拖担水库大坝左岸滑坡形成机制与治理措施

王玉川， 刘许超， 郭其峰， 周延国

（黄河勘测规划设计研究院有限公司， 河南 郑州 450003）

0 引言

我国西南地区地处青藏高原东侧， 具有独特的地质环境和活跃的内外力地质条件[1]， 常常是滑坡地质灾害的易发区域。 西南地区又是我国水能、 水资源富集区， 近年来， 随着西部大开发的进程， 西南地区水电工程的建设项目不断增多， 在水电工程建设及运行过程中， 诱发了大量滑坡地质灾害[2-7]， 给工程建设带来了极大威胁和重大损失。

对于滑坡的成因机制和治理方案的研究，众多学者结合工程实际做了大量分析和论证工作。 殷跃平[8]通过对复杂地质体中发育的滑坡地质灾害防治的基本理论、 设计方法、 施工技术和监控手段的研究， 将滑坡防治工程施工技术划分为预应力体系、 抗滑桩挡墙体系、 地表和地下排水体系、 注浆改良体系和减载与反压体系； 王恭先[9]结合滑坡工程实例， 系统分析了滑坡类型与防治措施的关系， 提出了滑坡防治的基本原则和工程措施； 黄润秋等[10]通过对汤屯高速公路顺层边坡变形破坏机制的研究， 指出滑坡的治理措施重点在于控制碎裂岩体和潜在剪出口的变形， 并提出了“锚索+抗滑桩+排水”的治理措施。 这些从工程斜坡扰动过程与机理，到边坡稳定定量评价技术方法的研究[11]， 为滑坡的治理提供了丰富的理论和实践基础， 形成了“成因分析—稳定性评价—治理方案—效果验证” 一套成熟的研究思路和方法， 本文在这些研究成果的基础上， 以拖担水库大坝左岸滑坡为例， 研究其发育特征和形成机制， 并充分结合大坝工程布置， 从工程优化设计的角度， 对比论证了滑坡的治理方案。

拖担水库位于云南省富民县， 为扩建工程，枢纽工程由大坝、 溢洪洞、 输水洞等主要建筑物构成。 大坝设计为粘土心墙石渣坝， 坝高56.8m， 坝顶高程1986.0m， 滑坡发育在拟建大坝左坝肩， 分布高程1984～2075m。

1 工程区地质条件

工程区地处滇中高原， 属构造侵蚀中山地貌， 区内地层岩性以震旦系下统澄江组（Zac）中厚层-薄层状中细粒长石石英砂岩为主， 局部夹薄层泥质粉砂岩、 泥岩等， 夹层耐风化能力差， 存在夹层风化和囊状风化现象。 左岸构造不发育， 岩层呈单斜产出， 产状一般130°∠40°。

左岸坝肩发育有H4 滑坡， 为基岩顺层小型滑坡， 具有分级滑动的特征， 后缘可见错坎，水库扩建施工前， 处于欠稳定状态。

工程区为亚热带季风气候， 多年平均降水量868.9mm， 每年5—10 月为雨季， 降水量占全年降雨总量的87.9%。 11 月至次年4 月为干季， 降水量只占12.1%。 工程区地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水， 受大气降水补给。 左岸边坡地下水位埋深较大， 均位于滑坡底滑面以下。

工程区基本地震动峰值加速度为0.15g， 基本地震动反应谱特征周期为0.45s， 相应地震基本烈度为7 度， 区域构造稳定性较差。

2 滑坡特征及形成机制

2.1 变形过程

2017 年12 月， 左岸在H4 滑坡下方修建施工道路时， 诱发H4 滑坡体出现滑塌， 随后在完成H4 滑坡的清挖和左岸灌浆洞平台及洞脸边坡开挖施工后， 左坝肩山体（高程1984m 以上） 出现变形。

2.2 滑坡基本特征

左岸滑坡分布高程1984～2075m， 面积约1.5 万m2， 滑体厚度10～20m， 方量约25 万m3。沿滑坡边界已形成明显拉裂缝， 以后缘和上游侧缘变形最为强烈（图1）。 主要有以下特征：

图1 左岸滑坡工程地质平面示意图Fig.1 Engineering geological map of the left bank

（1） 滑坡发育于中厚层砂岩夹薄层泥质粉砂岩及泥岩地层内， 变形岩体虽能保持原岩层面， 但岩体破碎， 呈碎裂结构， 以2015m 高程为界， 滑坡分上、 下两个分区； 上部变形区岩体产状120°～150°∠32°～42°， 下部变形区岩体倾向不变， 倾角变缓， 为19°～26°， 上、 下两个变形区的交界部位， 在地表产生一条横向的鼓胀裂缝（图1）；

（2） 滑坡下部存在一层破碎带， 层厚4～9m， 反倾向坡内， 产状6°∠13°， 由坡面向坡内逐渐变厚， 向坡内延伸距离较短， 钻孔BZK04 未揭露（图2）， 滑坡沿破碎带顶部有明显剪出现象；

（3） 破碎带下部岩体在靠近破碎带位置，倾角变陡， 产生倾向滑动方向的弧状弯曲变形（图2）；

图2 左岸滑坡工程地质剖面图（F-F 剖面）Fig.2 Engineering geological profile（Profile F-F）

（4） 滑坡底滑面为三段式， 后缘沿层面滑动， 中部沿下部变形区内的软弱夹层滑动， 前缘沿破碎带顶部滑动。

2.3 变形监测

2018 年4 月10 日开始对左岸边坡进行变形监测（图3）。 左岸滑坡水平位移方向为140°～151°， 垂直方向均为沉降变形。 2018 年全年总降雨量697.8mm， 降雨主要集中在5—8 月，滑坡对降雨敏感， 变形速率随降雨量的增大而显著增加， 但有一定的滞后， 滞后时间一般3～6 天（图4）。 滑坡滑动变形分三个阶段。

图3 左岸边坡监测点分布图Fig.3 Layout chart of monitoring

图4 左岸滑坡水平位移速率及降雨随时间关系曲线Fig.4 Relation curves of horizontal displacement rate of deformation body and rainfall with time

（1） 匀速变形阶段： 2018 年5 月28 日之前， 汛前降雨量较小， 滑坡变形缓慢， 水平位移速率一般5～10mm/d， 最大14.8mm/d。

（2） 持续变形阶段： 2018 年5 月28 日—9月18 日， 汛期降雨量较大， 水平位移速率显著增大， 一般20～40mm/d， 最大约70mm/d， 随后变形速率有所减小， 但整体以一个较高的速率在持续变形， 该阶段滑坡地表变形强烈。

（3） 缓慢变形阶段： 2018 年9 月18 日以后随着降雨量减少， 水平位移速率一般在1～3mm/d， 呈逐渐减小的趋势， 但遇降雨有一定波动。

2.4 形成机制

2.4.1 古滑坡的形成

左岸斜坡陡峻， 岩性为中厚层砂岩夹薄层泥质粉砂岩， 泥质粉砂岩岩性较软， 在自然风化及降雨入渗等作用下， 易形成软弱滑面； 斜坡沿软弱层面发生顺层滑移， 下部中厚层-薄层岩体发生倾向临空方向的隆起变形， 形成了变形性质不同的上、 下两个分区， 随着斜坡下部隆起变形的加剧， 将最终被剪断而导致滑坡的发生， 其滑动模式为“滑移（弯曲） —剪断”型， 一般该类型的斜坡滑动失稳的过程非常缓慢。 综合拖担水库左岸滑坡变形特征来看， 古滑坡由于滑动速度慢、 滑移距离短等原因， 滑坡解体程度低， 形成了左岸保留原岩层序的破碎岩体， 王运生[12]将其定义为“假基岩”。 该类现象非常特殊， 且隐蔽性高， 勘察时非常容易被认为是构造破碎岩体。

2.4.2 古滑坡扰动复活

左岸上、 下两个变形区， 在力学机制上，对应于“主动传力区” 和“被动挤压区”[5]， 上部变形区在自重应力作用下， 沿古滑坡体后缘滑面产生顺层滑移， 此时下部缓倾角变形岩体提供阻滑力， 由于阻滑力较大， 斜坡岩体破碎、导水性好， 边坡开挖施工前处于长期稳定状态，后期由于施工开挖主要集中在下部变形区和前缘山体， 斜坡前缘阻滑力减小， 并在下部变形区内沿泥质粉砂岩夹层形成新的滑动面， 左岸边坡出现变形。

左坝肩下游的H4 滑坡目前已经全部清挖完成， 滑床基岩出露， 其滑动模式和左坝肩滑坡基本一致。 二者滑体厚度差别较大， 底滑面不连续， 应为同时发育在左岸的两个古滑坡体，且H4 滑坡的存在对左坝肩滑坡提供了一定的阻滑力。

3 左岸滑坡处理方案

3.1 底滑面力学参数反演

滑带土强度反演是获取其抗剪强度参数的一种有效途径[13-14]， 本次反演计算是根据滑坡的变形特征假设滑坡的稳定性系数， 反算滑带土的抗剪强度参数， 并将所取结果带入到扰动前的斜坡剖面进行验算。 采用中国水利水电科学研究院开发的岩质边坡稳定分析程序EMU 进行边坡稳定性计算， EMU 是对滑坡体采用倾斜条块的极限分析上限解的稳定性分析程序， 具备应用最优化方法自动寻找最小安全系数和临界滑裂面临界斜分条模式能力[15]， 与Sarma 法具有等效性。

左岸滑坡边界条件清晰， 为边坡开挖扰动形成， 底滑面为“三段式”， 滑带物质主要为泥夹碎屑， 滑动方向平均约145°。 根据边坡开挖前后稳定性不同， 采用EMU 软件， 针对典型剖面F-F（图2） 进行计算。 根据工程坝址区多组岩土体物理力学试验和边坡岩体的工程地质特性， 所选用的岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 边坡岩体物理力学指标

左岸滑坡变形强烈， 依据边坡当前的变形与稳定性状况， 现状地形条件取0.95 的稳定性系数， 进行正常运用条件下的反演分析， 结果如表2 所示。 根据滑带土的工程地质特性， 其参数取值如表3 所示。

表2 底滑面抗剪强度反演结果（K=0.95）

为验证底滑面强度参数取值的合理性， 取表3 中抗剪指标φ 和c 的均值， 对左岸剖面FF 开挖前的稳定性进行验算（图5-6）， 结果表明： 左岸开挖前， 天然工况稳定性系数约为1.10， 处于稳定状态； 暴雨工况下， 稳定性系数为1.01， 处于欠稳定状态。 反演结果与边坡实际情况相吻合， 表明取值基本合理。

图5 剖面F-F 原地形天然工况计算结果Fig.5 Calculation of original terrain of nature

表3 底滑面抗剪强度指标建议值

取表3 中饱和抗剪指标φ 和c 的均值， 对现状地形剖面F-F 在暴雨工况的稳定性进行验算（图7）。 结果表明： 极端暴雨条件下， 滑坡的稳定性系数约为0.88， 降幅较大， 存在整体失稳的可能。

图6 剖面F-F 原地形暴雨工况计算结果Fig.6 Calculation of original terrain of rainstorm

图7 剖面F-F 现地形在暴雨工况下的计算结果Fig.7 Calculation of current terrain of rainstorm

3.2 计算工况

水库扩建工程为Ⅳ等工程， 工程规模为小（1） 型， 主要建筑物为4 级建筑物。 左岸边坡滑坡位于左坝肩， 其安全性状对大坝影响严重，因此确定边坡级别同主要建筑物级别， 即边坡级别为4 级。 边坡计算工况及安全系数取值见表4。

表4 计算工况及安全系数取值表

3.3 滑坡处理方案比选

根据滑坡变形模式及底滑面的分布， 拟采取的处置方案为： ①开挖方案； ②挖锚结合方案； ③抗滑桩方案。

抗滑桩方案由于受地形条件限制， 施工困难， 且造孔施工对滑坡扰动大， 存在较大安全隐患。 另外抗滑桩实施后， 左岸灌浆洞及灌浆实施对加固后的边坡稳定存在较大扰动， 因此不再深入研究， 重点研究开挖方案和挖锚结合方案。

3.3.1 开挖方案

根据左岸滑坡边界和底滑面位置， 将滑坡自上而下全部挖除。 为避免滑坡清除后顶部覆盖层发生浅表层滑动， 清除滑坡顶部覆盖层至基岩面， 顶部覆盖层按1∶1.5 坡度进行放坡， 覆盖层清除至高程约2025.0m 地形坡度较缓部位。

开挖后后缘边坡根据风化情况进行随机支护。 另外根据大坝分区以及坝料设计， 开挖石渣料可利用上坝， 填筑至大坝下游排水体以上的石渣设计区。 结合大坝坝基开挖以及大坝填筑施工进度安排， 先对滑坡顶部进行卸荷开挖，开挖至2035m 高程后， 此时不考虑降雨， 安全系数约为1.098， 处于基本稳定状态， 随后可启动大坝坝基开挖、 填筑工作。

开挖总量42.3 万m3： 其中碎石土27.6 万m3，石渣14.7 万m3。

3.3.2 挖锚结合方案

对比分析了滑坡上部开挖至2035.0m 高程+下部锚固方案和上部开挖至2015.0m 高程+下部锚固两种方案。 滑坡下部岩体为中厚层砂岩夹泥质粉砂岩， 岩体完整性差， 岩体质量属Ⅳ～Ⅴ类。

（1） 挖锚结合方案（2035m 高程）

根据计算（表5）， F-F 现状剖面最不利工况为非常运用条件Ⅱ工况， 计算安全系数为0.826， 安全系数不满足要求， 采用最大锚固力为4300kN/m 的锚索加固后， 安全系数可达到1.062， 满足稳定要求。 锚索间排距3.5×3m（高度方向按3.0m）， 锚索采用150t， 框格梁按3.5×3m（高度方向按3.0m） 进行布置。 锚索内锚固段布置于滑动底面以下弱风化岩体内， 锚固长度按10m 考虑。

表5 2035m 高程挖锚方案计算成果

主要工程量： 锚索253.5 万t·m； 混凝土3380m3； 钢筋507t。 开挖总量29.2 万m3。

（2） 挖锚结合处置方案（2015m 高程）

根据计算（表6）， F-F 现状剖面最不利工况为非常运用条件Ⅱ工况， 计算安全系数为0.966， 安全系数不满足要求， 采用最大锚固力为800kN/m 的锚索加固后， 安全系数可达到1.071， 满足稳定要求。 锚索间排距按4×4m（高度方向按4.0m）， 锚索采用100t， 框格梁按4×4m（高度方向按4.0m） 进行布置。 锚索内锚固段布置于滑动底面以下弱风化岩体内， 锚固长度按10m 考虑。

表6 2015m 高程挖锚方案计算成果

主要工程量： 锚索67.1 万t·m； 混凝土1345m3； 钢筋174t； 开挖总量37.0 万m3。

3.3.3 方案比选

三方案从施工条件、 施工隐患以及投资方面进行比较（表7）， 滑坡处置方案推荐投资较小， 施工简单、 方便的开挖处置方案， 开挖方案可根据开挖揭露地质条件及时进行复核， 动态调整开挖设计方案， 对滑坡处理彻底、 明确。同时可利用开挖料直接或者通过转运上坝， 减少大坝填筑料料场开采量， 以到达减损的目的。另外滑坡全开挖处置后， 左岸原设计的66m 长的灌浆洞将取消， 节省了该部分投资。

表7 左岸滑坡处理方案对比

4 结论

基于拖担水库左岸滑坡工程地质条件， 研究了其形成机制和治理措施， 主要有以下认识。

（1） 左岸边坡为一古滑坡体， 滑动模式为“滑移（弯曲）-剪断” 型， 存在岩层倾角上陡下缓的上、 下两个变形分区， 下部变形区内的施工开挖， 使阻滑力减小， 导致古滑坡体复活，并在下部变形区内形成新的顺层滑动面。

（2） 此类古滑坡的下部变形区提供阻滑力，是斜坡整体稳定的关键， 因此在施工过程中应注意对下部变形区的保护； 另外降雨会加剧古滑坡的变形， 斜坡的排水措施也是减小其变形的关键。

（3） 结合大坝工程设计， 对比研究了抗滑桩、 开挖和挖锚结合三种方案， 开挖方案施工简单、 投资小， 建议左岸滑坡采取开挖方案进行处理。