陈 立 强

(福建华东岩土工程有限公司，福建 福州 350003)

卡拉水电站上田镇滑坡体三维稳定性分析

陈 立 强

(福建华东岩土工程有限公司，福建 福州 350003)

在研究上田镇滑坡体的成因机理及形成条件的基础上，采用FLAC3D完成了雅砻江卡拉水电站上田镇滑坡体的三维建模和稳定性分析,计算结果表明：暴雨工况下该滑坡体接近极限状态，其余各工况下滑坡体整体稳定性较好。

稳定性分析,有限差分,强度折减法,FLAC3D

0 引言

对工程建设而言，近坝址的边(滑)坡的研究，尤其是其成因机制，是深入分析、研究地质条件和工程建筑物的适宜性和对地质缺陷的处理措施[2]的重要因素。尤其是在我国加大了水电水利的建设步伐，一批巨型滑坡的工程勘察和定量分析上，使得工程进度受到严重的制约，同时对于工程的经济合理性和技术的可靠性也具有一定程度的影响。因此，正确分析巨型滑坡体的成因和稳定性，是一项十分重要而紧迫的工作[1,2]。

随着计算机技术的发展，依据其的数值模拟方法也越来越多，目前，针对滑坡体计算的数值模拟方法比较有代表性的有：流形元法(MEM)、边界元法(BEM)、离散法(DEM)、拉格朗日分析法(FLAC)、有限元法(FEM)、滑动场法、变形分析法(DDA)等[4,5]。

滑坡体地形地质条件往往较为复杂，建立与实际条件相吻合的FLAC3D模型是困扰工程设计人员的一个主要问题。在充分了解滑坡体形成过程的条件下，可以利用软件特有的建模程序，建立相对精确的几何模型，同时对各层数据添加逻辑运算，以确保各层数据不相冲突[6]。按上述方法建立了雅砻江卡拉水电站上田镇滑坡体的三维模型，工程实例表明该方法具有很高的精度。

1 工程概况

卡拉水电站工程区位于凉山州木里县雅砻江中游河段内，水库正常蓄水位高程约为1 987 m，大坝最高高程约1 992 m，最大坝高约129 m，最小坝高约121 m，装机总量约930 MW，库区回水至杨房沟水电站，整个水库区长约32.4 km，库容约2.532亿m3，调节库容约0.376亿m3。

在上坝址上、下坝线之间雅砻江右岸，上田镇滑坡体成为坝线选择的关键技术难题，其稳定性直接影响到大坝的安全。其位于距上坝址上坝线下游约0.59 km～1.13 km，距上坝址下坝线上游约0.37 km～0.91 km。后缘分布高程约2 200 m～2 230 m，后缘被后期崩坡积覆盖层覆盖。

上田镇滑坡体整体呈“U”字形，后缘分布高程约2 240 m，前缘至江边，江边无基岩出露，上、下游侧均为冲沟。

滑坡体地形前陡中缓后陡，边坡总体坡度30°～40°。据探洞揭示，滑坡体高程2 220 m以上主要为后期的崩坡积物碎石土为主，厚度一般只有8 m～13 m。中部(高程2 030 m～2 220 m)地形相对平缓，地表崩坡积较厚，滑坡堆积物主要为块石夹碎石土层、块石层，块石层呈强风化，保留原岩结构。前部地形较陡，崩坡积层较薄，滑坡堆积物主要为块石层、块石夹碎石土层，块石层呈假基岩状，呈强～弱风化，保留原岩结构。地表还发育有多条冲沟，但规模均不大。前缘无基岩出露，边界被第四系崩坡积物覆盖，厚度约10 m，推测滑坡剪出口高程大约在1 920 m～1 935 m范围。

在下游边界冲沟与下游侧基岩陡崖之间分布崩坡积体，滑坡体呈现半椭圆状，整个滑坡体宽度约为650 m，后缘高度约为2 300 m，前缘抵达至雅砻江江边，面积约为6.58万m2，滑坡体厚度约为10 m～12 m，总方量约66.8万m3。崩坡积体主要为碎石土夹块石。

在中部冲沟两侧，物质组成、滑带土分布上有所不同，故沿中部冲沟将滑坡体分为A区，B区，上游部分为A区，下游部分为B区，滑坡整体地形如图1所示。

2 滑坡体工程地质条件

坡积层一般厚1.0 m～7.0 m，呈土黄～浅黄色，干燥、透水性好，地表广泛分布，是滑坡稳定后由水的面流搬运堆积而成的物质，具有较明显的韵律结构，碎石层与含砾石粉土层交替出现，一般可分出3层～5层，最多可达8层，单层厚一般为20 cm～80 cm，碎石层以碎块石为骨架，其间充填角砾、粉砂土等，粒径较均匀，级配差、有架空，胶结度一般。块石粒径20 cm～40 cm，含量5%～20%；碎石粒径5 cm～15 cm，含量30%～60%；角砾和粉土含量20%～40%。在含砾石粉土层中，角砾和粉砂土含量为50%～80%，局部达90%以上。

滑坡体内有浅层滑带和底滑带之分。浅层滑带主要分布在滑坡体上游侧中下部的滑坡堆积碎块石夹粉质粘土层和块石层分界处，埋深一般在30 m～50 m，厚度5 cm至数米不等，主要为粉质粘土夹碎砾石，碎石含量10%～20%，干～湿，呈可塑～软塑状，中密，具有一定的泥质胶结，胶结程度一般。深层滑带位于滑坡堆积层与下伏基岩分界面上，带宽5 cm～20 cm，主要为碎砾石夹粉质粘土，碎砾石含量40%～60%，部分砾石有磨圆或擦痕，细粒的含量相对较小，粉质粘土呈可塑～硬塑状，胶结较好。与基岩接触面擦痕、镜面不明显。勘探成果显示，上田镇滑坡体A区滑带土分布范围较大，细颗粒物质相对较多，性状较差，而B区滑带土分布范围较小，性状较好。

滑坡堆积块碎石夹粉质粘土层最大埋深可达50 m，呈深灰～灰褐色，干～稍湿，密实，以块碎石为主，间隙填充角砾、粉土。块石粒径以20 cm～30 cm为主，含量10%～30%；碎石粒径以2 cm～15 cm为主，含量一般为50%～80%；砾石含量较少，但局部有集中现象；粉质粘土含量20%～30%，局部与碎砾石泥质胶结。

滑坡堆积块石层埋深3 m～80 m，主要为板岩、大理岩，由滑坡体整体滑动后岩体未完全解体而成，保持较完整连续的岩层层面，岩层产状变化大。岩体整体性较差，块径以20 cm～30 cm为主，大的可达十几米，间隙填充碎砾石与粉砂土，胶结度一般。

据地质测绘及调查，滑坡体内无地下水出露点，TD28,TD42,TD44平洞内干燥无水，雨季洞壁较为潮湿；滑坡体地下水主要以基岩裂隙水形式出现，TD27平洞内在洞深54 m～56 m处渗水，TD43平洞内在洞深91 m左右洞壁出水，流量约40 L/min～60 L/min，TD41平洞内在洞深70 m左右洞壁出水，流量约50 L/min～60 L/min。滑坡体西侧边界冲沟常年流水，枯水期水量很小，另有一条冲沟在高程2 200 m附近有少量流水渗出，被当地农民作为生活用水，坡面无泉水点出露，滑坡体内地表水分布较少。

地下水多为孔隙潜水和裂隙潜水，受大气降水补给，向雅砻江排泄。滑坡体由碎块石夹粉质粘土和块石层组成，透水性较好，据钻孔揭露，地下水埋深较深，一般在29.5 m～130.20 m之间，地下水位变幅达30 m～50 m。TD01,TD02两个平洞内部分地方有渗水，其中TD01平洞在洞深235 m处渗水量较大。

地表地质调查表明：蠕滑变形区主要分布于滑坡体中下部的临江岸坡和深切冲沟两侧，分布在高程2 100 m～2 300 m之间。滑坡体上灌木林(树高一般为2 m～5 m，树径一般为5 cm～10 cm)倾斜10°～20°，但未见明显的“马刀树”现象，而高大乔木(树高约12 m，树径约50 cm)仍近直立生长，故推断上述变形迹象应为表层局部蠕滑变形所致。垮塌带一般呈带状分布，主要分布于滑坡下游侧几条规模较大的冲沟两侧，目前在冲沟两侧依然可见垮塌堆积物和垮塌台阶。垮塌多发生在雨季，由水流的冲刷、侧蚀所致，受微地貌和降雨等因素的地表坡度较陡且覆盖层较薄部位有树木倾斜现象，但未见“马刀树”和“醉汉林”现象，通往杨房沟公路内侧边坡有局部塌滑，滑坡体整体自然边坡稳定。

3 滑坡体稳定性三维数值分析

3.1 地形数据及建模

利用上田镇滑坡体1∶1 000比例尺CAD地形图，按滑坡体范围大小，将CAD地形导出为DXF格式，归一化处理后，将坐标图点位(X，Y，Z)导出，利用命令流文件，将其导入FLAC3D中建模，即可自动完成上田镇滑坡体的三维建模。

3.2 岩土体参数取值

根据室内外试验，综合确定了模型的计算参数。影响边坡稳定的主要因素有岩体结构面产状、物理力学性质、地下水位和荷载等。其中岩体的物理力学性质对边坡稳定的影响尤为显著。由于岩体的物理力学性质具有随机性、可变性、模糊性等不确定特点，所以应对边坡稳定进行可靠度分析。本工程中将岩体的物理力学参数粘聚力、内摩擦角(鉴于边坡可靠度对重度并不敏感，因此并未对重度进行可靠度分析)作为随机变量，采用蒙特卡洛法计算边坡稳定可靠度，估算各不确定性参数的标准差，模型参数见表1。

表1 岩土体参数综合取值

3.3 滑坡体稳定性计算及分析

在FLAC3D程序中，在外荷载组合作用下，考虑天然工况、地震工况、暴雨工况、蓄水工况及蓄水+地震工况，以计算出的安全系数为判别依据。在模拟计算地震工况时，采用拟静力法，分别添加水平向和垂直向加速度，其中水平向加速度是垂直向加速度的1/3；在模拟计算暴雨工况时，提升潜水面的高度，提升高度为坡面与潜水面高差的80%；在模拟计算蓄水情况时，将蓄水位以下处理为饱和状态，而蓄水位以上则根据渗透力反算浸润曲线，从新加载地下水位高程。

天然状态下，如图2～图4所示，边坡主应力分布符合一般应力分布规律，地应力主要随岩层深度增加而增加。坡体内部最大压应力为8.0 MPa。坡表出现少量拉应力区，主要出现在边坡中上部，最大拉应力值为0.008 9 MPa。自然边坡塑性区少量分布在坡脚和滑坡后缘，安全系数为1.42，表明天然状态下该边坡的整体稳定性好。

在地震条件下，通过计算得知，滑坡处于临界失稳状态时，最大剪切应变率和位移量均发生在滑坡中下部区域，坡体的破坏模式为局部失稳，深度较小。滑坡稳定安全系数为1.34，较天然工况略为减小，整体稳定性较好。

在暴雨工况下，滑坡处于临界失稳状态时，最大位移量均发生在滑坡体中部，坡体的破坏模式为局部失稳，深度较小。边坡稳定安全系数为1.17，较天然工况略为减小。最大剪切应变的位置在坡体前沿，滑动深度不大，主要出现在坡脚处。其可能发生浅层整体滑动破坏，发生屈服的单元都是因为受剪，主要分布在坡体前沿地表和浅部岩体中，坡体后沿地表也有少量分布。

在蓄水工况下，滑坡处于临界失稳状态时，最大位移量和最大剪切应变的位置在坡体前沿，滑动深度不大，主要出现在坡脚处。其可能发生浅层整体滑动破坏，坡体发生局部破坏，破坏模式为局部失稳，破坏时局部位移量较大，但是滑动部位均处于正常蓄水位以下，边坡稳定安全系数为1.12，较天然工况略为减小，但是整体呈现一种稳定状态。

在蓄水+地震工况下，滑坡处于临界失稳状态时，最大位移量和最大剪切应变率的位置在坡体前沿，滑动深度不大，主要出现在坡脚处。其可能发生浅层整体滑动破坏，且滑动部位均处于正常蓄水位以下，边坡稳定安全系数为1.06，比前几种工况都要小，稳定性较差。

4 结语

分析了上田镇滑坡体的成因及形成条件，在此基础上采用FLAC3D对上田镇滑坡体进行了三维建模和稳定性分析，可得出如下结论：

1)计算结果表明，暴雨工况下该滑坡体接近极限状态，其他各工况下滑坡体整体稳定性较好，数值计算与定性判断的结果基本一致。

2)蓄水、蓄水+地震工况下，正常蓄水位以下局部失稳的可能性较大。天然工况蓄水前自然边坡整体稳定性较高，整体抗滑稳定安全系数为1.185～1.248，接近于规范要求设计安全系数1.20，大于《水电水利工程边坡设计规范》A类枢纽工程区边坡Ⅱ级设计持久工况安全系数下限值1.15；蓄水后自然边坡整体抗滑稳定安全系数为1.087～1.110，均小于规范要求设计安全系数1.20，表明边坡存在局部失稳的可能。

3)上田镇滑坡体自然边坡蓄水前各工况的抗滑稳定安全系数总体满足规范要求，自然边坡存处于稳定状态；自然边坡蓄水后各工况的抗滑稳定安全系数均大于1.0，但不满足规范要求，自然边坡处于极限平衡状态；通过设计上提出的防治(支护)方案处理后，该滑坡体工程边坡在完建工况、完建工况暴雨、完建工况50年内超越概率10%地震以及正常运行(蓄水)工况、正常运行(蓄水)工况暴雨、正常运行(蓄水)工况50年内超越概率10%地震作用下总体处于稳定状态。建议对上田镇滑坡体各工况进行综合治理，可对其进行削坡减载和增设抗滑桩以对滑坡体稳定性进行改善。

[1] 陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理·方法·程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[2] 杨 建，周志芳.紫坪铺水利枢纽工程重大工程地质问题研究[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

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[5] Cundall P A.Adaptive Density-Scaling for Time-Explicit Calculations[A].Proceedings of the 4th International Conference on Numerical Methods in Geomechanics[C].Edmonton,1982：23-26.

[6] Cundall P A.Distinct Element Models of Rock and Soil Structure.Analytical and Computational Methods in Engineering Rock Mechanics，Chapter4[M].London,1987：129-163.

3D modeling and stability calculation based on surfer interpolation of Shangtian town slope of Kala hydropower station

CHEN Li-qiang

(FujianHuadongGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Fuzhou350003,China)

On the basis of studying Shangtian town landslide mechanism and forming conditions, the paper accomplishes its three-dimensional modeling and stability analysis of Yalongjiang Kala hydropower station by applying FLAC3D. The calculation results show that: the landslide approaches limit condition under rainstorm construction condition; landslide integrity stability is better under other construction conditions.

stability analysis, finite difference, strength reduction method, FLAC3D

1009-6825(2014)30-0071-04

2014-08-20

陈立强(1971- )，男，高级工程师

TU413.62

A