水庫溢洪道滑坡分析論文

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一、概述

湖南省黃材水庫位于湘江一級支流溈水上游。主壩位于寧鄉縣黃材鎮以西3．5km的鐵山里，距寧鄉縣城54．5km。是一座以灌溉為主，兼有發電和防洪等綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。該工程集雨面積240．8km2，總庫容1．53億m3，主壩為黏土心墻壩，最大壩高61．5m，壩頂高程169．5m，壩頂軸線長347m。副壩有2座，其中竹山坳副壩位于主壩右岸約1km處，壩型為風化料填筑的均質土壩，最大壩高22．3m，壩頂高程170．5m，壩頂軸線長131．5m。溢洪道布置在竹山坳副壩左岸的獅牛沖，為河岸開敞式，進口為無底坎的寬頂堰，堰頂高程157．0m，為控制泄流，其上裝3扇10m×9．3m（寬×高）的鋼質弧形閘門。

該工程于1958年9月破土興建，1965年樞紐工程基本建成，1986年完成灌區主體工程配套任務，運行至今。工程在灌溉、發電和防洪等方面發揮了巨大效益，對促進當地工農業生產發展起了一定的作用。但由于設計標準太低，主、副壩滲漏嚴重，因而在1982年至1984年的水利“三查三定”中，被列為“七五”期間需進行加固的重點“病險水庫”之一。在確定加固方案時，通過整體水工模型試驗，認為獅牛沖溢洪道左岸應擴建一孔并改造泄槽。實施過程中，因未做任何勘探工作，對邊坡所處的地質環境缺乏認識，擴建開挖時導致邊坡先后發生5次較大規模滑坡，溢洪道進口滑坡就是其中之一。

該滑坡形成后，設計單位曾對其采取了表層鋪蓋防滲薄膜、滑體內布設排水洞、前緣設置擋墻等措施，但因缺乏必要的勘探、試驗資料，對滑坡特征及其破壞機理認識不足，所以處理尚不徹底。現有觀測資料顯示，該滑坡仍存在不同程度的變形跡象。為此，必須查明滑坡的邊界條件、滑體特征，研究滑坡形成及發展過程和變形破壞機理，并對其在不同工況下穩定狀況及其動態變化趨勢進行研究分析，以便采取適宜的工程處理措施，確保溢洪道安全運用。

二、滑坡特征及其變形破壞機理

1．滑坡特征

滑坡所在山坡自然地形表現為上陡、中緩、下陡，其后緣基本處于地形緩陡變坡處，后緣圈椅狀特征比較明顯，滑壁近于直立，高2～3m。前緣向坡外凸出，鼓脹區特征明顯，前舌略伸入溝底（靠近原沖溝岸邊），最大高差35m?；马樢绾榈莱书L條形分布，長約80m，寬30～45m，滑體厚一般為10～20m，縱剖面上為近似圓弧狀，呈2～3段弧形折線，體積約3．2×104m3?；w具有前陡后緩的地形特征，下部地形坡度35°～40°，上部25°～30°。

2．滑坡變形破壞機理

滑體物質上部為殘坡積物，下部為風化破碎巖塊夾劣質煤層、粉質黏土等?；鶐r中節理裂隙發育，加之巖體抗風化能力弱，嚴重破壞了巖體的完整性，使得巖體具有層狀碎裂結構的特點。滑坡地帶地形陡緩不一，巖體性質和巖體結構存在差異，滑坡變形破壞表現為上部（后緣）從殘坡積物中拉裂，下部沿強風化破碎巖塊與完整基巖接觸面滑動。

滑坡變形破壞的力學機理：人工開挖使前緣邊坡變陡，加之降雨及地表水滲入，使處于臨界穩定狀態的岸坡巖體在水的作用下軟化、強度降低，發生壓縮蠕變，坡體重心外移，并在其他各種因素尤其是開挖切腳的影響下，致使岸坡下滑，形成滑坡。由于基巖風化破碎，其滑面并非完全受控于巖體的結構面，故而形成近似圓弧狀的破壞模式。究其原因有二：一是地形地質環境是形成該滑坡的內因?；聟^地表殘坡積層廣布，巖土松散，有架空現象，下部基巖為薄厚不一的層狀砂質板狀頁巖，淺變質細砂巖夾炭質板狀頁巖及劣質煤層，巖體中結構面發育，風化破碎，岸坡巖體卸荷松弛，地形坡度較陡，不利于邊坡穩定。二是溢洪道開挖、地表降水入滲以及施工放炮震動等，是促使滑坡產生的外因。眾所周知，由于坡腳開挖，減小了阻滑力，破壞了原本穩定性較差的山坡自然平衡狀態，而地表降水的入滲，致使邊坡巖（土）體力學強度降低，加之開挖放炮震動等因素，導致了滑坡的產生和發展。

三、溢洪道滑坡穩定性研究分析

1．穩定安全系數FS的計算方法

目前水利水電工程的邊坡穩定性分析大多采用剛體極限平衡法[1]。本文分別采用摩根斯坦法（Mogenstern）、不平衡推力法、簡布法（Janbu）等三種極限平衡的方法計算滑坡的穩定安全系數。計算中考慮的荷載有滑體自重、地下水的靜水壓力和動水壓力。

2．計算剖面與計算參數的選用

計算剖面采用Ⅰ－Ⅰ′、Ⅱ－Ⅱ′和Ⅲ－Ⅲ′三個縱剖面（以下簡稱剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），剖面按垂直劃分條塊，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別劃分為10、11、12個條塊，條塊從上往下編號。

計算參數的選取是根據黃材水庫溢洪道滑坡室內巖土力學試驗成果并結合巖土體在天然狀態下的性狀綜合考慮的?；w濕容重γ＝19kN／m3，飽和容重γm＝20．7kN／m3，抗剪強度參數取為f＝0．45，c＝0．02MPa，飽和狀態的抗剪強度參數取為f＝0．40，c＝0．01MPa。

3．計算工況

根據工程實際運行情況，擬定如下計算工況作為控制工況。

工況1：鉆探試驗、取樣時，即枯水位151．00m。

工況2：正常蓄水位166．00m。

工況3：設計洪水位167．08m。

工況4：校核洪水位168．69m。

工況5：校核洪水位驟降至正常蓄水位。

工況1、2、3屬基本組合，工況4、5屬特殊組合。

4．計算成果及分析

根據摩根斯坦法、不平衡推力法、簡布法的基本原理，用穩定分析程序MNJ計算得到滑坡穩定安全系數Fs。

分析看出，只有剖面Ⅱ在工況1時的Fs1、Fs2、Fs3以及剖面Ⅲ在工況1～4時的Fs1、Fs2大于1，但小于1．2，其余的穩定安全系數Fs均小于1，說明滑坡在各種工況下都處于不穩定狀態。

5．穩定敏感性分析

以上進行的穩定性計算，將滑面的抗剪強度參數作為常數。這種參數是在現有的邊坡工程地質研究深度基礎上對滑面抗剪強度的綜合概括。但是，抗剪強度參數一般都存在時空變異性。因此，進行抗剪強度參數對滑坡穩定的敏感性分析是必要的。根據巖土力學試驗成果，滑坡抗剪強度參數的取值為：

f＝0．42～0．52（天然狀態）

c＝0．01～0．02MPa（天然狀態）

水下折減系數為0．88。

根據f、c的范圍值，選取滑坡典型剖面（即剖面Ⅱ）作為計算剖面，以及鉆探、試驗取樣時（即枯水位151．00m）作為計算工況，采用程序MNJ計算滑坡的穩定安全系數Fs。

從敏感性分析的結果看，滑坡穩定性安全系數Fs基本上是隨凝聚力c和摩擦系數f的增大而線性地增大。最小的穩定安全系數為0．87，最大的為1．28，而大部分的穩定安全系數在0．95～1．20之間，說明這次鉆探、試驗取樣時滑坡是基本穩定或臨界穩定，這與鉆探、試驗取樣時滑坡的實際狀態（有微小變形）是相吻合的。因此，滑坡穩定性計算選取抗剪強度參數f＝0．45，c＝0．02MPa（天然狀態）和f＝0．40，c＝0．01MPa（飽和狀態）是合理的。

四、結語

根據湖南省黃材水庫溢洪道滑坡特征及其變形破壞機理和滑坡穩定性研究分析，滑坡穩定安全系數為0．52～1．10，滑體在各種工況下都是不穩定的。因此，必須采取排水、抗滑樁、擋墻等綜合工程處理措施，加固整治滑體，防止變形和滑動，確保副壩和溢洪道安全運行。

參考文獻：

1崔政權，李寧．邊坡工程：理論與實踐最新發展．北京：中國水利水電出版社，1999．