摘要：滑坡穩定性問題是百余年以來工程地質及巖土工程研究領域的一個備受關注的挑戰性課題。由于滑坡災害造成的損失相當大，而我國是一個多山、多丘陵的國家，因此也是滑坡災害多發的國家，滑坡給我國造成的損失也非常嚴重。近年來，由于基礎建設的需要，特別是三峽工程的建設，很多庫區內的邊坡在水庫蓄水和人工建設的多重因素的影響下，穩定狀態會發生改變，從而會危及到水庫及庫區內人民的財產和安全。本文選取樂昌峽水利樞紐滑坡為研究對象，采用多種方法對其穩定性問題進行綜合研究，從而可為其治理提供可靠依據，還可為其他庫岸滑坡的穩定性研究提供參考。
關鍵詞：庫水變化 滑坡穩定性 涌浪預測
1.工程概況
樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省韶關市樂昌境內北江支流武水樂昌峽河段內，壩址地處塘角車站附近，下距樂昌市區約14km、韶關市區約81.4km。是北江上游關鍵性防洪控制工程，是以防洪、發電為主，兼顧航運、灌溉等綜合利用的樞紐工程。防洪庫容為2.1129億m3，總庫容為3.4389億m3，水庫迴水全長61.69km，電站裝機容量為132MW，正常蓄水位為154.5m。
樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，主要由攔河大壩、引水系統、發電廠房、上游過壩碼頭等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高84.6m，壩頂長256.0m;引水系統位于壩址左岸，引水、尾水隧洞均采用一管一機的布置型式。地下廠房位于左壩頭微風化巖體內，內裝3臺單機容量為44MW的水輪發電機組。
2.工程地質條件
鵝公帶古滑坡體位于塘角壩址上游1.3km，分布在右岸，滑坡體總方量約240萬m3。根據勘察成果，鉆孔和地表測繪揭露存在古滑動帶，地貌上存在“雙溝同源”，地下水活躍，有多處泉水出露點，地表水下滲，前、后緣滑坡體特征明顯。地面產生的裂縫為受強降雨影響產生的淺層開裂和局部塌陷，多沿基巖與坡積、風化土界面分段開裂，未見整體變形跡象，目前處于穩定狀態。
根據鉆探、洞探和地面測繪等資料，圈定滑坡體范圍，滑體性質和滑帶特征。滑帶為含砂粘土～粘土質砂～粘土質礫夾層，位于全風化帶與強風化帶分界上，厚30cm～100cm不等，為棕褐、棕黃色礫質粘土，呈硬塑～堅硬狀，礦物成份由水云母和石英組成，基質水云母、絹云母受擠壓而稍呈定向排列，構成頁理，土塊中出現一些巖石碎塊稍具碾磨化特點，可能為動力破碎產物。礫石礫徑2cm～3cm不等，次棱角狀，具一定磨圓度。滑坡體前緣粘土質砂～粘土質礫破碎帶中的礫石，礫徑1cm～3cm不等，次棱角狀，具一定磨圓度，這些表明夾層發生過錯動，為滑動面(帶)。在論證滑坡體穩定性時，以全風化與強風化帶分界面(后緣)及粘土質砂～粘土質礫破碎帶夾層連成一滑動面，作為鵝公帶滑坡體的古滑動面。
3.穩定性分析
3.1巖土物理力學指標建議值
土體強度指標及變化規律是重要的評價依據，同時考慮巖土體的變形和滲透，鵝公帶古滑坡體各巖土層計算參數的選取，考慮試驗資料和古滑坡體現狀，及類似工程經驗和穩定分析反算，經綜合分析確定，其中滑帶土抗剪強度為參考反復剪殘余強度綜合分析確定，鵝公帶古滑坡體各巖土層物理力學指標建議值如表1。
表1 鵝公帶古滑坡體巖土物理力學指標建議值
分
層 |
容重(×9.8kN/m3) |
滲透系數
(cm/s) |
抗剪強度(有效應力) |
抗剪強度(飽和快剪) |
|
天然容重 |
飽和容重 |
摩擦角φ/φ¢(°) |
粘聚力
c¢(kPa) |
摩擦角
φ(°) |
粘聚力
(kPa) |
|
滑體 |
2.10 |
2.18 |
1.2×10-4 |
30 |
23 |
29.7 |
20 |
|
滑帶 |
2.08 |
2.15 |
8.5×10-5 |
26.5 |
14 |
26 |
15 |
|
基巖 |
2.69 |
2.71 |
1.8×10-4 |
40 |
300 |
／ |
／ |
3.2 參數反算及敏感性分析
由于取樣的局限及室內三軸試驗條件限制，為了更好地了解強度參數對穩定分析的影響，需對滑坡進行參數的敏感性分析，并在此基礎上，通過反算法對所推薦的強度參數值進行復核和修正。對鵝公帶滑坡體用SLIDE邊坡穩定分析計算程序，同時用Janbu法和Morgenstern-Price(M-P)法進行反算分析，成果詳見表2～表4。
表2 不同粘聚力下滑坡的安全系數
剖面
編號 |
強度參數組合 |
安全系數
計算值 |
剖面
編號 |
強度參數組合 |
安全系數
計算值 |
|
摩擦角(°) |
粘聚力
(kPa) |
Janbu法 |
M-P法 |
摩擦角(°) |
粘聚力(kPa) |
Janbu法 |
M-P法 |
|
2-2 |
26.5 |
0 |
1.065 |
1.081 |
3-3 |
26.5 |
0 |
1.085 |
1.075 |
|
5 |
1.083 |
1.097 |
5 |
1.106 |
1.095 |
|
10 |
1.113 |
1.101 |
10 |
1.126 |
1.116 |
|
15 |
1.131 |
1.119 |
15 |
1.145 |
1.136 |
|
20 |
1.148 |
1.137 |
20 |
1.167 |
1.158 |
|
25 |
1.166 |
1.155 |
25 |
1.185 |
1.177 |
|
30 |
1.184 |
1.173 |
30 |
1.205 |
1.197 |
表3 假定安全系數下強度參數反算結果
|
剖面編號 |
安全
系數 |
Janbu法反算結果 |
M-P法反算結果 |
粘聚力
(kPa) |
摩擦角
(°) |
粘聚力
(kPa) |
摩擦角
(°) |
|
剖面2-2 |
1 |
18 |
23.45 |
18 |
23.66 |
|
0 |
24.8 |
0 |
25.1 |
|
10 |
24.05 |
10 |
24.28 |
|
1.10 |
18 |
25.69 |
18 |
25.9 |
|
6.5 |
26.5 |
9.8 |
26.5 |
|
10 |
26.32 |
10 |
26.45 |
|
1.20 |
18 |
27.75 |
18 |
27.95 |
|
34.3 |
26.5 |
37.5 |
26.5 |
|
10 |
28.36 |
10 |
28.57 |
|
剖面3-3 |
1 |
18 |
23.25 |
18 |
23.26 |
|
0 |
24.65 |
0 |
24.9 |
|
10 |
23.87 |
10 |
24.07 |
|
1.10 |
18 |
25.3 |
18 |
25.5 |
|
4.1 |
26.5 |
5.7 |
26.5 |
|
10 |
26.12 |
10 |
26.32 |
|
1.20 |
18 |
27.35 |
18 |
27.56 |
|
28.6 |
26.5 |
30.3 |
26.5 |
|
10 |
28.16 |
10 |
28.35 |
表4 不同摩擦角滑坡的安全系數
剖面
編號 |
強度參數
組合 |
安全系數
計算值 |
剖面
編號 |
強度參數
組合 |
安全系數
計算值 |
|
粘聚力(kPa) |
摩擦角(°) |
Janbu法 |
M-P法 |
粘聚力(kPa) |
摩擦角(°) |
Janbu法 |
M-P法 |
|
剖面2-2 |
14 |
20 |
0.826 |
0.814 |
剖面3-3 |
14 |
20 |
0.849 |
0.842 |
|
21 |
0.869 |
0.856 |
21 |
0.893 |
0.885 |
|
22 |
0.912 |
0.899 |
22 |
0.937 |
0.930 |
|
23 |
0.956 |
0.942 |
23 |
0.981 |
0.975 |
|
24 |
1.000 |
0.987 |
24 |
1.025 |
1.020 |
|
25 |
1.044 |
1.028 |
25 |
1.071 |
1.062 |
|
26 |
1.091 |
1.083 |
26 |
1.118 |
1.109 |
|
27 |
1.138 |
1.119 |
27 |
1.165 |
1.157 |
|
28 |
1.186 |
1.165 |
28 |
1.216 |
1.205 |
|
29 |
1.235 |
1.213 |
29 |
1.263 |
1.255 |
|
30 |
1.280 |
1.260 |
30 |
1.312 |
1.302 |
根據計算分析結果可以得知：影響滑坡穩定的關鍵強度因素是滑帶土的內摩擦角，摩擦角的大小對滑坡的穩定最為敏感;粘聚力對穩定計算有一定影響，但影響很微小，不敏感。因此，正確選取滑帶土摩擦角是穩定分析的關鍵所在。
根據計算結果，并結合滑坡體的現狀，地質勘察所推薦的滑坡穩定計算的強度參數是比較合理的。
3.3 滑坡涌浪預測
庫岸滑坡激起涌浪波高計算，至今尚未圓滿解決。水利水電科學研究院參考了加拿大麥卡壩、美國利貝壩和奧地利吉帕施壩的涌浪試驗資料，并根據碧口、拓溪和費爾澤(阿)壩涌浪試驗資料，結合拓溪塘巖光滑坡的原型觀測成果發現，水庫滑坡的滑速和滑體的體積是影響涌浪高度的主要因素，該方法亦稱經驗公式法。本次采用經驗公式法和潘家錚法，對可能失穩的鵝公帶、松山子滑坡坡體進行滑落時涌浪波高預測，各滑坡體參數選取及預測結果詳見表5～表6。
表5 潘家錚法涌浪計算參數及預測結果
滑坡體
計算參數 |
鵝公帶滑坡 |
|
庫面寬度B |
220 |
|
滑坡體長 |
240 |
|
滑坡體半長l |
120 |
|
平均水深d |
40 |
滑體平均厚度 |
35 |
滑速 |
11.3 |
|
對岸最大涌浪高度（m） |
13.02 |
|
壩址最大涌浪高度（m） |
0.63 |
表6 經驗公式法涌浪計算參數及預測結果
滑 坡
參 數 |
鵝公帶滑坡 |
|
滑速(m/s) |
11.3 |
|
滑體體積(萬m3） |
120 |
|
綜合影響因素 |
0.12 |
|
對岸最大涌浪高度（m） |
5.9 |
|
壩址最大涌浪高度（m） |
1.3 |
3.4 岸坡穩定性評價
本次分別采用SLIDE和Stab2008邊坡穩定分析計算程序，同時用Janbu法和Morgenstern-Price(M-P)法對古滑坡進行穩定復核分析計算，詳見表7。
表7 各水位工況滑坡的安全系數(沿滑面整體滑動)
|
工程部位 |
計算程序 |
正 常 運 用 條 件 |
非常運用條件 |
|
天然狀態 |
正常高
蓄水位 |
防洪限
制水位 |
死水位 |
設計洪水位 |
水位驟降 |
校核
洪水位 |
水位驟降 |
|
|
154.5m |
144.5m |
141.5m |
162.5m |
154.5m→
←144.5m |
164.4m |
154.5m→
←141.5m |
|
M-P法 (Janbu法) |
M-P法 |
|
2-2 |
SLIDE |
1.142
(1.128) |
1.080
(1.056) |
1.036
(1.021) |
1.077
(1.059) |
|
1.042
(1.016) |
|
1.042
(1.015) |
|
3-3 |
1.158
(1.149) |
1.040
(1.009) |
1.079
(1.057) |
1.065
(1.046) |
|
0.979
(0.960) |
|
0.959
(0.943) |
|
2-2 |
Stab
2008 |
1.19 |
1.10 |
1.09 |
|
1.12 |
1.07 |
1.13 |
1.06 |
|
3-3 |
1.18 |
1.05 |
1.05 |
|
1.06 |
0.97 |
1.07 |
0.96 |
注：SLIDE程序計算控制標準為1:1.15;Stab2008程序計算正常運用條件控制標準為1:1.1，非常運用條件控制標準為1:1.05。
根據計算成果可知，鵝公帶滑坡在蓄水后其安全系數較低，但接近規范要求，在水位驟降時，安全系數不滿足規范要求，因此古滑坡在水庫水位驟降的情況下穩定性差，可能失穩。
通過對古滑坡前緣滑體搜索最危險滑弧穩定計算，其穩定系數都大于古滑動面，古滑動面是滑坡體的主要滑動面。由于古滑坡體呈現臺階式，為牽引坐落型，滑體前部深厚，古滑面平緩與河床高程接近，滑體為土夾石松散體，經分析計算，在庫水位驟降時最危險，會產生局部坍落，但預測不會產生整體大規模滑動，也不會產生高速滑坡。穩定分析計算達到了庫岸的穩定重新復核和評價的目的。
對鵝公帶岸坡一旦發生滑動后產生危害性作預測分析，根據能量轉換原理估計鵝公帶可能產生的滑速為11.3m/s，用兩種方法計算預測涌浪高度，鵝公帶對岸產生最大涌浪約5.9m～13.02m，不考慮河道彎曲對波浪傳遞阻擋影響下，估算傳至壩前最大涌浪為0.63m～1.30m。假設古滑坡復活整體滑動產生的涌浪傳至壩前最大涌浪水位遠低于大壩設計校核洪水位(164.4m)，不會產生翻壩事故。滑坡對應河谷較寬闊，估算不會產生鎖庫現象。而且，根據穩定分析成果，古滑坡在蓄水后水位驟降時穩定性變差，古滑坡前段滑床平緩，與河床相連，不具備產生整體高速滑動的條件。
4.結論建議
靠近樞紐建筑物的古滑坡按《水利水電工程邊坡設計規范》SL386-2007定為4級邊坡。鵝公帶古滑體是嚴重風化破碎松散體，天然狀態是穩定的。在水庫蓄水后，通過穩定分析計算，岸坡的穩定性變差。水庫蓄水后邊界條件改變，滑體前緣被庫水淹沒深50m左右，容重減小，降低了阻滑力;水庫蓄水，使地下水位壅高，水位驟降時，坡體內地下水產生較大滲透壓力，地下水也惡化了滑面的力學強度，這些是使古滑坡穩定性變差的主要因素。現在古滑坡體坡面呈臺階段式，上面有農田和房屋，前緣深厚，滑面與河床相連，推測在蓄水后或水位驟降時可能會在古滑體前緣局部產生牽引式塌岸，進而可能會產生連鎖反應，引起大范圍岸坡失穩現象。雖然預測古滑坡不會發生整體大規模滑動，對樞紐建筑物不會產生破壞性影響，但是大范圍的庫岸變形對生態景觀會產生破壞、產生水土流失等，樞紐電站的引水口較低，滑坡體堆積物可能會淤積堵塞進水口，對電站運行產生一些影響。因此，為確保人民生命財產安全，建議對蓄水后和水位驟降工況穩定性差的鵝公帶古滑坡采取適當的防治處理措施，建議對水下邊坡采取壓坡處理，水上邊坡進行修整，布設適當的排水設施等。建議加強鵝公帶岸坡的變形監測工作，以便及時了解穩定情況。
參考文獻：
(1)樂昌峽水利樞紐工程初步設計報告(工程地質)，廣東省水利電力勘測設計研究院，2009.3.
(2)樂昌峽古滑坡體穩定性影響研究，暨南大學，2010.5.
