华硕k42jz笔记本(乌东德金坪子滑坡地表变形特征与地下排水效果)

摘 要：

为了保障乌东德大坝的安全运行,有必要研究近坝滑坡体金坪子滑坡的地表变形特性并分析其地下排水效果。为此,基于表面变形观测成果和地质资料,分析了滑坡体表面变形的增量、空间分布和时变特性。结果表明:金坪子滑坡体Ⅱ区变形最大且处于蠕滑变形状态,Ⅰ区次之,其他区变形较小,滑坡体具有牵引式变形特点;Ⅱ区前缘变形大后缘变形小,年同期增量随测点高程的增大而逐渐减小,前缘变形方向指向临空面和下游侧。基于地下水位孔观测成果,分析了地下水位的状态、变化过程和规律,阐明了排水措施对地下水位和滑坡体稳定性的影响。同时,由观测成果可知,受排水洞排水的影响,金坪子Ⅱ区地下水位下降了3.0～12.3 m,滑坡体年同期表面位移增量减小,滑坡体阻滑力提升,排水洞具有排水和增强滑坡体稳定性的作用。

关键词：

乌东德水电站; 金坪子滑坡体; 表面变形; 地下水位; 排水效果;

作者简介：

彭绍才(1977—),男,高级工程师,硕士,主要从事工程安全监测技术方法及风险控制方面的研究。E-mail:pengshaocai@cjwsjy.com.cn;

郑栋(1990—),男,工程师,博士,主要从事工程安全监测技术方法及风险控制方面的研究。E-mail:zhengdong@cjwsjy.com.cn;

基金：

国家重点研发计划课题(2018YFC1508603,2018YFC1508505);

水工岩石力学教育部重点实验室(武汉大学)开放基金(RMHSE1906);

引用：

彭绍才，郑栋，段国学，等． 乌东德金坪子滑坡地表变形特征与地下排水效果［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 1) : 146-158.

PENG Shaocai，ZHENG Dong，DUAN Guoxue，et al． Surface deformation characteristics and underground drainage effect of Jinpingzi Land- slide near Wudongde Hydropower Station［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 1) : 146-158.

我国有一大批在建或拟建的水利水电工程,近坝库岸边坡或滑坡体因其分布广泛、潜在风险巨大,一旦失事将造成巨大的经济和生命财产损失,因此受到各方的广泛关注。滑坡体的稳定是保障水库大坝正常安全运行的关键。

金坪子滑坡体位于金沙江右岸,上距乌东德坝址约900 m,前后缘高差1 100～1 200 m,滑坡轴线东西走向,长约3 km,前缘宽约1.5 km,后缘宽约1.2 km,滑坡区平面面积4.5 km2。滑坡前缘向江心呈圆弧形凸出,金沙江出乌东德峡谷后以170°方向进入金坪子测区,在金坪子前缘,沿弧线转弯后以225°方向流出。金坪子滑坡体测区地处亚热带、热带高原性季风气候区,冬夏温差不大,干湿两季分明。

金坪子滑坡体范围广、覆盖面积大、地质条件复杂;更为重要的是,一旦金坪子滑坡体发生异常变形,形成泥石流或滑坡等地质灾害,导致乌东德水电站下游河道堵塞,后果将极为严重。

为了有效地治理金坪子滑坡体,需全面地勘探金坪子滑坡体的地质条件,制定有效的排水加固措施。一些学者或工程师开展了有益的研究。例如,王团乐等在地质测绘、勘探、物探、试验等资料的基础上,阐述了滑坡的地质背景及分区。蒋树等以Ⅱ区为研究对象,基于勘察试验和监测资料,分析了滑坡与降雨和地下水的关系,探讨了理想刚塑性条件下滑坡受力的平衡关系及滑坡的活动机理。丁刚等在分析了滑坡体的变形主因后,确定了以排水为主的防护方案,主要包括地表和地下排水,以及冲沟防护等措施。然而,经过了多年的勘探和治理后,金坪子滑坡的变形特性和安全运行性态未知,影响滑坡体变形的因素众多且复杂,缺乏基于全面的监测成果,并综合地质资料和防护方案等,对金坪子滑坡体的表面变形的时空特性等进行全面的分析。

更为重要的是,与众多天然滑坡体不同的是,金坪子滑坡采取了以排水为主的防护方案,以期排出部分地下水,降低孔隙水压力和地下水位,增强滑坡体稳定性,减缓变形速率。国内外研究成果表明,排水洞能有效降低地下水位,是排水固坡的最有效措施之一。例如,BIANCO等指出在饱和土边坡中,排水是稳固滑坡体最有效的方法,提出了一种底部由小直径排水管相连接的大直径排水井,并证实了设施的有效性。EBERHARDT等发现孔隙水压力是影响边坡稳定性的关键因素;对于深层滑坡,深层排水洞是稳固滑坡体的有效措施;通过排水洞排出少量的渗漏水,就能对滑坡体起到快速见效的稳固作用。WANG等基于数值模拟,提出了一种预防滑坡的最佳排水隧道位置确定方法。SUN等发现在降雨作用下,排水洞能降低地下水位,并对于降雨时间序列具有滞后性。MATTI等基于瞬态水文地质和地质力学模型,研究了排水管及管道间间距对边坡变形速率及安全系数的影响。YAN等基于降雨、地下水位和排水洞的排水量等,证实了排水洞对增强边坡稳定性的作用。然而,先后施工完成的排水设施,经过一段时间的运行后,是否对金坪子滑坡体地下水位产生影响及影响程度是未知的。

此外,金坪子滑坡属于深层滑坡体,降雨难以入渗到深层位置,并在滑动带以上形成了“暂态饱和区”。因此,不同于浅层滑坡体的是,金坪子的地下水位变化基本没有周期性和波动性,而一场降雨一般都是由强变弱具有变化特性,多年的降雨变化具有周期性,金坪子滑坡体的地下水位受降雨强弱影响较弱。RAHARDJO等研究了热带气候下水平排水设施在稳固残积土边坡并防止降雨诱发滑坡的有效性,监测成果表明降雨影响深度有限,在更深层的岩土体中降雨对边坡的影响微弱。金坪子地下水位主要受排水洞排水的影响,但影响规律和影响程度未知,有必要研究排水设施对滑坡体地下水位的影响规律。

本文以乌东德水电站工程下游处的金坪子滑坡体为例,基于长达14年的监测成果,结合地质资料,分析了滑坡体表面变形的空间分布和时变特性,分析了地下水位的状态、变化过程,以及排水措施对滑坡体稳定性的影响。研究成果可为金坪子滑坡后期防护治理及乌东德水库的运行提供参考。

金坪子滑坡体影像图及分区情况如图1所示,该滑坡体被分成5个区域,分别记为I—V区。

图1 金坪子滑坡体影像图及分区

Ⅰ区主要由块石碎石组成,一般厚50～60 m,主要分布在第一级缓台一带(高程1 780～1 860 m),体积约2 690×104m3。块石碎石的成分为白云岩、硅质白云岩,块石大小一般40～50 cm,大者达1.0～1.5 m,块石与块石相互咬合,结构紧密。表层经淋滤胶结形成相对坚硬的硬壳,厚3～5 m。

Ⅱ区滑带位于第②层千枚岩碎屑土内,滑带厚度2.0～9.0 m,滑坡前部平洞与钻孔均有揭露。滑带土为紫红、灰黑色粉质黏土夹砾石,土为紫红色粉质黏土,硬—可塑状,结构紧密,具明显挤压错动特征,可见光面及擦痕;砾石、碎石岩性为紫红色千枚岩,大小一般0.2 cm×0.5 cm～1 cm×2 cm,大者3 cm×4 cm,多呈次棱角—次圆状、圆状,少量棱角状,含量20%～40%。

Ⅲ区堆积体的主体是基岩顺层高速滑动入江,经后期淋滤作用而形成具有岩石特征的“角砾岩”, “角砾岩”夹于古河槽中的砂卵石和古滑坡体驮运而来的古崩积层之间,后期在古滑坡体古溪沟中堆积冲洪积层,因此金坪子堆积体的地质结构总体上可分三大层。此外其前缘还发育现代金沙江的阶地堆积和坡积物;硝沟和船房沟下切过程中形成的一系列不同时代的冲洪积物。该区覆盖层平均厚度100～150 m,最厚达275.37 m。

Ⅲ区、Ⅳ区及Ⅴ区需要防护的部位均位于滑坡前缘,主要由碎裂白云岩碎块构成,受后期淋滤胶结作用,岩体结构紧密,抗剪强度高。角砾岩之上的崩积物和洪积物厚度一般5～30 m,崩积物(Qcol)块石碎石层分布高程920～1040 m,块石碎石成分为灰岩、白云岩,大小一般10～100 cm,混夹少量粉土,含量10%左右,结构松散;另在高程815～875 m一带地表,灰岩、白云岩大块石松散堆积,地形凸凹不平。洪积物(Qpl)碎块石夹卵石,为金沙江阶地堆积物,分布于高程900～940 m之间,呈长条形沿江展布,成分以白云质灰岩为主,并有硅质岩、片岩、千枚岩和燧石等,粒径6 cm左右,小部分20 cm以上,多呈扁平状。

2.1 监测布置

金坪子滑坡表面从2004年11月至2019年3月陆续布置了42个表面位移测点,其中Ⅰ区11个,Ⅱ区20个,Ⅲ区6个,Ⅳ区4个,Ⅴ区1个,目前在测的点为35个。金坪子滑坡布置了专门的水平位移变形监测网,由15个监测网点组成,网点布置在滑坡对岸及滑坡范围外的山体上。

2.2 I—V区基本变形特性

金坪子滑坡表面位移观测采用金坪子独立坐标系,X方向向上游位移为正,Y方向向河谷临空面方向为正,H方向下沉为正,反之为负。S为水平位移的合成位移,其方向与Y向(向河谷左岸)夹角正值偏向上游,负值偏向下游。

金坪子滑坡表面位移测点终测位移值统计如表1所列,表面位移测点年同期增量统计如表2所列。

表1 金坪子滑坡表面位移测点终测位移值统计

注:多年平均年位移=终测值/((终测时间-起测时间)/365)

表2 金坪子滑坡表面位移测点年同期增量统计

注:2019-10-10年同期位移增量为2018-10-10至2019-10-10的位移增量,其他类同

表面位移的实测成果表明,较大的变形主要集中在Ⅱ区,其次是Ⅰ区,其他区变形较小。各区表面位移测点实测情况如下。

Ⅰ区:2019年10月实测水平位移S在69.4～513.5 mm之间,沉降在57.8～410.1 mm之间,火地湾古滑坡堆积体高程1 662 m处测点AL01D水平位移最大。2019年10月年同期水平位移增量在2.6～26.9 mm之间,沉降增量在-2.6～16.9 mm之间,2019年10月比2018年10月年同期位移增量有所减小。

Ⅱ区:2019年10月实测水平位移S在84.8～4 374.5 mm之间,沉降在28.3～2 145.4 mm之间,前缘高程1 009 m处测点TP11水平位移最大。2019年10月年同期水平位移增量在17.8～240.1 mm之间,沉降增量在8.1～120.6 mm之间,2019年10月比2018年10月年同期位移增量有明显减小。

Ⅲ区:2019年10月实测水平位移S在5.0～95.2 mm之间,沉降在11.9～99.3 mm之间,高程969 m处测点TN11水平位移最大。2019年10月年同期水平位移增量在3.1 mm以内,沉降增量在6.0 mm以内。除TN11外,其他测点变形较小。

Ⅳ区:仅2个测点,2019年10月实测水平位移S分别为27.6 mm和26.6 mm,沉降分别为15.2 mm和31.2 mm,变形较小。

Ⅴ区:仅1个测点,2019年10月实测水平位移S和沉降分别为11.8 mm和4.9 mm,没有明显变形。

2.3 Ⅰ—Ⅱ区变形时空分布特性

2.3.1 空间分布特性

从Ⅱ区水平位移沿高程的分布(见图2)可以看出:Ⅱ区变形前缘大,后缘小,滑坡体具有牵引式变形特点;2019年10月12日,最大的累积水平位移是4374 mm,发生在前缘最前端测点TP11。

图2 Ⅱ区典型测点实测水平位移S沿高程的分布

从Ⅱ区水平位移年同期增量沿高程的分布(见图3)及多年平均年位移量矢量可以看出:随测点高程的增大,实测的年同期增量逐渐减小;反之,年同期增量逐渐增大。总体上,前缘部位水平位移的年同期增量和多年平均年位移量均较大,后缘部位均较小。Ⅰ区表面位移测点水平位移多年平均年位移量普遍小于Ⅱ区的(见图4)。

图3 Ⅱ区各测点水平位移S年同期增量沿高程的分布

图4 表面位移测点水平位移S多年平均年位移量矢量图

从Ⅱ区水平位移S多年平均年位移量矢量图[见图4(a)]可以看出,Ⅱ区大部分测点的位移的矢量方向指向坡外。具体地,坡体总体位移方向与沟的展布方向近于平行,并向下游偏转,堆积体前缘表现最为明显。位移矢量方向与滑坡体Y轴呈一定的负角度(见表1),最大负角度达到-80.4°。初步判定位移矢量方向指向坡外,主要受Ⅲ区和Ⅳ区约束作用、冲沟的分布及基覆界面的总体形态、滑带在空间上的不平整性、滑带及附近岩土体材料的不均匀性等众多因素影响。Ⅱ区中下部受上游侧Ⅳ区基岩、下游侧银厂坡基岩夹制,侧向约束效应明显。熊家水井大沟下游主沟切深较上游叉沟切深较大,下游的阿摆大沟切深更深,宽度更大,且基覆界面除总体顺沟倾斜外,在横剖面上还表现为上游高下游低的趋势;横向上沟槽形态不对称,上下游两侧最大位移中心并不对应,且下游位移大于上游位移;Ⅱ区平面上呈一倒放的“长颈大肚”花瓶状凹槽地形,前窄后宽,在高程1 120～1 200 m部位的位移存在一定的侧向约束效应。Ⅱ区的滑带土底板等高线起伏不平,特别是前缘呈锯齿状。上述众多因素导致位移方向与沟的展布方向近于平行并向下游偏转。

2.3.2 时变特性

Ⅱ区所有水平位移测点水平位移过程线如图5所示,可以看出,测点TP06-TP11在2019年以来累积位移相对于其他部位测点的累计位移较大,且年同期位移增量也较大,这些测点主要位于Ⅱ区前缘,滑坡体具有牵引式变形特点,符合前缘测点变形较大的特点。从稳定性的角度考虑,相关三维极限平衡法分析成果表明,Ⅱ区的稳定安全系数从前缘到后缘逐渐增大,潜在失效模式呈现典型的松脱式破坏特点。此外,滑坡体厚度总体上由前至后变薄,前部厚度大,且前缘高程930 m以下至江边的斜坡段地形较陡,地形坡度约为40°,此处岩土体结构较松散,力学性能较差,这些因素共同造成Ⅱ区前缘的累计位移和同期位移增量均较大。

图5 Ⅱ区所有测点水平位移过程线

可以看出,Ⅱ区没有发生变形陡然增加的异常变形情况,整体处于蠕滑变形状态。

3.1 排水洞及地下水位观测孔布置

3.1.1 排水洞

金坪子滑坡Ⅱ区为强烈变形区,处于整体蠕滑状态,稳定性较差。金坪子滑坡底部为千枚岩碎屑土组成的滑带,该滑带渗透性较差,是基岩与滑坡体间的相对隔水层,该滑带一般厚度在10 m左右。

为降低滑坡体内的地下水,除设置表面截、排水沟外,同时在6个不同高程的滑坡基岩内设置排水洞和排水支洞,并通过排水仰孔降低滑坡体内的地下水(见图6)。排水洞自2013年12月开始施工,目前已基本施工完。

图6 金坪子滑坡Ⅱ区排水洞及地下水位孔平面布置

3.1.2 地下水位观测孔

自2012年以来,先后安装了27个地面钻孔的地下水观测孔(Ⅰ区5个、Ⅱ区22个),因滑坡变形等原因先后有12个孔失效(Ⅰ区2个、Ⅱ区10个),目前在测的孔共15个(Ⅰ区3个、Ⅱ区12个)。Ⅱ区地下水位观测孔位置及布置如图7所示。

图7 金坪子滑坡Ⅱ区断面1-1地下水位、基岩面和滑带顶情况(2019-11)

地下水观测孔中有5个测孔(JZK27、JZK32、JZK35、JZK42、JZK43)是原勘探期间安装的,采用自记水位计观测。施工期安装的22个地下水测孔均安装有透水花管,花管段为20 m,均在孔底,地下水测孔采用渗压计或自记水位计观测。

3.2 地下水位时空特性

在测的15个地下水观测孔观测成果如表3所列。根据观测成果,结合地质资料,Ⅱ区断面1-1地下水位、基岩面和滑带顶分布如图7所示。

表3 金坪子滑坡在测的15个地下水观测孔观测成果

注:(1)“进水范围”为测孔范围内地下水能汇集至测孔内的地层范围;(2)“水位降幅”=起测水位-停测水位;(3)“滑体”为基岩面以上的滑坡体(含滑带及其上部第四系堆积物);(4)“滑带以上”为相对隔水层千枚岩碎屑土滑带以上的第四系堆积物;(5)BV06J2孔内在基岩、滑带及滑带上部分层各埋设了1个渗压计P01J2、P02J2和P03J2,实测均无渗压水

Ⅱ区堆积体厚度总体上由前至后变薄,前部厚度大,一般为90～130 m,中部厚度为80～90 m,后部厚度相对较小,为45～60 m。按其物质组成与地质结构,自下而上可分为以下4层:第1层,古冲沟碎块石、砂砾夹少量粉土,属中等透水,该层分布于滑体底部前、中部古冲沟内,厚度30～64 m不等;第2层,千枚岩碎屑土,紫红色粉质黏土夹少量砾石、碎石,厚度一般为2～9 m,滑带土为紫红、灰黑色粉质黏土夹砾石,土为紫红色粉质黏土,硬—可塑状,结构紧密,属隔水层,位于滑体中下部;第3层,千枚岩碎屑夹土,岩性为紫红色、灰黑色粉质黏土夹砾石、碎石,成分单一,结构松散,属中等透水,厚度为一般为16～45 m,最小6～10 m,厚度总体上由前缘向后缘变薄;第4层,白云岩块石碎石夹少量粉土层,厚度20～61 m,广泛、连续分布于滑体上部,结构松散,属中—强透水,有架空现象,分布在滑坡表层及后部,且块石含量呈从前向后递增的趋势。

由图7中地下水位、基岩面和滑带顶的空间位置可知,Ⅱ区地下水总是在基岩面之上,地下水主要富集于第4层白云岩块石碎石夹土层中下部与第3层千枚岩碎屑夹土内,含水层厚度一般为10～20 m。

对于金坪子深层滑坡,滑带大部分区段处于地下水位以下,降雨并不能直接改变滑带的力学参数,斜坡变形和稳定性主要受控于滑带的应力状态。降雨所导致滑带应力状态的改变,主要源自于暂态附加水荷载、滑体力学参数改变引起滑带上作用力变化以及滑体自重的增加等综合作用。

3.2.1 Ⅰ区(5孔)

Ⅰ区在测的3个测孔(JZK42、JZK43和BV03J1)的实测水位均在基岩面以下,进水范围为“基岩及滑体”。3个测孔的透水段均穿过相对隔水层滑带进入了基岩,使滑带以上的滑体地下水能通过测孔排入基岩。JZK42起测至今为干孔;JZK43水位下降了3.1 m,主要受1 350 m高程后缘截水洞的影响(见图8);BV03J1水位下降了19.5 m以上,终测时为干孔(见图9)。

图8 Ⅰ区高程1 597.6 m测孔JZK43水位过程线

图9 Ⅰ区高程1 568 m地下水测孔BV03J1水位过程线

3.2.2 Ⅱ区(22孔)

Ⅱ区全部的22个测孔中,9个测孔的进水范围为“基岩及滑体”,其透水段穿过了相对隔水层滑带进入了基岩,使滑带以上的滑体地下水能通过测孔排入基岩。终测测值表明,9个测孔中,除BV07J2(孔口高程1385.1 m)在基岩面以上水头为7.9 m外,其余8个测孔的水位均在基岩面以下,其中7孔为干孔。受测孔周边排水洞排水的影响,BV07J2的水位降幅为4.8 m(见图10);BV01J2、BV05J2的水位降幅分别达14.1 m和20.4 m以上,BV01J2和BV05J2的起测水位分别在基岩面以上9.6 m和15.0 m,终测降至基岩面以下(终测均为干孔)(见图11)。

图10 Ⅱ区高程1 385.1 m测孔BV07J2水位过程线

图11 Ⅱ区高程1 380 m地下水测孔BV01J2水位过程线

全部的22个测孔中,13个测孔孔底在基岩面以上,进水范围为“滑体”或“滑带以上”,观测基岩面以上的滑体地下水水位。JZK32和BV12J2从起测至终测均为干孔;受测孔周边排水洞排水的影响,7个测孔BV11J2(见图12)、BV10J2(见图13)、BV18J2(见图14)、BV13J2(见图15)、BV19J2、JZK27和JZK35的水位下降了3.0～12.3 m;另外4个孔(BV15J2、BV17J2、BV16J2、BV14J2)的起测时间较晚,是在周边排水洞及排水孔施工完毕之后地下水已经下降并稳定下来才安装的,因此,这4个测孔在起测之后水位没有明显的变化。

图12 Ⅱ区高程1 385 m地下水测孔BV11J2水位过程线

图13 Ⅱ区高程1 380 m地下水测孔BV10J2水位过程线

图14 Ⅱ区高程1 286 m地下水测孔BV18J2水位过程线

图15 Ⅱ区高程1 211.5 m测孔BV13J2水位过程线

总体上,地下排水措施明显降低了地下水水位。通过排水洞的排水作用,有效降低了滑坡体的地下水位,从而降低了滑带处的孔隙水压力,一方面可能提升了滑带处的材料稳定性参数,另一方面孔隙水压力的降低提高了滑带处的有效应力和滑坡体的阻滑力,在下滑力不变的情况下,提高了滑坡体的稳定性。

本文通过分析金坪子滑坡体表面变形的增量、空间分布和时变特性,揭示了表面变形的主要规律。基于地下水位孔观测资料和地质资料,分析了地下水位的状态,揭示了排水措施对地下水位和滑坡体稳定性的影响。主要结论有:

(1)金坪子滑坡处于蠕滑变形状态,较大的位移主要集中在Ⅱ区,其次是Ⅰ区,其他区变形较小。Ⅱ区变形前缘大、后缘小,具有牵引式变形特点。前缘部位位移年同期增量较大,后缘部位均较小,主要是受前缘部位岩土体结构较松散、力学性能较差且坡度较大等影响。

(2)Ⅱ区水平位移方向与沟的展布方向近于平行并向下游偏转,主要受Ⅲ区和Ⅳ区约束作用、冲沟的分布及基覆界面的总体形态、滑带在空间上的不平整性、滑带及附近岩土体材料的不均匀性等众多因素影响。

(3)Ⅱ区地下水主要富集于底层白云岩块石碎石夹土层中下部与中下层千枚岩碎屑夹土内,含水层厚度约为10～20 m。受排水洞排水作用影响,地下水位下降了3.0～12.3 m,排水措施有效降低了地下水水位。

(4)排水措施对滑坡体地下水位的降低,进一步降低了滑带处的孔隙水压力,提升了滑坡体的阻滑力和滑带处的材料参数,提高了滑坡体的稳定性。

水利水电技术

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