基于水库施工期间坝前滑坡稳定性分析

冯裕疆

(新疆三河建设工程有限责任公司,新疆 阿克苏市 843000)

1 工程概况

某水利工程水库面积为920 km2，为河谷型水库，该地区滑坡平面宽度在400 m左右，呈长条形状，滑坡区域高程在2100～2380 m之间，上部区域主要以大型石块为主，中部区域为石块、土质混合状态，下部区域以土质为主；所在地区地下含水层厚度在10～35 m之间[1-3]。

滑坡的东北面为上石炭统-下二叠统(C3-PI)的巨厚层状灰岩，并夹杂少量的页岩，岩性质地坚硬，抗风化性强，断裂及卸荷裂隙发育，岩层产状NW∠275°～295°NE∠30°～53°；滑坡的下部及西南面为砂岩、页岩及泥岩底层(D3～C1)，主要以页岩为主，岩性较弱，抗风化能力差，岩层产状NW∠290°NE∠70°。滑坡的东北面与西南面高程相差约为600 m，并以断层形式相接触，根据实际勘探发现，滑坡区域的前缘发育有宽约100 m左右的I级侵蚀堆积阶地，阶地基座表面呈平台状态，陡峭处坡面的坡度在30°～40°左右，部分区域较为陡峭，阶地基座具有30～75 m厚的松散堆积层；滑坡区域表面发育有两条冲沟[4-6]。滑坡区域剖面如图1所示。

图1 滑坡区域剖面

2 滑坡监测及失稳影响因素

水利工程在建设期间利用GPS对滑坡区域进行了长期的连续位移情况监测。为了更加有效地监测到滑坡区域的位移情况，本次GPS监测中的水平、垂直方位的误差分别为5 mm±1.0 ppm、10.0 mm±2.0 ppm，监测数据的采集频率为 5 Hz。GPS滑坡监测点布置示意如图2所示。

图2 GPS滑坡监测点布置示意图

根据研究数据显示，该地区滑动区域主要出现于滑体的中间区域，主要呈现为先是缓慢滑动变形，后经过不断地发展成为快速滑动变形，最后将演变为快速变形失稳状态。由此可见，水库施工阶段的坝前滑坡总体呈现出蠕变破坏形态。根据GPS监测显示，在滑坡发生期间，中后部监控点的位移程度最为显著，后部监控点位移程度较小，前缘部位监控点位移程度最小。因此，本工程施工阶段滑体主要体现中、后部位推动前缘的破坏形式[7-8]。滑体滑坡各部位监测点位移情况如图3所示。

图3 滑体滑坡各部位监测点位移情况

根据以上GPS监控数据的分析，可将本工程施工期间坝前滑坡变形过程按照围堰的建成为时间节点分为两个阶段：阶段一，围堰建成前的快速变形阶段；阶段二，围堰建成后受降水即水库水位上升影响的变形加速阶段[9]。

2.1 阶段一中滑坡形成影响因素分析

根据滑体滑坡各部位监测点位移情况可以发现，围堰建成前水库对于滑坡产生的影响较小，因此此因素可以忽略。根据水文资料显示，2018年该区域降水量最大的月份为7—9月份，平均降水量超过了100 mm此时间段滑坡监控点位移情况显著；同年1—6月份地区降水量相对较小，降水量均值未达到50 mm，此时段滑坡监控点位移变化较为缓慢。因此，水库在围堰施工完成前进入雨季后，雨水渗入量的增加是导致滑体中部出现位移的主要因素，不过滑体前缘位移受到的影响却较小[10-11]。水库所在地区降雨量如图4所示。

图4 水库所在地区降雨量

2.2 阶段二中滑坡形成影响因素分析

自水库的围堰施工完毕后，水库水位得到较大的提升，期间最高达到2120 m，滑体段的水位提升25 m，滑体的位移变化程度增加，在水库水位回升的状态下滑体将处在稳定的极限状态。根据数据显示，滑体在此因素的影响下，中部出现明显的变形。可见，围堰施工完成后水位的上升也是导致滑体失稳的重要因素。

根据上述分析，水库在施工期间造成坝前滑坡的主要是降水量的增加以及水库围堰施工完毕后水库水位的上升，并且水库施工完成后的滑体变形破坏也是施工期间坝前滑坡稳定性遭到破坏的关键阶段，滑体表面的滑坡位移情况是降水量增加所导致变形的两倍。经过数据的对比可以清晰地看到，严重破坏坝前滑坡稳定性的主要因素是水库水位的上升，其次是降水量的增加；施工过程中坝前滑坡的失稳形式主要是由中后部滑坡推动前缘位移形式。

3 滑坡失稳发展的机理分析

3.1 降水因素

降水量的增加所导致的滑坡其主要表现为：降水量的增加导致岩体及土壤的静水压力、渗透力以及静水压力对上覆岩层截面浮力产生的影响。本文将构建降水与滑坡发育过程模型进行降水因素的分析。降水与滑坡发育过程如图5所示。

图5 降水与滑坡发育过程

(1)在坡体中岩体自重的作用下将加大滑体后部的拉应力，并且在此拉应力达到负荷后滑体的后缘便会发生裂缝，而且在降水的作用下滑体将会出现静水压力如式(1)所示：

σ静=γwxcosα

(1)

式中：α为滑动面的倾角，(°)；σ静为滑体后缘裂缝受到降水出现的静水压力，Pa；γw为水的容重，N/m3；x为滑体中裂缝壁与坡面之间的距离，m。

在坡体后缘的拉应力以及后缘裂缝静水压力的影响下，使裂缝的深度达到剪切面(x=D)后，此时的静水压力将为最大状态，滑动剪切面也将形成。

(2)裂缝在降水不断渗入的状态下将使剪切面形成联通，此时滑体的力学机制也将发生改变。

①岩体在降水渗入的状态下，将造成坡体的动水压力之和ΣPυ的显著提升，如式(2)所示：

ΣPv=0.5ρv2l

(2)

式中：ρ为裂缝发生率；υ为降水的渗透速度，m/s；l为滑体宽度，m。

②降水对岩体产生的浮托力、渗透压力的总和将对滑体产生浮托效应，使岩质之间的应力下降，如式(3)所示：

σe=σ-σw

(3)

式中：σe为有效应力,Pa；σ为未受到降水渗透的滑体应力，Pa；σw为浮托力、渗透压力的和值，Pa。

③当σe减小时c、φ减小，滑体剪切面的抗剪强度T也会显著降低如式(4)所示：

T=σetanφ+c

(4)

式中：φ为滑体滑面的内摩擦角，(°)；c为滑体滑面的黏聚力，Pa。

(3)由于张拉裂缝主要分布在滑体2270 m高程以上，分布区域主要体现在滑坡主要平台及滑坡壁周围，长为20～35 m、宽为0.2～0.4 m，深度在0.2～0.4 m之间。剪切裂缝则分布在2240～2310 m高程范围内，长为20～60 m，而滑体后缘裂缝并未达到剪切面(x

因此，当x

(5)

式中：K为稳定系数；αi为滑体中分段剪切面倾角，(°)；Wi为分段滑体的质量，N；ΣP静为滑体中静水压力和值,Pa。

根据上面公式可以看出，ΣP静增加的情况下，滑体的稳定性系数K将会变小。

可见，降水因素造成滑坡失稳发展的机理是库区雨季(7—9月份)降水量在短时间骤增，导致坝前滑坡的地下水位增加，造成滑体中的ΣP静增加；岩体中岩质之间的应力不断地下降，致使岩体c、φ数值减少。岩体因降水的浮托作用其扬压力σw将增加，而有效应力σe降低，导致岩体抗剪强度T进一步减小，最终滑体的稳定系数K减小导致滑坡的失稳发生。

3.2 水库水位上升

由于本水库坝前滑坡呈现为圆弧状，因此将通过静力平衡法进行水位孔隙水压力对边坡稳定性的影响机制分析，滑体断面中形成的主要力系如图6所示。因滑体土层的强度是由c、φ控制，因此滑体边坡的稳定系数Fs的计算如式(6)所示：

图6 滑体断面中形成的主要力系

(6)

而滑体中的作用推力E的计算如式(7)：

(7)

式中：Ni为第i个滑带土对滑体表面产生的压力,Pa。

围堰施工完成后，水库水位将得到较大的提升，滑体中c、φ参数将减小，根据公式(6)可得Fs将降低，根据公式(7)可得c值的减小将直接导致推力E的增加，而滑体中浸水部分主要在抗滑区域，此段的抗滑能力降低程度将逐渐小于下滑力，于是将产生滑坡。

3.3 库水位上升数值模拟

依据本水库的实际情况进行模拟水库水位提升的模型建立，以此分析水库水位在上升过程中不同状态下对滑体稳定性的影响，建模的集体参数为：滑体滑面黏聚车c值取37.23 kPa，内磨擦角φ取22.29°，滑体容重γ取 15 kN/m3，水位上速率取值0.5 m/d，滑体的坡度按照实际情况设定。建模的不同工况以及分析结果如图7、图8所示。

图7 不同工况下数值模拟结果

图8 数值模拟结果

4 结 语

水库施工期间坝前滑坡情况处于稳定的蠕变阶段，但在受到雨季降水量增加将发生较大程度的变形，在围堰施工完成后水库水位的上升也会造成坝前滑坡发生局部失稳。在围堰构建完成前滑坡失稳主要受地区降水的影响，而围堰构建完成后滑坡失稳主要受到水库水位上升的影响，并且此阶段中滑坡变形占比较大，而坝前滑坡不同阶段的主要表现为中后部推移前缘式的整体性滑坡。为了更好地进行坝前滑坡稳定的处理，在目前的工作中需注意降雨和滑体变形之间是否具有滞后期的存在，以及在围堰施工阶段有效地进行坝前滑坡的防治。