阿拉沟水库边坡变形机理分析及治理措施研究

彭 明

(吐鲁番市阿拉沟水库运行调度中心，新疆 吐鲁番 838100)

1 项目概况

阿拉沟水库枢纽位于新疆托克逊县阿拉沟河上，是一座综合防洪、供水、灌溉功能的Ⅲ等中型控制性枢纽工程。主要由水库大坝、右岸开敞式溢洪道、导流洞和左岸输水隧洞组成，坝址以上流域面积为1842 km2，总库容4450万m3，最大坝高105.26 m，为吐鲁番市建成的最高的沥青混凝土心墙堆石坝，坝前最大水深84.50 m，水库正常蓄水位944.50 m、设计洪水944.60 m、校核洪水位947.80 m。

工程于2009年11月开工，2014年11月下闸蓄水,至2016年10月水位逐步升高至942.00 m 后下降，其间大坝左岸上游边坡向库面边坡发生小规模崩岸塌坡；此后库水位在916.00～932.00 m 间变动，边坡变形增大明显，临水坡面崩塌持续发生；2018年8月水库以1.2～1.5 m/d泄水，9月中旬起水库空库运行至今。

2 边坡变形机理分析

2.1 边坡变形体现状

边坡变形体下游边界距大坝约600 m，顺河向长约425 m，垂直河流方向宽约375 m，铅直方向上高程在1100 m以下。左库岸边坡变形体前缘临水坡面已形成连续的崩塌区，变形体所处山坡表部拉裂缝纵横交错，后缘拉裂明显，后缘下游侧垂直错距一般3～5 m，变形体存在整体失稳的可能。

边坡变形体上、下游各见有一条破裂面分界线，上游边界面受J2节理控制，下游边界面受F1断层控制；底界面为一不连续变形剪切破碎带，延伸方向受J3节理面控制，厚2～3 m，在边坡前缘的出露高程介于917～940 m，上游略高于下游。界线以内岩体拉裂变形严重，裂缝纵、横交错，部分已解体，与变形体外差别明显，分界线以外岩体较完整。上游破裂边界线上游受强烈变形区影响，有一变形影响区，地表亦出现不同程度的开裂现象，并逐渐过渡到正常山体。

2.2 边坡变形体分区及变形特征

左库岸边坡处于挤压变形阶段，变形体前端抗滑部分受挤压后产生破裂、崩塌，中后部剪切面贯通，后缘出现弧形拉裂，局部出现塌滑现象，滑坡的微地貌特征相继出现，外力作用下可能过渡到整体滑动失稳阶段。采用平行剖面法计算，边坡变形体体积约为3.94×106m3，包含变形影响区的总体积约为5.66×106m3。假定在水库放空工况下，进行上游节理面和前缘结构面级参数反演，反演断面采用纵1～纵5。根据变形破坏特征，边坡变形体可以分为①崩塌堆积区、②崩塌坍落区、③中部拉裂区、④后缘沉陷区,以及⑤变形影响区，分区如图1所示。

图1 边坡变形体分区、观测点及地质纵剖面示意图

2.3 边坡变形模式分析

水库上游左库岸变形边坡体后缘结构面较陡，沿结构面产生较大的下滑力，前缘结构面较平缓，是相对阻滑段；后缘已产生明显垂直位移，而前缘垂直位移相对较小；在边坡变形初期，边坡右前方首先出现沉降，边坡左下游侧则出现普遍抬升，表明该部位出现明显的挤胀变形，发生挤胀变形的推动力主要来自边坡后缘的重力作用；变形边坡体周边变形较中部更严重。综上，阿拉沟水库左岸变形体蓄水前变形不显著；在边坡变形初期(蓄水至925 m左右)由于变形体前缘岩体及结构面被库水浸泡发生软化，导致在边坡前缘出现向水库一侧的崩塌及牵引式变形，并因此降低了边坡前缘的抗滑力；边坡变形后期(水库蓄水至940 m高程时)变形体在后缘下滑力的持续推动及各种外因(如地震、雨水浸润、库水突降导致动水压力增加等)综合作用下，位移发生突变，表现为边坡中部变形大两端逐渐减小的边坡整体滑移模式。目前后缘上、下游边界面已经贯通并产生了明显位移，变形体处于挤压变形阶段。

2.4 边坡变形体稳定性计算

左岸变形边坡本属块体结构和层状结构的岩质边坡，由于变形开裂，中上部岩体呈碎裂结构、块裂结构、碎块结构等，对水下的变形体前缘内部顺坡向的缓倾角节理面 J3进行参数反演，采用不平衡推力传递法进行稳定性计算，如式(1)～式(5)，成果如表1。

(1)

(2)

Ti=(Wi+Vi)sinαi+Qicosαi

(3)

(4)

(5)

表1 边坡变形体稳定性系数计算成果

可知该变形边坡在水库放空时平均稳定性系数为1.05；在正常蓄水位及不考虑地震影响时稳定系数为1.00；考虑6度地震影响时稳定系数为0.97，两种工况下均不满足岩质边坡稳定性要求，存在整体滑动的可能。

3 边坡治理方案研究

在边坡变形体上设置五个观测点监测数据，位置如图1所示(▲标志处)，根据各监测点累计位移变化和相对位移变化，可知水库放空后边坡变形幅度趋缓，直至处于临界稳定状态，但未收敛。继续蓄水，变形体边坡将继续加剧变形甚至局部或整体失稳的可能。

3.1 边坡处理设计方案

边坡变形解体严重，坡高面陡，潜在结构面深埋，交通条件和施工作业环境恶劣，锚固、阻滑等措施实施条件差。采用削坡减载的治理措施，将开挖弃渣置于边坡坡脚，形成自然休止坡面，减小变形边坡下滑力。拟定削坡减载范围考虑基本包含已产生拉裂缝的区域，削坡减载区域上游及顶部边界位于变形影响区边界线与严重变形区边界线之间；下游边界位于严重变形区边界线附近；底部设置平台。底部平台高程根据变形体底部边界及现状地貌拟定三个方案进行比选，各方案上部削坡方式相同,各方案正常水位工况变形边坡稳定计算成果见表2。

表2 各方案正常水位工况变形边坡稳定计算成果

3.2 二维抗滑稳定计算分析

边坡底滑面出露高程较高，开挖渣料在坡脚难以对边坡形成有效压重，故边坡稳定计算时不考虑开挖渣料的压重作用。三方案经过剖面法计算后所得安全系数见表3。计算表明，不考虑开挖渣料的压重作用下，方案一各种工况均满足3级边坡稳定安全系数要求；方案二最不利工况正常水位+8度地震下边坡稳定安全系数略小于规范要求；方案三安全系数均不满足规范要求，方案一较方案二多出2%～3%的安全冗余。考虑该变形边坡距离大坝等枢纽建筑物距离近，边坡失稳危害大，选定方案一。

表3 三方案组合工况下边坡安全系数

续表3

3.3 三维有限元稳定计算复核

利用BIM软件Microstation和GEOPAK完成了左岸边坡三维几何模型的建立，有限元计算模型如图2所示。

图2 边坡变形体三维几何模型及有限元计算模型

采用有限元强度折减法对阿拉沟水库工程左岸现状边坡整体稳定性进行分析，得到三维整体边坡稳定安全系数，削坡减载后左岸边坡在各工况下的安全系数随位移突变关系如图3所示。

图3 各工况下边坡变形体安全系数随位移突变关系

可知8度地震工况下水平位移在安全系数为1.08附近发生突变，此时边坡的塑性贯通区贯通，可认定此时边坡发生破坏，即该工况下边坡的安全系数为1.08，各工况的安全系数如表4所示。计算结果表明，本变形边坡在拟定的方案一削坡减载措施下边坡稳定性均满足设计要求。

表4 削坡减载后边坡各工况安全系数

3.4 边坡应力应变分析

在数值模型的基础上，增加开挖、压脚和水库蓄水过程的模拟，对以下11个工况进行了模拟分析：天然工况，模拟边坡自重应力场；边坡开挖至1100 m高程；开挖至1080 m；开挖至1060 m；开挖至1040 m；开挖至1020 m；开挖至1000 m；蓄水至925 m高程；蓄水至930 m；蓄水至935 m；蓄水至940 m。

开挖模拟结果表明：①现状变形体上拉应力区范围主要分布于1050～1100 m高程，随着原有拉应力区被挖除，在开挖底面与自然边坡相交附近又出现了拉应力集中区。②由开挖引起回弹变形，开挖至不同高程位移分布规律基本一致，量值有所变化，开挖至1100 m、1080 m、1060 m、1040 m高程最大位移分别为3.46 cm、7.74 cm、12.10 m、14.43 cm；结构面对变形分布有较大影响，在F1断层及底滑面附近出现明显变形不连续；整体而言边坡位移场分布模式符合一般规律。③塑性区主要分布于边坡表面、F1断层和J3底滑面，随着边坡开挖原有塑性区被挖除，在新的开挖底面靠近自然边坡一侧会出现新的塑性屈服区。

蓄水模拟结果表明：①边坡蓄水后对边坡应力分布规律影响较小，量值略有变化，拉应力分布范围略有扩大。②蓄水后边坡位移分布形式与开挖至1000 m工况基本一致，蓄水对边坡整体变形影响不大，处理措施对变形起到了良好控制作用。③蓄水后边坡塑性区分布规律与开挖至1000 m工况基本一致,蓄水后部分底滑面位于水下，参数降低，导致开挖底面与自然坡面相交处附近的塑性区范围扩大，蓄水对塑性区分布范围有一定影响，并随着蓄水高程增高逐渐增大。

4 结 论

(1)左库岸边坡变形体后缘上下游边界面已经贯通，并产生了明显位移，变形体处于挤压变形阶段；边坡稳定不满足岩质边坡稳定性要求；上游左库岸变形边坡体规模大，边坡存在整体滑动失稳的问题；边坡变形体距离大坝枢纽等关键结构较近，滑坡导致涌浪可能越过坝顶，危及大坝安全。

(2)经二维抗滑稳定计算和三维有限元稳定计算复核，可知上述边坡治理方案对边坡整体应力、变形和塑性区分布均有良好控制作用。施工中原有拉应力、塑性区集中区的挖出，在开挖底面和自然坡面交汇处附近有新的拉应力、塑性区集中区出现，应注重该部位的加固与监测。