。距孔口一定深度处均有位错位移，反映了边坡在某一深度位置已发生滑动变形。2007年9月以后，孔口位移和位错位移均变化较小，这与边坡加固处理结束时间较为吻合，整体变形主要表现为受季节和降雨影响的波动变化，处于稳定状态。位错位置深度以下，位移变形较小，达到一定深度后位移变形基本不变。

依据典型测斜孔观测成果和位移变形随深度变化规律，经数据整编分析，绘制了孔口1 m处的位移、位移速率随时间变化曲线，如图6所示。图中IN为测斜孔，IN02为2号测斜孔的位移速率随时间变化曲线，IN02′为2号测斜孔的位移随时间变化曲线，以此类推。

图6 测斜孔IN14孔口1 m处位移、位移速率随时间变化曲线

图7 地下水位孔水位变化随时间变化曲线

从图6可见，位移速率随时间增加而减小，位移随时间增加而增大。位移速率整体表现为先增加再减小直至基本稳定的变化规律，局部波动主要受降雨和边坡内部变形动态平衡调整影响。

对于地下水变化特性，选取典型断面的地下水位监测数据进行整编分析，绘制了水位随时间变化曲线，见图7。图7中OH为断面的地下水位孔，如OH4表示4号地下水位孔的水位随时间变化曲线，以此类推。

从图7可见，地下水位随时间增加而波动变化，年变幅呈减小趋稳。水位高程较高的地下水位孔的水位受降雨影响较大，而水位高程较低的地下水位孔的水位受降雨影响较小。

4 马延坡边坡稳定性研究

4.1 数值模型的建立及验证基于桩土和岩土体内裂隙间罚函数接触，依据岩土体物理力学参数表1和表2，建立了渗流-应力耦合的三维模型。岩土体采用C3D8RP单元，抗滑桩采用C3D8R单元的黏-滑接触摩擦模型，模拟抗滑桩部位与原岩土体共用网格单元，原现单元赋予各自材料属性，采用生死单元方式模拟抗滑桩施工，分析过程中摩擦系数保持不变。依据马延坡边坡治理实际工况，选取典型监测断面，建立的边坡数值模型网格图如图8所示。数值模拟计算结果如图9—图11所示。

表1 岩土层划分及参数

表2 抗滑桩的物理力学参数

图8 计算模型的网格划分

图9 数值模型孔隙水压力云图

图10 数值模型侧向变形云图

图11 位移变形随深度变化曲线（对应测斜孔IN14）

从图5和图11可见，相应位置的位移变形（1000 d）基本相等，实测值为55.3 mm，数值模拟计算值为56.1 mm。二者相差0.8 mm，误差为2%左右。故考虑桩土和界面罚函数接触的基础上，建立渗流-应力耦合的三维数值模型能很好地模拟边坡现场基本工况的侧向变形，在研究边坡变形方面是可行的。

4.2 边坡稳定性分析基于有限元强度折减法的边坡稳定分析的基本原理就是将边坡强度参数黏聚力c和tanφ（φ为内摩擦角）同时除以一个折减系数F，得到一组新的强度参数值c′和tanφ′。然后作为新的材料参数输入，再进行试算，直至边坡达到极限平衡状态，发生剪切破坏，同时得到临界滑动面，此时对应的折减系数F即为最小安全系数［5-7］。经过折减后的剪切强度参数c′和φ′为：

在进行马延坡边坡稳定性分析时，依据强度折减法计算边坡稳定性系数。马延坡边坡布置了开关站、110 kV变电站，临时布置了500 m高程水池、6#公路、成品料场等建筑设施。按照原地质条件（边坡治理前）和设置抗滑桩及排水沟（边坡治理后）两种工况进行试算分析，边坡治理前后不同折减系数的塑性应变云图如图12—图13所示。不同折减系数的侧向变形如图14所示。

从图12—图13可见，同样荷载条件下，边坡治理前塑性区域从边坡顶部和底部向中间贯通，其为蠕滑破坏；边坡治理后塑性区域从抗滑桩附近向两侧贯通，其为半刚性破坏。边坡治理前后塑性区域的发生皆从局部开始，随着折减系数的增大，逐渐向塑性区域贯通趋势发展。

图12 边坡治理前数值模型塑性应变云图

图13 边坡治理后数值模型塑性应变云图

图14为侧向变形随折减系数变化曲线，从图14可见，侧向变形随折减系数增加而增大。强度折减系数较小时，侧向变形增幅较小；强度折减系数较大时，侧向变形增幅较大。边坡治理前后强度折减系数增幅较大，边坡稳定性增加明显，在折减系数F=1.05和F=1.72附近，侧向变形增幅骤然增加，即将产生很大的且无限发展的塑性变形和位移。

图14 侧向变形随折减系数变化曲线

5 马延坡边坡安全预警研究

5.1 预施位移数值模型验证在边坡的安全预警方面进行研究，无论定性分析还是定量分析，都能归结为对控制效应量的阈值选取问题。在现有的定性分析方法、定量分析方法、不确定性分析方法、模型试验及监测分析方法等研究手段中，主要为工程类别来判定，其次为强度折减来分析，其三为监测数据的时程曲线预测［8-11］。本文突破常规方法解决边坡稳定性问题的思维，采用预先施加边界位移方法，以等效塑性应变区域贯通作为判据，对边坡的安全预警进行分析。

建立与现场工况一致的预先施加边界位移的数值模型，进行该方法应用的可行性分析。依据表面变形观测墩和测斜孔所监测的边坡变形成果，并按匀速递增施加位移进行数值计算分析。首先将施加位移的区域先进行实体剖分，让单元面与实体面重合，施加在实体面的位移即为单元面的位移。施加位移荷载的侧向变形云图如图15所示，不同施加荷载方式下的侧向变形如图16所示。

图15 数值模型侧向变形云图

从图15和图16可见，随着边界位移逐渐增加，侧向变形逐渐增加。变形增加逐渐向有利于变形发展的区域发展。侧向变形随着施加荷载或位移增加而逐渐增加。前期阶段两种加荷方式条件下变形基本无变化，随着施加荷载或位移增加变形变化逐渐增加，最大增幅为2.2 mm。故建立的施加边界位移条件的渗流-应力耦合三维数值模型也能很好地模拟边坡现场基本工况的侧向变形，在研究边坡变形方面是可行的。

5.2 边坡安全预警分析依据施加边界位移条件的渗流-应力耦合三维数值模型，以等效塑性应变区域贯通为判据，通过在原模型的基础上继续增加边界位移方式，进行边坡安全预警研究，其数值模拟边坡变形云图如图17所示。

从图17可见，随着边界位移增加，侧向变形逐渐增加，等效塑性应变逐渐贯通。最大变形为102.6 mm，相应测斜孔位置的变形为75.2 mm。

将各个荷载分析步的有效应力结果导出，作为数值模型的初始条件，进行施加位移边界条件的边坡稳定性分析。其侧向变形、安全系数随各荷载步变化曲线如图18所示。

从图18可见，随着侧向变形增加，安全系数逐渐减小。随着变形增加，安全系数减小变化大致可分为3个阶段：快速发展阶段、匀速过渡阶段和缓慢趋稳阶段。强度折减系数较小时，侧向变形增幅较小；强度折减系数较大时，侧向变形增幅较大。

依据位移变形量和安全系数双重指标，进行边坡安全预警控制研究，建立针对向家坝水电站马延坡边坡安全预警监控体系，如表3所示。

从表3可见，边坡预警监控受位移变形量和安全系数双重指标控制，不仅从单点进行变形控制，也从整体进行塑性应变区域控制。该预警监控体系能很好地为后期边坡加固处理实施方案提供重要的科学依据，指导工程施工、优化工程设计，为类似工程提供技术支持。

图16 侧向变形随不同荷载步变化曲线

图17 数值模型侧向变形云图

图18 侧向变形与安全系数关系

表3 边坡安全预警监控体系

6 结论

（1）表面位移变形随时间增加而增大。位移变化可分为3个阶段，前期（—2007年9月）为变形快速增加阶段；中期（2007年9月—2008年12月）为变形缓慢增加阶段；后期（2008年12月—）为变形逐渐趋稳阶段。

（2）深部位移随深度增加而减小，随时间增加而增大。边坡地层中有一定厚度的软弱层，存在明显位错位置。位移速率呈先增加再减小直至基本稳定的变化规律，局部波动主要受降雨和边坡内部变形动态平衡调整影响。

（3）地下水位随时间增加而波动变化，年变幅呈减小趋稳，整体往减小的趋稳方向发展。

（4）采用有限元强度折减法，进行了边坡稳定性分析。经试算，马延坡边坡治理前后稳定性系数分别为1.05和1.72。边坡治理前塑性区域从边坡顶部和底部向中间贯通，边坡治理后塑性区域从抗滑桩附近向两侧贯通。治理前塑性区域从边坡顶部和底部向中间贯通，其为蠕滑破坏；边坡治理后塑性区域从抗滑桩附近向两侧贯通，其为半刚性破坏。强度折减系数较小时，侧向变形增幅较小；强度折减系数较大时，侧向变形增幅较大。

（5）采用施加边界位移方法，以等效塑性应变区域贯通作为判据，进行了边坡安全预警分析，建立了基于位移变形量和安全系数双重指标控制的边坡预警监控体系。该预警监控体系能很好地为边坡加固措施提供依据，指导工程施工、优化工程设计，为今后类似工程提供技术支持。

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Study on landslide early warning of Mayanpo slope at Xiangjiaba hydropower station

JIANG Long，WANG Xiaogang，GE Huaiguang，SUN Jianhui，ZHU Zhaohui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

Most of hydropower stations are built in the mountain valley region with complex geological con⁃ditions，and so it is inevitable to involve some engineering geological problems of high slope stability in building a variety of high dams.This paper has systematically studied stability and early warning of high en⁃gineering slope in depth，and established the early-warning model and the health diagnosis system.The re⁃sults show that:①displacement deformation increases with time and decreases with increasing depth.The change rules of performance are deformation rapidly increases in the early，and slowly increases in the me⁃dium，and becomes gradually stable in the later.②through stability analysis of Mayanpo slope by strength reduction FEM，the stability coefficient before treatment and after are 1.05 and 1.72.③using boundary dis⁃placement method，the early warning of slope landslide are analyzed with equivalent plastic strain region through as a criterion.The early-warning monitoring system of slope are established，which based on dou⁃ble controlling indicators of displacement deformation amount and safety factor.

XiangjiabaHydropowerStation；Mayanposlope；slopestability；landslideearlywarning；three-dimensional numerical model

TV223.3+1；TU457

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.002

1672-3031（2015）02-0091-09

（责任编辑：王成丽）

2014-05-15

姜龙（1980-），男，黑龙江人，博士后，高级工程师，主要从事大坝安全及滑坡预警研究。E-mail：Jiangl_zhj@126.com