水库边坡稳定性分析与工程治理

李燕宏，张慧颖

(1.云南省元谋县水务局，云南 楚雄 651300； 2.云南农业大学 水利学院，昆明 650201)

1 概 述

随着大量水库工程项目的开发建设，水库边坡失稳现象也日益突出。1961年3月6日，湖南资水柘溪水库在蓄水初期，后坝上游右岸岩体突然发生高速滑坡，总体积约165×104m3，形成高21 m的涌浪，漫过坝顶，冲毁了坝上临时挡水物并造成人员伤亡[1]。1963年10月9日，意大利瓦依昂水库左岸近坝地段发生巨型滑坡，激起高250 m的涌浪，翻越坝顶，滑坡导致整个水库失效报废，冲毁隆加罗尼等附近多个村庄，遇难人数高达1 925人[2]。1976-1985年，湖北省黄龙潭水电站先后发生滑坡73次，总体积达9 000×104m3以上，且这些滑坡体大多集中在居民和耕地区，对百姓造成较大的损失[3]。这些事故对人民生命和财产安全造成了威胁，因此对水库边坡稳定性进行研究是十分必要的。本文以某水库边坡为研究对象，首先对边坡稳定性进行三维数值计算，然后提出相应的工程治理方案。

2 工程概况

水库位于云南西北部的东西向转南北向的小河沟谷中，分山岭最高2 122.30～2 054.88 m，一般为1 827.20～2 021.80 m左右，河床高程1 688～1 723 m，山顶与河床相对高差139.20～298.80 m。河谷两岸坡呈V形，谷底呈U形，为山间狭窄型河谷，局部因发育一级阶地而为宽谷式河谷。坝址区河床高程1 683.07～1 684.50 m，左岸地形坡度为30°～45°。

整个滑坡体区域地势西(后缘)高东(前缘)低，局部呈阶梯状斜坡地貌，上陡下缓。根据勘察结果，岩层倾向北西，倾角20°～40°，为单斜岩层。地层连续性好，岩层产状基本稳定，构造简单，断层南西端穿过左坝肩，上盘为C3d地层，下盘为C3d、C3w、P1z地层，力学性质为压扭性，断裂面倾向南东，倾角73°，断层带宽约3～5 m；由压碎岩及糜棱岩组成，为阻水断裂。

3 滑坡体计算模型建立

3.1 滑坡模型

基于有限元计算模型，研究在地震作用下滑坡的发生以及发展过程[4-6]。首先将土体假设为连续介质的、线弹性体、均质各向同性体材料，然后将水库左岸边坡地形图导入模型软件，通过等高线建立三维实体模型。根据现场钻孔勘察结果和临空面揭露的左岸边坡土体情况，将边坡土体划分为3层，左岸边坡三维模型划分为37 491个单元、8 063个网络节点，再将模型导入计算软件，见图1。

图1 有限元模型

3.2 计算参数

本次分析选用Mohr-Coulomb塑性模型。根据室内试验和现场勘察综合分析，选取的滑坡体物理力学参数见表1。

表1 滑坡体岩土物理力学参数

根据本次分析自然状态下的稳定性分析，将图1中水库左岸边坡模型施加静力边界条件，在模型的四周施加法向位移约束，底部施加竖直向位移约束。

4 滑坡体稳定性分析

4.1 位移场

滑坡体沿Z向的位移和整体位移见图2。

图2 滑坡体位移图

从图2可以看出：①滑坡体中部及上部表层位置均发生沉降，最大沉降发生在滑坡体顶部位置，最大沉降量达8.95 cm；②位移矢量集中分布于滑坡体上层后缘部位，并指向坡脚位置，这与整体位移云图所表现出来的趋势是一致的，同时也表明滑坡体有向下滑动的趋势。

4.2 应力场

滑坡体主应力云图、切应力云图和塑性区分布图见图3。

图3 滑坡体应力云图和塑性区分布图

从图3可以看出：①滑坡体并未出现明显的拉应力区，基本上以压应力为主；②基岩附近的滑坡体主应力等值线平滑，但在位于滑坡体中层和浅层土体附近产生了较为明显的应力集中区域，这表明滑坡体可能沿土体中层和浅层滑面发生破坏。滑坡体中分布有大量塑性区，且出现有零星的拉张区域，也说明该区域可能发生破坏。

5 滑坡体加固措施

5.1 加固方案

对于浅层地表使用土钉加固，长度3 m，共布设土钉22根；深层土体使用锚杆加固，共布设锚杆13根，长度为30 m；角度均为10°。同时，表层土体使用不透水混凝土喷护加固，具体加固模型见图4。

图4 加固措施

5.2 计算参数

根据规范要求，在边坡土体表层喷混凝土，其强度一般工程不得低于C15，重要工程不低于C20，在此选取喷射混凝土C20喷射于边坡表面进行防护。锚杆、土钉及混凝土单元参数取值见表2。

表2 锚杆、土钉及混凝土物理力学参数

5.3 位移场

加固后的滑坡体沿Z向的位移和整体位移见图5。

图5 加固后滑坡体位移图

从图5可以看出，加固后滑坡体位移主要以沉降位移为主，最大位移2.83 cm，越靠近中部临空面，位移以横向位移为主。与治理前相比，其位移量也降低了一个量级，表明锚杆及土钉约束住了边坡的横向位移，起到了加固边坡的作用。

5.4 应力场

加固后的滑坡体主应力云图、切应力云图和塑性区分布图见图6。

图6 加固后滑坡体应力云图和塑性区分布图

从图6可以看出，加固后滑坡体的塑性区主要集中在边坡表层上部及中部区域，边坡表层塑性零星扩张区域大量减少，表明滑坡体是稳定的。

6 结 论

以某水库左岸边坡为研究对象，采用数值模拟方法，研究了滑坡体加固前后的应力、位移、塑性区域响应，计算结果与现实勘测结果吻合。加固前，位于滑坡体中层和浅层土体附近产生了较为明显的应力集中效应，边坡将沿土体中层和浅层滑面发生破坏。加固处理后，由于锚杆和土钉的作用，边坡位移大幅度下降；塑性区分布主要集中在边坡表层中部及中部偏下区域，边坡表层塑性零星扩张区域也大量减少，加固措施起到了显著的治理作用。