乐昌峡鹅公带古滑坡体稳定性研究
摘要：滑坡稳定性问题是百余年以来工程地质及岩土工程研究领域的一个备受关注的挑战性课题。由于滑坡灾害造成的损失相当大，而我国是一个多山、多丘陵的国家，因此也是滑坡灾害多发的国家，滑坡给我国造成的损失也非常严重。近年来，由于基础建设的需要，特别是三峡工程的建设，很多库区内的边坡在水库蓄水和人工建设的多重因素的影响下，稳定状态会发生改变，从而会危及到水库及库区内人民的财产和安全。本文选取乐昌峡水利枢纽滑坡为研究对象，采用多种方法对其稳定性问题进行综合研究，从而可为其治理提供可靠依据，还可为其他库岸滑坡的稳定性研究提供参考。
关键词：库水变化 滑坡稳定性 涌浪预测
1.工程概况
乐昌峡水利枢纽工程位于广东省韶关市乐昌境内北江支流武水乐昌峡河段内，坝址地处塘角车站附近，下距乐昌市区约14km、韶关市区约81.4km。是北江上游关键性防洪控制工程，是以防洪、发电为主，兼顾航运、灌溉等综合利用的枢纽工程。防洪库容为2.1129亿m3，总库容为3.4389亿m3，水库迴水全长61.69km，电站装机容量为132MW，正常蓄水位为154.5m。
枢纽工程为Ⅱ等大(2)型工程，主要由拦河大坝、引水系统、发电厂房、上游过坝码头等建筑物组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高84.6m，坝顶长256.0m;引水系统位于坝址左岸，引水、尾水隧洞均采用一管一机的布置型式。地下厂房位于左坝头微风化岩体内，内装3台单机容量为44MW的水轮发电机组。
2.工程地质条件
鹅公带古滑坡体位于塘角坝址上游1.3km，分布在右岸，滑坡体总方量约240万m3。根据勘察成果，钻孔和地表测绘揭露存在古滑动带，地貌上存在“双沟同源”，地下水活跃，有多处泉水出露点，地表水下渗，前、后缘滑坡体特征明显。地面产生的裂缝为受强降雨影响产生的浅层开裂和局部塌陷，多沿基岩与坡积、风化土界面分段开裂，未见整体变形迹象，目前处于稳定状态。
根据钻探、洞探和地面测绘等资料，圈定滑坡体范围，滑体性质和滑带特征。滑带为含砂粘土～粘土质砂～粘土质砾夹层，位于全风化带与强风化带分界上，厚30cm～100cm不等，为棕褐、棕黄色砾质粘土，呈硬塑～坚硬状，矿物成份由水云母和石英组成，基质水云母、绢云母受挤压而稍呈定向排列，构成页理，土块中出现一些岩石碎块稍具碾磨化特点，可能为动力破碎产物。砾石砾径2cm～3cm不等，次棱角状，具一定磨圆度。滑坡体前缘粘土质砂～粘土质砾破碎带中的砾石，砾径1cm～3cm不等，次棱角状，具一定磨圆度，这些表明夹层发生过错动，为滑动面(带)。在论证滑坡体稳定性时，以全风化与强风化带分界面(后缘)及粘土质砂～粘土质砾破碎带夹层连成一滑动面，作为鹅公带滑坡体的古滑动面。
3.稳定性分析
3.1岩土物理力学指标建议值
土体强度指标及变化规律是重要的评价依据，同时考虑岩土体的变形和渗透，鹅公带古滑坡体各岩土层计算参数的选取，考虑试验资料和古滑坡体现状，及类似工程经验和稳定分析反算，经综合分析确定，其中滑带土抗剪强度为参考反复剪残余强度综合分析确定，鹅公带古滑坡体各岩土层物理力学指标建议值如表1。
表1 鹅公带古滑坡体岩土物理力学指标建议值
分
层 |
容重(×9.8kN/m3) |
渗透系数
(cm/s) |
抗剪强度(有效应力) |
抗剪强度(饱和快剪) |
|
天然容重 |
饱和容重 |
摩擦角φ/φ¢(°) |
粘聚力
c¢(kPa) |
摩擦角
φ(°) |
粘聚力
(kPa) |
|
滑体 |
2.10 |
2.18 |
1.2×10-4 |
30 |
23 |
29.7 |
20 |
|
滑带 |
2.08 |
2.15 |
8.5×10-5 |
26.5 |
14 |
26 |
15 |
|
基岩 |
2.69 |
2.71 |
1.8×10-4 |
40 |
300 |
／ |
／ |
3.2 参数反算及敏感性分析
由于取样的局限及室内三轴试验条件限制，为了更好地了解强度参数对稳定分析的影响，需对滑坡进行参数的敏感性分析，并在此基础上，通过反算法对所推荐的强度参数值进行复核和修正。对鹅公带滑坡体用SLIDE边坡稳定分析计算程序，同时用Janbu法和Morgenstern-Price(M-P)法进行反算分析，成果详见表2～表4。
表2 不同粘聚力下滑坡的安全系数
剖面
编号 |
强度参数组合 |
安全系数
计算值 |
剖面
编号 |
强度参数组合 |
安全系数
计算值 |
|
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 假定安全系数下强度参数反算结果
|
剖面编号 |
安全
系数 |
Janbu法反算结果 |
M-P法反算结果 |
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数
剖面
编号 |
强度参数
组合 |
安全系数
计算值 |
剖面
编号 |
强度参数
组合 |
安全系数
计算值 |
|
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 |
根据计算分析结果可以得知：影响滑坡稳定的关键强度因素是滑带土的内摩擦角，摩擦角的大小对滑坡的稳定最为敏感;粘聚力对稳定计算有一定影响，但影响很微小，不敏感。因此，正确选取滑带土摩擦角是稳定分析的关键所在。
根据计算结果，并结合滑坡体的现状，地质勘察所推荐的滑坡稳定计算的强度参数是比较合理的。
3.3 滑坡涌浪预测
库岸滑坡激起涌浪波高计算，至今尚未圆满解决。水利水电科学研究院参考了加拿大麦卡坝、美国利贝坝和奥地利吉帕施坝的涌浪试验资料，并根据碧口、拓溪和费尔泽(阿)坝涌浪试验资料，结合拓溪塘岩光滑坡的原型观测成果发现，水库滑坡的滑速和滑体的体积是影响涌浪高度的主要因素，该方法亦称经验公式法。本次采用经验公式法和潘家铮法，对可能失稳的鹅公带、松山子滑坡坡体进行滑落时涌浪波高预测，各滑坡体参数选取及预测结果详见表5～表6。
表5 潘家铮法涌浪计算参数及预测结果
滑坡体
计算参数 |
鹅公带滑坡 |
|
库面宽度B |
220 |
|
滑坡体长 |
240 |
|
滑坡体半长l |
120 |
|
平均水深d |
40 |
滑体平均厚度 |
35 |
滑速 |
11.3 |
|
对岸最大涌浪高度（m） |
13.02 |
|
坝址最大涌浪高度（m） |
0.63 |
表6 经验公式法涌浪计算参数及预测结果
滑 坡
参 数 |
鹅公带滑坡 |
|
滑速(m/s) |
11.3 |
|
滑体体积(万m3） |
120 |
|
综合影响因素 |
0.12 |
|
对岸最大涌浪高度（m） |
5.9 |
|
坝址最大涌浪高度（m） |
1.3 |
3.4 岸坡稳定性评价
本次分别采用SLIDE和Stab2008边坡稳定分析计算程序，同时用Janbu法和Morgenstern-Price(M-P)法对古滑坡进行稳定复核分析计算，详见表7。
表7 各水位工况滑坡的安全系数(沿滑面整体滑动)
|
工程部位 |
计算程序 |
正 常 运 用 条 件 |
非常运用条件 |
|
天然状态 |
正常高
蓄水位 |
防洪限
制水位 |
死水位 |
设计洪水位 |
水位骤降 |
校核
洪水位 |
水位骤降 |
|
|
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程序计算控制标准为1:1.15;Stab2008程序计算正常运用条件控制标准为1:1.1，非常运用条件控制标准为1:1.05。
根据计算成果可知，鹅公带滑坡在蓄水后其安全系数较低，但接近规范要求，在水位骤降时，安全系数不满足规范要求，因此古滑坡在水库水位骤降的情况下稳定性差，可能失稳。
通过对古滑坡前缘滑体搜索最危险滑弧稳定计算，其稳定系数都大于古滑动面，古滑动面是滑坡体的主要滑动面。由于古滑坡体呈现台阶式，为牵引坐落型，滑体前部深厚，古滑面平缓与河床高程接近，滑体为土夹石松散体，经分析计算，在库水位骤降时最危险，会产生局部坍落，但预测不会产生整体大规模滑动，也不会产生高速滑坡。稳定分析计算达到了库岸的稳定重新复核和评价的目的。
对鹅公带岸坡一旦发生滑动后产生危害性作预测分析，根据能量转换原理估计鹅公带可能产生的滑速为11.3m/s，用两种方法计算预测涌浪高度，鹅公带对岸产生最大涌浪约5.9m～13.02m，不考虑河道弯曲对波浪传递阻挡影响下，估算传至坝前最大涌浪为0.63m～1.30m。假设古滑坡复活整体滑动产生的涌浪传至坝前最大涌浪水位远低于大坝设计校核洪水位(164.4m)，不会产生翻坝事故。滑坡对应河谷较宽阔，估算不会产生锁库现象。而且，根据稳定分析成果，古滑坡在蓄水后水位骤降时稳定性变差，古滑坡前段滑床平缓，与河床相连，不具备产生整体高速滑动的条件。
4.结论建议
靠近枢纽建筑物的古滑坡按《水利水电工程边坡设计规范》SL386-2007定为4级边坡。鹅公带古滑体是严重风化破碎松散体，天然状态是稳定的。在水库蓄水后，通过稳定分析计算，岸坡的稳定性变差。水库蓄水后边界条件改变，滑体前缘被库水淹没深50m左右，容重减小，降低了阻滑力;水库蓄水，使地下水位壅高，水位骤降时，坡体内地下水产生较大渗透压力，地下水也恶化了滑面的力学强度，这些是使古滑坡稳定性变差的主要因素。现在古滑坡体坡面呈台阶段式，上面有农田和房屋，前缘深厚，滑面与河床相连，推测在蓄水后或水位骤降时可能会在古滑体前缘局部产生牵引式塌岸，进而可能会产生连锁反应，引起大范围岸坡失稳现象。虽然预测古滑坡不会发生整体大规模滑动，对枢纽建筑物不会产生破坏性影响，但是大范围的库岸变形对生态景观会产生破坏、产生水土流失等，枢纽电站的引水口较低，滑坡体堆积物可能会淤积堵塞进水口，对电站运行产生一些影响。因此，为确保人民生命财产安全，建议对蓄水后和水位骤降工况稳定性差的鹅公带古滑坡采取适当的防治处理措施，建议对水下边坡采取压坡处理，水上边坡进行修整，布设适当的排水设施等。建议加强鹅公带岸坡的变形监测工作，以便及时了解稳定情况。
参考文献：
(1)乐昌峡水利枢纽工程初步设计报告(工程地质)，广东省水利电力勘测设计研究院，2009.3.
(2)乐昌峡古滑坡体稳定性影响研究，暨南大学，2010.5.
