雅砻江楞古水电站马河崩塌堆积体边坡稳定性评价

张楚楚 孙少锐 王 帅 唐 凯

(河海大学 地球科学与工程学院， 南京 210098)



雅砻江楞古水电站马河崩塌堆积体边坡稳定性评价

张楚楚 孙少锐 王 帅 唐 凯

(河海大学 地球科学与工程学院， 南京 210098)

边坡失稳是一种常见的工程地质灾害，直接影响了工程的建设与运行安全．本文在详细地质调查的基础上，确定了楞古水电站马河崩塌体边坡的分布范围并分析其变形失稳模式．分别利用SLIDE和ADINA软件对边坡进行稳定性计算，对比计算结果，得出边坡的潜在滑动面及其安全系数，继而对边坡的整体稳定性做出评价．研究结果表明，马河崩塌体基本处于极限平衡状态，在蓄水和地震工况下安全系数明显降低，有沿浅表层发生滑动破坏的可能．

马河崩塌体； 极限平衡法； 有限单元法； 安全系数； 稳定性评价

边坡的稳定性分析是岩土工程中一项重要工作，国内外众多学者在大量工程实践的基础上积累了许多经验，发展至今也诞生了很多研究方法，其中最重要、应用最广泛的是极限平衡法和有限单元法．极限平衡法最早由Bishop在1955年提出，后Chen Z Y，Duncan等学者又基于不同的假设对其进行了修改[1-3]，迄今为止，常用的极限平衡方法有Fellenius法，简化Bishop法，Morgenstern-Price法，Spencer法，Janbu法，Sarma法等．大量的工程实践证明，极限平衡法是一种简单有效的边坡稳定性分析方法，且经过数十年的发展，在理论和计算方面均日渐成熟，被广泛运用于研究和实践．Jian Weixing等[4]基于Sarma法对崩塌堆积体边坡的形成机制和稳定性进行了分析；袁广祥等[5]以极限平衡理论为基础，采用多种方法对帕隆藏布流域堆积体边坡的稳定性进行评价．而随着现代计算机技术的快速发展，有限单元法以其在解决应力应变问题中的特有优势逐渐受到重视，发展至今也已成为一种主流的边坡稳定性分析方法．Qinghui Jiang等[6]基于强度折减理论利用有限单元法对锦屏一级水电站高边坡进行稳定性分析评价；董金玉等[7]利用数值分析软件对水库蓄水和下降过程中边坡变形破坏特征进行了分析预测．

马河边坡在结构上属于崩塌堆积体边坡，针对堆积体边坡，国内外一些学者也进行了专门的研究．Bertran.P等[8]研究了边坡浅层堆积体的结构特征，表明堆积体的结构在一定程度上反应了边坡的形成发展过程；Jianming He等[9]利用颗粒流程序对堆积体边坡的地震反应做了研究，表明在地震作用下边坡表面低速的堆积体可能是影响基岩地震动的关键因素；杨继红等[10]研究了水库蓄水过程中堆积体边坡的瞬态稳定性．本文在详细地质调查的基础上，分析了马河崩塌堆积体的分布范围、变形失稳模式等，综合利用极限平衡法和有限单元法(基于强度折减理论)，对其进行边坡稳定性评价．计算通过SLIDE软件和ADINA软件进行，分析过程中充分考虑了马河崩塌堆积体的边坡结构、物质组成等特征．

1 工程概况

楞古水电站位于雅砻江干流中游河段上，研究区为典型的高山峡谷地形，两岸山体雄厚，谷坡陡峭，地形高差大，临江坡高超过500 m．该河段基岩主要为三叠系变质砂板岩和少量的花岗岩侵入体，第四系松散堆积物主要沿右岸阶地和大型冲沟分布，厚度较大，分布范围较广，左岸零星分布，厚度及范围较小．河段冲沟较发育，沟内堆积有大量泥石流、碎石崩塌体等松散堆积物．由于工程区岸坡高耸陡峻，相对高差大，加之风化卸荷影响，岸坡稳定问题突出．根据现场勘察报告，马河崩塌体边坡现整体虽处于稳定状态，但在边坡前缘发现局部塌滑现象．

马河崩塌体地形较简单，地势较两边低，呈下凹的簸箕形．滑坡体整体呈瀑布状，坡度自上而下较为均一，约为30～35°．由于为岩石崩塌堆积形成，前缘较不规则．崩塌体物质主要为崩塌的碎石块，表面土石胶结，胶结良好，内部存在架空层，架空层碎块石松散堆积．崩塌体所在的区域冲沟较为发育，有十数条之多，其中一小部分是泥石流沟，一般较大的冲沟延伸长，切割深度大，有的甚至达到十几米，崩塌体附近冲沟中分布的块石粒径大小较为统一，岩石有轻微磨圆．崩塌体所在边坡为变质砂岩反倾边坡．马河崩塌体边坡典型地质剖面如图1所示．马河崩塌体边坡区出露的地层主要有中生界的三迭系和新生界的第四系．

图1 马河崩塌体边坡典型地质剖面图

三叠系(T3)：研究区基岩岩性为三叠系上统侏倭组(T3zh)，为浅灰至深灰色中细粒变质砂岩，并伴有有少量石英岩脉、花岗岩脉．根据现场钻探资料，钻孔岩芯多呈半柱状～碎块状，局部呈柱状，部分钻孔岩芯风化强烈，破碎严重，破碎带宽度大．部分岩石发生严重的泥化糜棱化现象，局部的铁质浸染现象也很明显．可见该区岩体经受过强烈的先期构造活动和后期风化侵蚀，岩体质量较差，岩体的完整性也较差．

第四系(Q)：主要发育在河流两岸的阶地上，主要为冲积堆积(alQ4)、崩坡积堆积(col+dlQ4)．另外，在钻孔资料中可以看到残坡积、疑似冰积层的存在．岩性为半胶结砾石层、砂砾石层和胶结砾石、块石、砂、亚砂土、亚粘土等．

岩浆岩：区内岩浆岩分布较广，主要为侵入岩．侵入岩体主要为印支期-燕山期花岗岩(γ5)、黑云母花岗岩(γβ5)、二长花岗岩(ηγ5)、花岗闪长岩(γδ5)、石英闪长岩(δο5)和规模较小的花岗伟晶岩脉(γρ)．

2 崩塌体边界及失稳模式分析

2.1 崩塌体边界的确定

崩塌体边界主要根据周边基岩出露情况和钻孔物探资料确定．根据调查结果，马河崩塌体是一个上窄下宽的平缓碎石坡．上部为碎石和土石胶结物，表面胶结良好，中间有架空现象．周围基岩为反倾变质砂岩，崩塌体周边基岩出露点较多，基岩层面较清晰，出露基岩点构成了崩塌体基本边界．

马河崩塌体边界示意图如图2所示，在崩塌体前缘上游侧，出露基岩主要为厚层的黑色变质砂岩，有石英岩脉填充；在崩塌体上游下部边界外，地形为凸起山梁，出露基岩主要为灰黑色-黑色变质；在崩塌体中部上游边界处，基岩出露点较多，比较破碎，有倾倒现象，节理夹泥；在后缘上游边界处，为破碎基岩梁，岩石为灰黑色-黑色变质砂岩，岩石破碎，节理充填；在崩塌体后缘附近，岩石顺层强烈劈理化，倾倒严重，产生垂直于层面的楔形张开，节理泥质充填，表面崩塌；在后缘下游边界处，为基岩陡壁，岩石为灰色-黑色变质砂岩，岩石劈理化严重，但层理仍清晰；在崩塌体中部下游边界处，基岩出露点较多，比较破碎，表面有崩塌现象，节理夹泥；在前缘下游边界外，基岩较为完整，为中厚层状的灰黑色变质砂岩．

图2 马河崩塌体边界示意图

2.2 崩塌体变形失稳模式分析

研究区地层经历了多期构造运动和复杂的物理化学风化作用，其成因机制较为复杂．首先，在多期构造运动的影响下，研究区岩体较为破碎，节理非常密集；其次，岩石以及结构面的连接强度在长期风化作用下降低，加上沿裂隙的渗流作用进一步加剧风化，致使岩体产生破碎带．另外，在雅砻江的持续下切作用下，岸坡岩体发生卸荷变形，侧向卸荷导致岸坡岩体中的各类既有结构面向临空方向扩张，形成一些所谓重力裂隙，岩体完整性及稳定性发生渐进性衰退．

马河崩塌体边坡主要为变质砂板岩，岩性较脆，在河流向下侵蚀的过程中，形成了密集的顺层劈理，使岩层呈薄片状．又因为岩层产状特殊，呈反倾角陡倾，导致岩层向坡外发生倾倒变形．当倾倒至一定程度，达到脆性砂板岩所能承受的弯曲极限，岩层便因弯曲而形成近平行于坡面的楔形张裂缝，与岩层面交叉贯通，将岩石切割破碎，继而在重力作用下发生崩塌．这种变形主要发生在坡面浅层，延伸深度较小，可以在相对较短的时间内发生，表现出较强的突发性特点，是目前马河崩塌体破坏形式的主要成因机制[11]．同时，因为本区顺坡向的切层结构面特别发育，岩层的倾倒可能导致顺坡向节理的拉张，如果由于卸荷产生的切层张节理和顺坡向的节理在深部形成贯通，则可能发生较大规模的崩塌滑坡．目前崩塌碎石边坡处于极限平衡状态，坡角近似为碎石休止角．马河崩塌体后缘和周边基岩卸荷倾倒，切层的楔形张节理发育，存在进一步卸荷崩塌的条件．前缘碎石土在重力和水流冲刷作用下，会产生滑塌，这个过程会逐渐向上延伸，产生缓慢的滑塌现象．在蓄水条件下，现有土石胶结物会产生崩解，加速崩塌体滑塌进程．

3 边坡计算分析

基于极限平衡理论和有限单元法，分别利用SLIDE软件和ADINA软件对边坡进行稳定性计算．计算按自然工况、蓄水工况、地震工况进行，其中蓄水工况为水位由2 400 m高程上升至2 479 m高程，地震工况模拟为动力水平向峰值加速度采用50年超越概率10%的峰值加速度0.167．计算所需参数均出自工程地质勘察报告，主要是根据室内试验，再类比国内相关工程来确定，考虑了边坡中可能滑动的几层岩土体，其物理力学参数取值见表1．在进行边坡稳定性计算时，采用Mento-Carlo方法提取样本，样本参数按正态分布．另外，考虑到岩土体参数可能的变化范围，标准差取为0.1．

表1 边坡岩土体物理力学参数表

3.1 边坡极限平衡计算分析

利用边坡分析软件SLIDE进行边坡极限平衡分析．根据软件自动搜索滑面功能可知边坡滑动主要集中在浅表层，结合边坡的物质结构组成，预设5条潜在滑动面，主要为不同边坡介质的交界面．自然工况、蓄水工况和地震工况下的剖面计算结果如图3～5所示．

图3 自然工况 图4 蓄水工况 图5 地震工况

计算共考虑3种滑移模式：第一种滑移模式为表层堆积体的滑移，底滑面为堆积体与强卸荷(风化)变形岩体的接触界面，分布范围为滑坡堆积体的后半部分，水平方向占整个堆积体的2/3；第二种滑移模式为表层堆积体的滑移，底滑面为堆积体与强卸荷(风化)变形岩体的接触界面，分布范围为滑坡堆积体的前半部分，水平方向分别占整个堆积体的1/3；第三种为整体滑动，滑动面大部分位于强卸荷(风化)变形岩体与弱卸荷(风化)变形岩体的分界面上．边坡安全系数概率分析结果见表2．

表2 边坡概率分析结果

由表2可知，地震工况和蓄水工况下边坡的安全系数均明显减小，破坏概率明显增大，最高达88.7%．计算得，天然状态下预设滑面所得最低安全系数为1.081，滑面位于边坡坡脚处，为碎石土与强变形岩体的交界面．边坡整体处于稳定状态．下坝址蓄水后，边坡的安全系数较自然边坡降低了约8.0%～17.2%，分析原因可能是河水位上升，边坡坡脚被浸没，地下水位上升，土石胶结物发生崩解，导致坡脚处潜在滑面的安全系数下降，最低达到0.980，即蓄水后可能导致边坡前缘崩塌体加速塌滑，滑动的范围逐渐扩大，致使边坡坡脚处发生局部失稳．在地震情况下，边坡的安全系数降低了约8.8%～17.2%，最低降为0.985．由于外动力因素影响，边坡在动荷载作用下可能导致失稳．由以上分析可知，蓄水和地震作用对边坡稳定性的影响程度相当．

3.2 边坡有限元计算分析

为了解边坡内应力应变分布，找出可能发生的破坏形式和破坏部位，以及边坡破坏的发生和发展过程，利用有限元软件ADINA建立边坡的有限元计算模型．计算中地应力按自重应力考虑．因为边坡只受到重力场的作用，模型的底部边界设定为固定边界约束，左右边界设定为水平约束．模型假定边坡岩体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，岩体的破坏服从莫尔-库伦准则．模型共剖分节点3 007个，单元2 947个．建立模型的过程中尽可能的模拟典型地质剖面的各种地质条件，以符合客观实际．

天然状态下边坡的最大主应力云图如图6所示．由图可知边坡的最大主应力在坡脚位置有明显的应力集中现象，随边坡深度的增加，最大主应力开始扩散，在边坡下部，应力等值线接近平行分布．最大主应力在底部最大，随深度的减小而减小，在近地表位置，最大主应力趋近于零压力值．天然状态下边坡的最小主应力云图如图7所示，可以看出边坡的应力分布特征明显受重力场的控制，坡内应力场的分布符合一般斜坡应力场的分布特征．最小主应力在边坡内渐变分布，最小主应力值从微新岩体到覆盖层逐渐变小，靠近临空面处趋近于零．从图中可以看出边坡整体处于受压状态，但在滑体边缘地表附近出现了不连续的拉应力区，最大拉应力值为0.3 MPa．

图6 最大主应力云图

图7 最小主应力云图

采用折减系数法计算边坡的安全系数[12]．对边坡材料的c，φ值进行等比例折减，直至边坡达到破坏的临界状态，即极限平衡状态，将此时的折减系数作为边坡的安全系数．判断边坡是否处于极限平衡状态的方法主要有：根据边坡内塑性区的分布特征，若塑性区由坡底至坡顶贯通，则为失稳；在模型、参数、约束等均正确合理时，若有限元计算不收敛，则可能已发生破坏；若边坡内某一点的位移随折减系数的改变突然迅速增大，说明边坡发生破坏．本文主要采用前两种方法判断边坡的极限平衡状态．计算得自然工况、蓄水工况、地震工况下的安全系数分别为1.12，1.05，1.00．计算中发现，自然状态下边坡剪应力在滑体底部的基岩中出现集中现象，最大剪应力2.83 MPa，在滑体内部剪应力较小．另外，随着物理力学参数的逐渐折减，滑坡前缘崩塌体最先进入塑性状态，但没有大面积的剪切应变增量区，只在前缘坡角有很小的应变集中区，说明坡角位置容易发生局部破坏，这与现场观察到的坡角处的塌滑现象是吻合的．相应折减系数下的边坡塑性区分布云图如图8～10所示．由图可知，无论是自然工况，蓄水工况还是地震工况，其塑性区均集中在浅表层，以强变形岩体和弱变形岩体的分界面为底部界线．因此，边坡在遭遇不利于稳定的外荷载时，极有可能沿该界面发生滑动．这与极限平衡法所得结果是一致的．

图8 自然工况F=1.12塑性区分布云图

图9 蓄水工况F=1.05塑性区分布云图

图10 地震工况F=1.00塑性区分布云图

4 结 论

在安全系数的计算上，基于极限平衡理论的SLIDE软件具有较高的可靠度，因此将ADINA所得结果与其进行对比，结果发现ADIAN计算所得安全系数较SLIDE大，但相差很小，在可接受范围内，且在3种工况下所表现出的变化趋势是一致的．因此可以判断ADINA基于强度折减理论所进行的稳定性分析是可靠的．而SLIDE所欠缺的边坡应力应变分析和塑性区发展过程分析则可以通过ADINA进行弥补，从而达到两种方法取长补短的作用，提高分析可靠度．

本文在详细地质调查的基础上，利用两种分析方法所得边坡安全系数相近，边坡的破坏模式和滑动面可能存在的位置也是相似的，因此，结合边坡的工程地质条件可以得出以下结论：

1)马河崩塌体由于谷坡陡峻，冲沟发育，加之边坡岩体的风化卸荷较强烈，岸坡变形破坏，稳定性较差，坡脚处由于重力作用和流水冲刷作用已发生小规模塌滑，且塌滑范围有向上发展延伸的趋势．

2)天然状态下，边坡应力分布主要受自重应力影响，在坡脚位置有明显的应力集中．边坡的安全系数保持在1.1左右，整体稳定，坡脚和坡面的碎石土层局部安全系数小于1.0，表明岸坡局部有小规模塌滑现象．

3)在蓄水和地震工况下，边坡的安全系数明显减小，塑性区分布范围明显扩大．因此蓄水和地震动荷载会对边坡稳定性造成较大的不利影响，加速岸坡塌滑破坏进程和破坏范围．

4)根据Slide自动搜索滑弧的结果，结合ADIAN塑性区分布云图，崩塌体滑动面主要为表层碎石土与下部强变形岩体的交界面．滑动形式主要为浅层滑动．

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[责任编辑 王迎春]

Stability Assessment of Mahe Deposit Slope of Lenggu Hydropower Station on Yalong River

Zhang Chuchu Sun Shaorui Wang Shuai Tang Kai

(College of Earth Science & Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Slope failure is a common engineering geological hazard directly affecting the construction and operation of projects. Based on detailed geological survey, the distribution range and failure mode of Mahe deposit slope are analyzed. SLIDE and ADINA are used to obtain the potential sliding surfaces and safety factors. The computation results from the two kinds of software are compared and stability assessment of the slope is given. The research results indicate that the Mahe collapse masses are in a state of limit equilibrium on the whole; but the safety factor decreases in the reservoir impounding and earthquake conditions. The sliding along superficial layer will probably happen.

Mahe deposit slope; limit equilibrium methods; finite element method; stability assessment

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.05.008

2016-04-27

国家自然科学基金项目(41102162)

张楚楚(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩石力学等．E-mail：310305568@qq.com

P642

A

1672-948X(2016)05-0041-05