紫坪铺水利枢纽工程研究-覆盖层滑坡机制

2号泄洪洞(导流洞)出口位于坝址右岸条形山脊下游侧,地貌上为F3断层带所形成的槽谷下部。边坡下部约778m高程为原213国道,750m高程为国道临时改道1号公路,2001年6～7月进行的边坡开挖使基岩与覆盖层界线暴露于边坡上,切断了覆盖层边坡坡脚抗力体、未及时采取有效支护处理,在连续降雨、施工及生活用水下渗、边坡和洞室开挖爆破振动等影响下造成该边坡的早期变形,以后变形自下部不断向上发展,形成多个变形区,最终Ⅰ、Ⅱ区发展成了滑坡,并先后产生了4次滑动,尽管当时绕坝公路未形成,下方即为车流量极大的213国道,但地质工程师对4次滑坡都进行了准确预报,避免了事故的发生。Ⅲ、Ⅳ区未发展成滑坡,后对出口边坡采取了相应的工程处理。

9.2.5.1 基本地质条件

2号泄洪洞出口后边坡分布了大量的覆盖层。以覆盖层斜坡为主,自然坡度30°～45°,覆盖层厚度为10～27m,由崩坡积块碎石土和碎石土组成。碎石土主要分布在F3断层带槽谷内。

基岩主要出露于上游侧的陡壁和较高的部位上,其他部位零星出露；边坡基岩为三叠系上统须家河组的含煤砂页岩。

除沿负地形槽谷分布宽大的F3断层带外(见图9-11、图9-12),边坡下部有L7、L8,边坡上部尚有L9、L10等层间剪切错动带分布。

图9-11 2号导流洞出口边坡平面地质简图

图9-12 滑坡区典型剖面示意图(纵4—4)

地下水类型为覆盖层中孔隙性潜水,地下水位埋深相对较浅,一般5～10m。地表发现3处泉水出露,分布于F3断层范围内或边缘。平时流量较小,以滴状或线状水方式排泄,在暴雨天观测,位于F3断层带边缘的泉水点水量较大,呈大股状涌出。

前期地质调查表明出口部位地貌上无滑坡形态,自然坡体处于稳定状态,施工开挖揭露的情况和前期勘探成果是基本吻合的。

9.2.5.2 边坡变形破坏过程和分区

2001年6～7月进行的边坡开挖使基岩和覆盖层界线暴露于边坡上,切断了覆盖层边坡坡脚抗力体,未及时采取有效支护处理,在连续降雨、施工及生活用水下渗、边坡和洞室开挖爆破振动等影响下造成该边坡的早期变形。边坡的变形最早是从开挖坡面开始的,以后边坡的变形自边坡下部不断向上发展,变形范围不断扩大,变形逐渐加剧,形成多个变形区,最终Ⅰ、Ⅱ区发展成了滑坡,并先后产生了4次滑动。综合分析表明,边坡的变形破坏和滑坡均是沿着基岩与覆盖层界面进行(见彩插图No.35),具有“牵引”的特点和低速滑坡的性质。

根据拉裂变形区的分布及对工程的危害和滑动方向的不同及滑动先后次序,可将变形边坡分为滑动区、危险区、潜在危险区和潜在变形区等(见图9-11)。

滑动区(Ⅰ区):2001年6月23日产生滑坡,从滑坡范围看,已滑动部位高程在788～834m之间的现开挖边坡范围内,平面长70m,宽33～42m,厚度约10m,初估方量约1.2万～1.5万m3；主滑动方向S75°E,滑坡后缘陡坎高约10m,最大滑距约20m。属覆盖层土体沿其基岩接触面产生的滑动。

滑动区(Ⅱ区):按分布特征及滑动方向的不同,可分为2个亚区。Ⅱ1区位于F3断层带槽谷中部一带,自然坡度相对较缓,为30°～35°,覆盖层厚度相对较薄10～12m；Ⅱ2区位于Ⅰ区靠上游侧一带,自然边坡相对较陡,地形坡度约40°～50°,地表为崩坡积成因的块碎石土,厚度15～25m。

危险区(Ⅲ1区):位于滑动区Ⅱ1区上部至老乡民房一带,自然边坡相对较缓,地形坡度约30°,地表为崩坡积成因的块碎石土,厚度10～15m,2001年7月4日再次地表调查发现后缘沿民房正中的较连续拉裂缝宽1～5cm,局部宽达10～20cm,延伸长达70m,分布最高高程大约887m,除此外坡体内还断续分布有一些相对较小的拉裂缝。

潜在危险区(Ⅲ2区):位于Ⅲ1区上部,自然边坡亦相对较缓,地形坡度约25°～30°,地表为崩坡积成因的块碎石土,厚度10～17m。后缘902m高程逐渐发展形成了较连续的裂缝,宽1～5cm,局部宽达10～20cm,平面变形长约80m,宽15～40m,体积约2.4万m3。

9.2.5.3 滑坡的形成机制分析

通过上面的专门地质调查,结合前期地勘工作成果综合分析认为:泄洪洞出口开挖边坡及上部土体已出现的滑坡及变形破坏,是由于覆盖层土体沿着基岩和覆盖层交界处出现蠕滑牵引式变形而形成的。Ⅰ、Ⅱ区已形成覆盖层滑坡,Ⅲ、Ⅳ区已经出现明显的变形开裂现象,如果不及时采取工程措施,任其发展,近期可能再次产生覆盖层滑坡。关于覆盖层发生变形开裂和滑坡产生的机理,是因为边坡覆盖层底部存在性状较差的F3断层带,且有透水性较弱的崩坡残堆积的块碎石土堆积其上,底面倾角较大(30°～45°),施工开挖使基岩和覆盖层界线暴露于边坡上,切断了覆盖层边坡坡脚抗力体、未及时采取有效支护处理、施工及生活用水下渗、连续降雨、边坡和洞室开挖爆破振动等影响所造成。

9.2.5.4 滑坡临滑预报

(1)滑坡预报方法。已有滑坡预报方法较多,如斋腾模型、灰色模型、分维模型、灾变模型、V氏模型、V氏反函数模型、非线性预报、实时跟踪预报、系统综合预报、全息综合预报等,然而准确滑坡临滑成功预报事例仍少见。

在前人研究基础上,我们认为滑坡预报与斜坡的变形破坏特征、性质、范围和分区以及变形破坏模式和成因机制等密不可分,设置的监测网(点)要具有代表性。对滑坡、变形区考虑了地表位移监测点,采用精度较高的红外仪进行自动观测,每隔2h采集1次数据。监测数据的整理采用累加生成法(AGO)得到“累积位移—时间曲线”,并采用多种数学方法拟合建立多项式预报模型,然而单靠预报模型仍是不够的。

这是因为覆盖层土体的变形破坏过程是非常复杂的,大变形和土体变形的不均匀性是客观存在的事实,此次高频次和高精度的变形监测表明了土体位移变形过程是非等速的。

通过分析认为这种非等速性是很难用数学表达式(模型)来完全表述的,亦就是以前的各种预报方法很难准确预报的原因之一。土体在变形过程中表现出一定的塑性变形特征,能量有积聚和释放的转换过程,土体滑坡之前亦有转动的现象,变形一定会出现异常情况,这种异常却恰好反映了土体的变形破坏性质,这种异常点就具有非常重要的物理意义,属于土体破坏失稳前兆反映。因此,可在采用累加生成法得到的“时间—累积位移曲线”上寻找到位移变化的异常点,滑坡预报可根据预报模型结合异常特征点进行。我们将上述滑坡从变形机制——监测——模型——位移曲线异常分析——预报的过程称之为“滑坡监控预报法”。用于紫坪铺2号泄洪洞出口边坡滑坡的临滑预报。

(2)监测网布置。地质分析认为坡体的变形和失稳均是沿着覆盖层与基岩界面进行的,而且有变形发展速度较快的特点,在监测手段方面考虑了单一的表面位移观测。逐渐完善了整个滑坡变形区和外围区共计35个地表位移观测点(见图9-11),形成了较合理的观测网,为滑坡失稳预报和坡体变形稳定分析提供了可靠的第一手资料。

建网初期,每隔3h观测1次,由于坡体变形量较大,因该部位位置特别重要,下面即为213国道,为搞好预测预报工作,2001年7月3日后采用了较先进的测量仪器,精度较高,误差小于或等于3mm,进行全天24h的监控,每隔2h读1次数。8月下旬后,由于土体的变形逐渐趋于平缓,采取每隔4h观测1次基本能满足实际需要。

取得观测值后,及时对观测资料进行整理,监测资料表明2001年6月23日～7月9日,Ⅱ、Ⅲ区土体处于均匀蠕滑阶段,水平位移量7～15mm/d,这与地质工程师通过现场调查发现的地表裂缝不断增多,变形范围在不断加大,变形的高程在不断加高,表明坡体处于不稳定状态的宏观判断是一致的,与前述的稳定性分析结论亦是一致的。由于土体在不断变形,随着变形的不断积累,预测必将会产生滑坡,考虑到2001年6月的当时坡脚即为213国道,滑坡直接威胁到行车安全,因此,滑坡的临滑预报显得极为重要。

(3)滑坡临滑预报。2号泄洪洞出口边坡分别于2001年6月23日、7月14日、7月20日、7月27日产生了4次滑动。

1)第1次滑动:2号泄洪洞出口内侧开挖边坡首次于5月23日发现有变形、开裂现象,之后连续下了几场暴雨；6月20日发现内侧土质开挖边坡混凝土喷层四周出现了断续的裂缝,土体沿基岩面有5～10cm的位移,6月22日上午由于变形坡体有明显加速位移的特征,现场地质人员及时发出了失稳预报。6月23日凌晨2点左右,在开挖边坡范围内沿覆盖层与基岩接触面产生了滑动(方量约1.2万～1.5万m3)。此次滑动是通过地表变形的宏观调查判断进行的滑坡成功预报。

2)第2次滑动:在第一次Ⅰ区滑动失稳后,及时地建立起了整个变形区的变形监测网。采用了较为先进的仪器进行每隔2h1次读数的全天候观测,为地质预报打下了坚实的基础。

监测数据的整理采用累加生成法(AGO),可得到“累积位移—时间曲线”。对变形曲线分别采用多项式、乘幂、指数等数学方法拟合,根据拟合精度选择滑坡预报数学模型。如我们在7月12日对Ⅱ区土体的变形曲线(见图9-13)进行了各种数学模型的拟合(见表9-13)。

图9-13 Ⅱ1区2001年7月7～14日滑动变形破坏位移曲线

表9-13 各种数学模型拟合结果

表9-13的拟合结果表明指数和乘幂模型相关系数在0.86以下,拟合精度较差；多项式模型相关系数达0.9319～0.9958,具有较高的精度,且阶数愈高其拟合精度亦高。故选用高阶多项式数学模型为该滑坡的预报模型。

多项式预报模型的累积位移—时间方程为:

对上述方程求一阶导数,可求出位移速率v,表达式为:

根据监测资料,2001年6月23日～7月9日,Ⅱ、Ⅲ区土体处于均匀蠕滑阶段,水平位移量7～15mm/d,由于7月9日晚11时～7月11日早晨7:30分出现了连续强暴雨,雨水下渗,导致土体变形加速,水平位移量270～470mm/d,垂直位移量280～430mm/d,地形上亦出现了明显的多处变形开裂和错台现象,7月12日这种现象有进一步发展加剧的迹象,Ⅱ区后缘边界裂缝已经基本贯通形成,后缘裂缝错台下沉明显,变形曲线上出现了明显的位移异常点(见图9-13)。

根据建立的模型计算,未来24h内的位移增量可达1.2m,未来48h可达3m以上,变形速率急剧增加,显然滑坡是不可避免的,为此于同年7月12日18时发出了将于13日晚产生滑坡的失稳预报。有关单位根据地质预报提出了《2号导流洞出口边坡滑坡抢险预案》并得到执行,抢险人员和设备当晚全部到位。

7月13日22时,土体变形突然加速,进入破坏阶段,土体开始缓慢滑动,水平位移量由原来的25～40mm/h剧增到50～150mm/h,至7月14日6时,Ⅱ区土体开始出现明显下滑,6时30分下游侧土体(Ⅱ1区)产生快速滑动,滑坡物质向前明显运动,至8时停止滑动,滑动过程历时约1个半小时,水平滑距较短,约15～20m,滑坡后坎高约7～8m。上游侧土体(Ⅱ2区)滑距更小约4m,此次滑动范围仅限于Ⅱ区,沿基覆岩层界面产生滑动,与地质的分析判断一致,滑动方量估算有6.5万m3。由于滑动速度低,滑动距离短,故绝大部分物质停留在Ⅱ区,约有几千方物质堆积于Ⅰ区内,近千方物质下滑到213国道上(1号公路上)。由于地质预报的准确性相当高,加之各方面高度重视,进行了交通管制,下滑到公路上的物质得到了及时疏通,保证了坡下213国道的通行,未造成人员伤亡和财产损失。

3)第3次滑动:Ⅱ区滑动后又及时恢复了变形监测,根据Ⅱ2区变形曲线(见图9-14)具逐渐变陡的趋势,依据前述方法,建立的多项式预报模型如下:

S=-9×105t6+0.0064t5-0.1677t4+2.0141t3-10.768t2+42.319t-34.738

相关系数高达0.9941,表明模型具有较高的可信度。

对上述方程求一阶导数,可求出位移速率v,表达式为:

根据计算,未来1d内的位移量大于1m,曲线的斜率逐渐增加,我们又在变形曲线上发现了异常特征点(见图9-14),于7月19日晚又发出滑坡地质预报,准确预测了7月20日中午开始至下午18时产生的滑动(见彩插图No.36),此次滑动速度很低,仍沿着基覆界面滑动,与地质的分析判断一致,滑动方量约3万m3,垂直滑距约8～10m,由于此次防范工作做得好,滑动过程中及时中断了下面213国道的通行,未造成人员伤亡和财产损失。

图914 Ⅱ2区2001年7月18～20日滑动变形破坏位移曲线1、2—监测曲线编号

4)第4次滑动:7月27日凌晨3时开始至7月27日下午16时出现了强暴雨,降雨量达80～100mm,依上述方法原理,再次预报了7月27日12时30分～18时30分左右在下雨过程中Ⅱ2区再次产生的滑动,此时虽实行交通管制,但下面的车辆仍在一辆一辆通行,因滑动方向斜指向Ⅰ区,滑动过程中侧向下滑的岩块大多被公路内侧挡墙挡住,少量大的滚石越过挡墙到达213国道上,使得交通险情不断,但未造成人员伤亡及财产损失。

9.2.5.5 边坡稳定性分析

(1)开挖情况稳定性分析计算。滑动面采用残余抗剪强度指标内摩擦角φ=10°,粘聚力C=0.007MPa；Ⅱ、Ⅲ区已变形的崩坡积含块碎砾石土,天然密度2.0g/cm3,内摩擦角φ=26°～28°,粘聚力C=0；F3断层带,φ=16.7°～21.8°,C=0.08MPa,天然密度2.03g/cm3。

采用一般条分法、毕肖普法和传递系数法3种方法对比计算。并考虑地下水、开挖等对坡体稳定性的影响,计算结果见表9-14。

表9-14 泄洪洞出口边坡稳定性计算成果表

从上述计算结果可知:3种不同计算方法所得结果基本相近,纵4剖面天然状态未开挖的情况下其稳定性较高,安全性系数可达1.2,开挖切脚后其稳定性系数仍可达1.19,但在饱水时其稳定系数急剧降低,仅为0.97,处于临界稳定状态；在放炮振动作用下其安全系数将更低,处于不稳定,将失稳。后缘土体(纵2—2剖面)天然状态下安全系数在1.06～1.15之间,若下部土体(纵4剖面代表的土体)失稳后,其稳定性系数急剧降低,仅有0.946,故亦将失稳。计算结果与实际破坏过程是一致的,计算结果可信。由此分析可知,边坡的稳定受开挖切脚、降水和放炮振动密切相关。

(2)开挖过程二维Flac稳定性数值分析。连续介质快速拉格朗日分析(FastLagrangianAnalysisofContinua)法(FLAC)不但可以对连续介质进行大变形分析,而且能模拟岩体沿某一软弱面产生的滑动变形。通过迭代求解,便可求出各个时步边坡上各单元(或结点)的应力、变形值,进而可模拟出整个边坡变形破坏过程。

选择有代表性的4—4剖面摸拟分析:计算所使用的坐标系垂直方向为y轴,水平方向为x轴。模型边界上部取至高程855m,前部取至基岩上。计算剖面参数见表9-15。

表9-154 —4剖面岩体特性参数表

根据4—4剖面的工程地质条件,抽象出用于实际计算的斜坡地质结构模型,基本保持了实际斜坡的地质结构特征。利用程序剖分好单元网格,定义好区域,赋予不同的材料模型和不同的参数值,再加边界条件,生成初始应力场。模型离散工作由FLAC程序自动完成,如图9-15所示。

图9-15 4—4剖面开挖后离散化后的计算模型

模拟研究采用分步模拟边坡开挖情况下的变形与破坏。

边坡开挖摸拟结果表明,在边坡开挖情况下,斜坡的累积位移主要表现在坡体中部,开挖后暴露的土体前端,位移形成明显的集中区,其移动的最大距离量值为0.035m；斜坡的位移场特征总体较均匀,表现为向坡外运动,说明施工开挖对边坡稳定影响明显,首先使开挖面前端覆盖层产生变形位移,从而带动其他土体的变形,这与极限平衡稳定性分析结果相吻合。

跟踪块体的最大主应力和最小主应力随迭代时步的变化曲线和跟踪块体的水平位移和垂向位移随迭代时步的变化曲线还表明。坡体前缘随着迭代时步的阶段性增加,位移逐渐稳定在某一特定的值上,这表明,斜坡经历相应的位移后,由于内部结构的自我调整,暂时处于相对稳定的极限平衡状态。

9.2.5.6 工程处理

工程处理计算的力学参数是:滑动面采用残余抗剪强度指标内摩擦角φ=10°,粘聚力C=0.007MPa；Ⅱ、Ⅲ区已变形的崩坡积含块碎砾石土,天然密度2.0g/cm3,内摩擦角φ=26°～28°,粘聚力C=0；F3断层带,φ=16.7°～21.8°,C=0.08MPa,天然密度2.03g/cm3。

采用推力传递系数法计算的各剖面(各区)推力结果见表9-16。

表9-16 各区滑坡(变形)体出口处推力计算成果表单位:t/m

由计算结果可知,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区均处于不稳定状态,需要进行加固处理。

(1)应急处理措施。滑坡发生在正值雨季的6月,为防止降雨产生恶化及滑坡进一步发展,采取了应急处理措施。滑坡发生后,及时封堵地表裂缝,防止坡面水进入坡体内；并在坡面修建排水沟3条,沿排水沟上缘设置排水孔,排除坡面水及进入坡体内地下水。同时为防止滑坡进一步扩展及保证下方213国道公路正常运行,根据观测资料分析认为,Ⅲ2、Ⅳ区变形较小而平缓,处于滑动变形阶段,如加以适当措施,是可以预防滑坡进一步发展并同时保持Ⅲ2、Ⅳ区不致滑动失稳,在Ⅲ2、Ⅳ区及滑坡后缘坡体设置两排直径(φ)127mm、间排距2m的钢管锚筋桩,深度一般15～20m。观测资料表明钢管桩实施后几个月里,虽然连绵秋雨,暴雨不断,但坡体变形速度平稳,未产生新的滑动,说明应急处理措施已基本上达到了目的,为整个滑坡的永久处理赢得了时间,创造了有利条件。

(2)永久处理措施。2号泄洪排沙隧洞出口滑坡、变形体处理设计,基本上遵循一种动态的设计思想,即根据施工中的地质信息反馈,监测资料分析,不断调整、优化加固处理措施,分阶段实施。根据滑坡体各区不同情况,主要处理措施为:

1)挖除已滑动、不稳定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1区覆盖层。对挖除后裸露的基岩面实施喷锚支护,覆盖层框格梁支护。

2)在Ⅱ2区后缘基岩边坡变形裂缝范围,布设57根2000kN预应力锚索加固,锚索长40m、45m梅花型布置。

3)在Ⅲ2区前缘布置大小3m×5m,间距3～5m的抗滑桩21根。在抗滑桩前缘削坡减载,开挖坡比1∶2.5。坡面采用2m×2m、C25钢筋混凝土框格梁保护,结点处设锚筋桩。

4)穿过F3断层设排水洞1条,长约90m,洞径4.5m,内设排水孔。

5)Ⅳ区覆盖层较薄,采用挖除处理。

6)在变形体周边布置3条排水沟,沟内侧设排水孔。

9.2.5.7 加固处理后边坡整体稳定性

为了解2号导流(泄洪)洞出口高边坡加固治理后,地下水渗流对边坡安全稳定的影响,采用显式有限差分FLAC3D计算程序对边坡进行计算分析。主要结论如下:

开挖后,由于F3断层及层间剪切错动带的影响,锚固治理前,边坡产生了较大的卸荷变形,最大计算位移达1.3m,发生在F3断层与坡面交接处。对边坡进行锚固治理后,边坡变形量显著减小,锚固治理后边坡最大变形仅为30～43mm,可见所施加的锚索、锚杆、锚筋束以及抗滑桩等加固措施有效控制了围岩变形,对维护边坡稳定起到了非常大的作用。开挖后,在F3断层、边坡坡脚部位出现较大面积的塑性区,加锚后,由于围岩力学性质得到显著提高,塑性区面积有较大程度的减少,减少幅度达30%～40%。为考虑地下裂隙水对边坡安全稳定的影响,重点进行了中、高地下水渗流作用下边坡的三维流固耦合计算,计算表明,虽然渗流作用降低了边坡岩体的抗剪强度,造成边坡变形增大,但锚固治理后边坡的渗流计算位移值仍保持在边坡安全运行允许的范围内,计算表明边坡在地下水渗流作用下是安全稳定的。

9.2.5.8 稳定性监测

2号泄洪洞(导流洞)出口边坡监测主要围绕F3断层布置。共布置了4个监测断面,共6套多点位移计、3个测斜管、3支渗压计(布置见图9-16)。

图9-16 泄洪洞出口边坡监测仪器布置平面图

监测成果表明:F3断层以外位移计实测位移均很小,且比较稳定,测斜管位移—深度关系曲线比较光滑、无错台,表明边坡稳定。F3断层带及其附近测点在安装初期有微量蠕变,坡体变形深度在0～20m范围内,其中M2-3孔内各测点存在明显位移,最大累计位移14.58mm,现已趋于稳定。