白鹤滩迁建集镇变形体的变形机理及稳定性分析

高 翔，吴佳佳，雷进生，党润萌，刘婉纯

(1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

变形体的变形失稳是造成滑坡灾害的因素之一。众多学者已在变形体失稳的预测和治理方面做了很多研究，并取得了大量成果[1- 3]。黄涧秋[4]收集了大量典型大型滑坡灾害实例，并对重点涉及不同的地质环境条件和坡体地质结构的大型滑坡进行了深入的分析和讨论。张小宝[5]根据地质概况，对变形体的发展演化过程进行了机理分析。吕耀成[6]通过基本地质条件，研究工程地质特征，分析成因机制及力学特征，并采用有限元强度折减法和刚体极限平衡法，评价了变形体的稳定性。姜龙[7]应用D-InSAR监测技术，研究了阿拉沟水库库区左岸变形的变形破坏机理，同时对变形体的稳定性进行了评价。因此，当工程中遇到存在变形体问题，查明其形成的背景、变形破坏机理以及可能出现的破坏类型，以保障工程建设的顺利进行以及建成后的正常运行。

本文以白鹤滩迁建集镇变形体为工程实例，从变形破坏特征及成因机制等方面进行研究分析，采用有限元强度折减法，计算其不同工况下的稳定性，为后续工程处理措施提供理论支撑。

1 工程概况

金沙江白鹤滩水电站位于金沙江下游河段(攀枝花至宜宾)，是金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4个梯级水电站中的第2级。为满足白鹤滩电站枢纽区和围堰区移民搬迁的需求，在四川省凉山州宁南县及云南省巧家县规划了移民安置点。宁南县白鹤滩镇新址为枢纽区移民安置点之一，该场地位于金沙江左岸新建村斜坡上。新建村斜坡总体地势西北高南东低，前缘临金沙江，后缘分水岭高程2680m，水库蓄水后，将淹没高程825m以下区域。新址场地位于新建村斜坡中部，分布高程833～1064m，占地面积约49.20万m2，规划安置移民人数4507人。

新建村斜坡地质构造上存在变形体，变形体前缘位于宁南县白鹤滩镇新址场地上部，几乎紧挨着集镇。变形体内存在层间错动带C8，为顺层软弱面，分布在凝灰层顶层，受该软弱面的影响，变形体存在下滑的可能。

2 基本地质条件及变形机理分析

2.1 地貌特征

变形体位于新建村斜坡Ⅱ区、白鹤滩镇迁建工程新址场地西侧，3#、4#冲沟之间，分布高程范围为1010～1190m，面积1.04×105m2，体积125×107m3。后缘高程1190～1145m，呈圈椅状负地形；前缘高程1030～1010m，机耕道下方呈陡坡地形；南侧上部为N40～50°W向拉裂缝，锯齿状，在高程1100m及以下，拉裂缝不明显，仅见较连续的岩面产状一侧走向略转、倾角变陡；北侧边界不甚明显，沿山脊后顺4#冲沟南侧岸坡展布。

2.2 地层岩性

变形体至上而下分布有第四系崩坡积及残坡积土层、二叠系上统峨眉山组玄武岩(P2β)。变形体内原生构造发育不完整，断裂构造不充分，但存在层间错动带C8。该错动带是形成变形体的主要原因。

2.3 地下水及埋深

地下水主要为第四系松散堆积物含水层和基岩裂隙含水层，与其相对应的地下水类型为孔隙性潜水和基岩裂隙水。

根据本次勘探期间对钻孔进行终孔水位观测和前期勘探过程中钻孔揭露，场区地下水位5.95～77.35m，埋藏深度差别较大，埋藏地层在粗粒、巨粒土和破碎岩体中为主，以孔隙水为主，受季节影响较大，部分钻孔为非同时期钻孔，地下水埋深差异较大。本期勘探过程中钻孔基本采用植物胶护壁，孔内水位多为假水位，场区内覆盖层透水性较好，场区稳定地下水位埋藏较深。

3 变形机理分析

3.1 变形体物理力学参数

变形体破坏特征比较明显，根据变形强弱的不同，将变形体分为5个区。分别为变形残留区、拉裂变形区、卸荷变形区、挤压变形区和挤压变形区前缘。

各类土体物理力学参数计算取值见表1。

表1 各类土体物理力学参数计算取值

3.2 变形体形形成条件

3.2.1地形地貌条件

位于金沙江左岸，为一缓倾右岸略偏上游的顺向坡，地面坡角与岩层倾角相当，从地形上具备产生顺层滑移的条件。根据相关地质资料，该地区地壳现今仍在以每年数mm的速率上升，这就造成河流的下切和淘蚀作用十分强烈，为斜坡的变形破坏提供了前缘临空面。伴随着坡体前沿临空高度增大，顺层层间错动带在岸坡出露，岩体在自重应力场的长期作用下沿顺层错动带产生剪切变形甚至失稳。

3.2.2地层岩性及性质

3.2.3地质构造条件

玄武岩层中发育的层间错动带和层内错动带，产状与岩层产状基本一致，且性状较差，是边坡稳定的控制性因素。尤其是左岸为斜顺向坡，错动带可构成边坡变形失稳底滑面，错动带的倾角越陡，边坡的稳定性越差。

3.2.4地下水

地下水对边坡稳定的影响主要表现在导致凝灰岩夹层和缓倾角错动带软化，降低其强度，尤其是变形体所在的左岸，为顺向坡，缓倾角错动带软化明显。

3.2.5地震作用

变形体所在的区域，地震活动影响比较强，地震作用容易诱发边坡变形或失稳。

3.3 变形体形成机制

变形体所在的新建斜坡下游侧层间错动带C8以上岩体基本剥蚀，斜坡上游侧由于有上村梁子的支撑，导致靠近上村梁子侧面的斜坡层间错动带C8上盘部分岩体残留，为变形体的形成奠定了物质基础。

变形体形成之前，斜坡中部及下游侧层间错动带C9上盘岩体已经剥蚀，原始岸坡为一顺层边坡。伴随地壳强烈抬升，金沙江深切导致斜坡前沿临空，岩层倾角与原始地形坡度相近，在地震等特殊工况下，易发生沿软弱结构面形成牵引式滑动变形。

根据工程区地质测绘，变形体内主要发育2组卸荷裂缝：①以南侧变形体边界裂缝为代表的N50～60°W，SW∠85°；②以变形体后缘L2与前缘L18为代表N30～45°E，⊥或SE∠85°。

4 有限元模型构建及分析

4.1 计算方法

采用有限元强度折减法。建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析的基本原理是将边坡强度参数粘聚力c和内摩擦角tanφ同时除以一个折减系数F，得到一组新的c和φ值。然后作为一组新的材料参数输入，再进行试算。当计算不收敛时，对应的F被称为边坡的最小安全系数，此时，边坡达到极限状态，发生剪切破坏，同时可得到临界滑动面所在的塑性区。

4.2 计算模型

根据变形体地质情况，BZ4-BZ4、BZ5-BZ5、B1-B1三个位置的剖面地质情况最为不稳定，选取BZ4-BZ4进行稳定分析。剖面位置如图1所示。

图1 计算剖面平面位置

根据变形体地质情况，选取BZ4-BZ4剖面(前缘场平后)进行稳定分析，划分A、B、C、D区，计算模型详如图2所示。

图2 有限元计算模型(BZ4-BZ4场平后剖面)

4.3 本构模型

采用理想弹塑性本构关系，屈服条件采用莫尔-库仑屈服准则。莫尔-库仑模型可以考虑球应力张量对材料屈服的影响，对岩土工程材料具有较好的适用性，在岩土工程中广泛应用。

4.4 计算结果

计算云图如图3—4所示。

图3 BZ4-BZ4剖面持久工况下计算云图

图4 BZ4-BZ4剖面暴雨工况下计算云图

4.5 安全系数

根据有限元强度折减法计算成果，BZ4—BZ4剖面安全系数统计见表2。

表2 BZ4～BZ4剖面安全系数

4.6 有限元稳定计算结论

(1)持久、暴雨工况下，剖面C8层间错动带以上土体水平、竖向位移明显大于层间错动带以下土体，层间错动带以下土体位移几乎为零，可见边坡滑动变形主要发生在层间错动带以上位置。

(2)层间错动带C8的A区范围土体水平、竖向位移大于B、C、D区范围土体，可见A区范围滑动明显。这是由于A区C8层间错动带参数明显小于B、C、D区的原因。

(3)持久、暴雨工况下，层间错动带C8位置最大剪应变最大，可见边坡滑动趋势主要沿层间错动带开展，同时C8的A区剪应变大于B、C、D区，可见塑性区未贯穿，滑坡总体稳定，但安全系数(正常工况为1.334)不足1.35，需要加固。

(4)变形体滑动趋势主要沿C8层间错动带开展；滑坡体总体稳定，但持久工况安全系数尚不能满足规范要求。

5 结论

根据研究区地形地貌、地层岩性、地质构造条件、水文地质条件及地表裂缝发育情况，探究了其变形演化过程、变形破坏特征及成因机制等，采用有限元强度折减法建立持久和暴雨工况下本构模型，分析了持久和暴雨工况下变形体的稳定性。同时考虑到边坡滑动变形主要发生在层间错动带以上位置，塑性区未贯穿，滑坡总体稳定，但层间错动带C8的A区范围土体水平、竖向土体位移范围较大且安全系数不足规范要求，应对BZ4剖面上部(A区)结合整体采取相应的加固措施，保障后期集镇的生活安全，以期为类似工程项目起到借鉴作用。