向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預警研究

姜龍，汪小剛，葛懷光，孫建會，朱趙輝

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預警研究

姜龍，汪小剛，葛懷光，孫建會，朱趙輝

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

水電站大多修建在地質條件復雜的高山峽谷地區，各種高壩的興建將不可避免地涉及工程高邊坡的穩定性等工程地質問題。本文深入系統地對工程高邊坡穩定性和邊坡預警進行研究，分析工程高邊坡穩定性、建立邊坡預警模型和健康診斷體系。研究結果表明：（1）變形隨時間增加而增大，隨深度增加而減小。其變化規律表現為前期快速增加、中期緩慢增加和后期逐漸趨穩。（2）采用有限元強度折減法，進行了馬延坡邊坡穩定性分析，其治理前后穩定性系數為1.05和1.72。（3）采用施加邊界位移方法，以等效塑性應變區域貫通作為判據，進行了邊坡滑坡預警分析，建立了基于位移變形量和安全系數雙重指標控制的邊坡預警監控體系。

向家壩水電站；馬延坡邊坡；邊坡穩定性；安全預警；三維數值模型

1 研究背景

我國水力資源理論蘊藏量高達6.8億kW，其中可開發利用的資源量為3.8億kW，居世界之首，其中68%分布在西南云、貴、川等地區。隨著我國經濟高速發展，極大地帶動了資源和能源的開發進程，從而全面帶來了水電建設領域的繁榮。如三峽、南水北調、小灣、向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德等大型工程相繼或即將興建［1-2］。毫無疑問，隨之也帶來了眾多的邊坡工程問題，尤其是西部水電工程，邊坡越來越高、地質結構及環境條件愈來愈復雜。這些工程邊坡的穩定性狀況，事關工程建設的成敗與安全，對整個工程的可行性、安全性及經濟性等起著重要的控制作用，并在很大程度上影響著工程建設的投資及使用效益。工程邊坡穩定問題已成為我國水電工程建設中面臨的主要技術問題之一，深入系統地對工程高邊坡穩定性和邊坡安全預警進行研究，反演工程邊坡力學參數、分析工程高邊坡穩定性、建立邊坡安全預警監控體系，指導和優化工程設計、施工，具有非常重大的工程實踐意義。建立的基于位移變形量和安全系數雙重指標控制的邊坡預警監控體系不僅可以直接服務于工程建設，而且對我國工程邊坡穩定性和安全預警研究也會起到推動作用。

2 工程概況和工程地質特征

2.1 工程概況向家壩水電站是金沙江梯級開發中的最后一個梯級，是我國在建和已建的第三大水電站，為一等大（1）型工程，工程樞紐布置由大壩、廠房和升船機等建筑物組成，壩型為混凝土重力壩［3-4］。馬延坡邊坡位于金沙江流域的向家壩水電站壩址右岸，其上布置了諸多建筑物，從坡頂到坡腳主要有：110 kV中心變電站、副地下廠房、砂石加工系統及多條道路等。

2.2 工程地質特征馬延坡邊坡地表覆蓋層主要為人工堆渣、殘坡積物、崩坡積物，一般厚度0.5～6.4 m；基巖為侏羅系自流井組的砂巖和泥巖，上部為灰白色、淺黃色厚層狀中細砂巖夾薄層狀棕黃色和磚紅色細砂巖，下部為灰色泥質巖石。

在馬延坡的侏羅系巖層中揭露有4條主要夾層，自下而上分別編號JC①—JC④。JC①：位于砂巖與下部的泥巖分界面下部，埋深10.8～29.6 m，夾層組成物質為灰色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖巖塊巖屑夾淺灰色的泥，泥由泥質巖石風化形成，結構松散，干燥狀態手捏易碎，遇水可塑狀。主要分布于變電站開挖邊坡、500 m水池邊坡、456 m平臺開挖坡SW端。JC②：灰白色、棕黃色泥巖碎塊及其風化形成的灰白色泥，干燥時泥可捏成泥粉，遇水黏性較強，可塑狀。主要分布于BPZK2（5.4～6.5 m）、BPZK3（12.8～13.1 m）、BPZK4（5.1～5.5 m）、LZK23（15.3～15.8 m）LZK24（5.6～7.2 m）、半成品料堆場邊坡、G5膠帶機基礎往東140 m處。JC③：灰白色、棕黃色泥巖及其風化形成的泥，遇水泥多呈流塑－可塑狀。主要分布于SJ1（2.5 m）、575 m水池后側邊坡、BPZK3（7.0～7.1 m）、BPZK9（4.6～4.8 m）、537 m平臺后側邊坡、520平臺后側邊坡、LZK23（6.0～6.8 m）。JC④：灰白色、棕黃色泥巖及其風化形成的泥，遇水泥多呈流塑－可塑狀。主要分布于544 m平臺后側邊坡。

工區地處亞熱帶濕潤季風氣候區，冬暖春早，夏季炎熱，雨水多集中，秋季陰雨綿綿，濕度較大。年平均氣溫在18.5°，相對濕度81%，年平均降雨量在897.7～1 000 mm，多集中在6—9月份，以暴雨或陣雨的方式為主。地下水直接接受降雨的補給，表層覆蓋層滲透性較好，賦存于上部砂巖層內裂隙中。地震基本烈度為7度區，設計基本地震加速度值為0.1 g，第一組。

3 馬延坡邊坡監測成果研究

3.1 監測方案為監測邊坡處理加固效果和及時了解、掌握邊坡的變形（滑坡）情況及發展變化趨勢，發現異常情況，隨時采取補救措施，防止滑坡及坍塌等意外事故發生。結合邊坡整治效果，對其邊坡穩定性和安全度進行評價，優化設計，為加固處理實施方案提供重要的科學依據。根據馬延坡一期（500 m水池、成品料場、6#公路附近布置尺寸2.5 m×4.0 m的抗滑樁）和二期（110 V變電站、500 m水池、成品料場附近布置尺寸2.7 m×3.5 m的抗滑樁及邊坡排水溝）治理工程進度，并結合馬延坡邊坡變形體的地質情況、變形特征、建筑物場地分布特點和范圍等，進行監測項目布置，具體如圖1和2所示。

圖1 馬延坡外部變形觀測平面布置

3.2 監測成果分析對于外部變形特性，選取典型斷面的監測數據進行整編分析，繪制了水平、垂直位移隨時間變化曲線，如圖3所示。圖中P為斷面的觀測墩，如P08表示08號測墩的水平位移隨時間變化曲線，P08′表示08號測墩的垂直位移隨時間變化曲線，以此類推。

從圖3可見，水平、垂直位移隨時間增加而增大。位移變化可分為3個階段，前期（—2007年9月）為變形快速增加階段；中期（2007年9月—2008年12月）為變形緩慢增加階段；后期（2008年12—）為變形逐漸趨穩階段。

圖2 馬延坡變形體監測儀器平面布置

依據典型斷面觀測成果和水平、垂直累計位移變化規律，經數據整編分析，繪制了水平、垂直位移變化速率隨時間變化曲線，如圖4所示。

從圖4可見，水平、垂直位移變化速率隨時間增加而減小。位移速率變化也可分為3個階段，基本與位移變化階段相一致。

圖3 水平、垂直位移隨時間變化曲線

圖4 水平、垂直位移速率隨時間變化曲線

對于深部變形特性，選取典型測斜孔的監測數據進行整編分析，繪制了深部位移隨深度變化曲線，如圖5所示。

圖5 測斜孔IN14位移變形隨深度變化曲線

從圖5可見，測斜孔的位移變形隨深度增加而減小，隨時間增加而增大。距孔口一定深度處均有位錯位移，反映了邊坡在某一深度位置已發生滑動變形。2007年9月以后，孔口位移和位錯位移均變化較小，這與邊坡加固處理結束時間較為吻合，整體變形主要表現為受季節和降雨影響的波動變化，處于穩定狀態。位錯位置深度以下，位移變形較小，達到一定深度后位移變形基本不變。

依據典型測斜孔觀測成果和位移變形隨深度變化規律，經數據整編分析，繪制了孔口1 m處的位移、位移速率隨時間變化曲線，如圖6所示。圖中IN為測斜孔，IN02為2號測斜孔的位移速率隨時間變化曲線，IN02′為2號測斜孔的位移隨時間變化曲線，以此類推。

圖6 測斜孔IN14孔口1 m處位移、位移速率隨時間變化曲線

圖7 地下水位孔水位變化隨時間變化曲線

從圖6可見，位移速率隨時間增加而減小，位移隨時間增加而增大。位移速率整體表現為先增加再減小直至基本穩定的變化規律，局部波動主要受降雨和邊坡內部變形動態平衡調整影響。

對于地下水變化特性，選取典型斷面的地下水位監測數據進行整編分析，繪制了水位隨時間變化曲線，見圖7。圖7中OH為斷面的地下水位孔，如OH4表示4號地下水位孔的水位隨時間變化曲線，以此類推。

從圖7可見，地下水位隨時間增加而波動變化，年變幅呈減小趨穩。水位高程較高的地下水位孔的水位受降雨影響較大，而水位高程較低的地下水位孔的水位受降雨影響較小。

4 馬延坡邊坡穩定性研究

4.1 數值模型的建立及驗證基于樁土和巖土體內裂隙間罰函數接觸，依據巖土體物理力學參數表1和表2，建立了滲流-應力耦合的三維模型。巖土體采用C3D8RP單元，抗滑樁采用C3D8R單元的黏-滑接觸摩擦模型，模擬抗滑樁部位與原巖土體共用網格單元，原現單元賦予各自材料屬性，采用生死單元方式模擬抗滑樁施工，分析過程中摩擦系數保持不變。依據馬延坡邊坡治理實際工況，選取典型監測斷面，建立的邊坡數值模型網格圖如圖8所示。數值模擬計算結果如圖9—圖11所示。

表1 巖土層劃分及參數

表2 抗滑樁的物理力學參數

圖8 計算模型的網格劃分

圖9 數值模型孔隙水壓力云圖

圖10 數值模型側向變形云圖

圖11 位移變形隨深度變化曲線（對應測斜孔IN14）

從圖5和圖11可見，相應位置的位移變形（1000 d）基本相等，實測值為55.3 mm，數值模擬計算值為56.1 mm。二者相差0.8 mm，誤差為2%左右。故考慮樁土和界面罰函數接觸的基礎上，建立滲流-應力耦合的三維數值模型能很好地模擬邊坡現場基本工況的側向變形，在研究邊坡變形方面是可行的。

4.2 邊坡穩定性分析基于有限元強度折減法的邊坡穩定分析的基本原理就是將邊坡強度參數黏聚力c和tanφ（φ為內摩擦角）同時除以一個折減系數F，得到一組新的強度參數值c′和tanφ′。然后作為新的材料參數輸入，再進行試算，直至邊坡達到極限平衡狀態，發生剪切破壞，同時得到臨界滑動面，此時對應的折減系數F即為最小安全系數［5-7］。經過折減后的剪切強度參數c′和φ′為：

在進行馬延坡邊坡穩定性分析時，依據強度折減法計算邊坡穩定性系數。馬延坡邊坡布置了開關站、110 kV變電站，臨時布置了500 m高程水池、6#公路、成品料場等建筑設施。按照原地質條件（邊坡治理前）和設置抗滑樁及排水溝（邊坡治理后）兩種工況進行試算分析，邊坡治理前后不同折減系數的塑性應變云圖如圖12—圖13所示。不同折減系數的側向變形如圖14所示。

從圖12—圖13可見，同樣荷載條件下，邊坡治理前塑性區域從邊坡頂部和底部向中間貫通，其為蠕滑破壞；邊坡治理后塑性區域從抗滑樁附近向兩側貫通，其為半剛性破壞。邊坡治理前后塑性區域的發生皆從局部開始，隨著折減系數的增大，逐漸向塑性區域貫通趨勢發展。

圖12 邊坡治理前數值模型塑性應變云圖

圖13 邊坡治理后數值模型塑性應變云圖

圖14為側向變形隨折減系數變化曲線，從圖14可見，側向變形隨折減系數增加而增大。強度折減系數較小時，側向變形增幅較??；強度折減系數較大時，側向變形增幅較大。邊坡治理前后強度折減系數增幅較大，邊坡穩定性增加明顯，在折減系數F=1.05和F=1.72附近，側向變形增幅驟然增加，即將產生很大的且無限發展的塑性變形和位移。

圖14 側向變形隨折減系數變化曲線

5 馬延坡邊坡安全預警研究

5.1 預施位移數值模型驗證在邊坡的安全預警方面進行研究，無論定性分析還是定量分析，都能歸結為對控制效應量的閾值選取問題。在現有的定性分析方法、定量分析方法、不確定性分析方法、模型試驗及監測分析方法等研究手段中，主要為工程類別來判定，其次為強度折減來分析，其三為監測數據的時程曲線預測［8-11］。本文突破常規方法解決邊坡穩定性問題的思維，采用預先施加邊界位移方法，以等效塑性應變區域貫通作為判據，對邊坡的安全預警進行分析。

建立與現場工況一致的預先施加邊界位移的數值模型，進行該方法應用的可行性分析。依據表面變形觀測墩和測斜孔所監測的邊坡變形成果，并按勻速遞增施加位移進行數值計算分析。首先將施加位移的區域先進行實體剖分，讓單元面與實體面重合，施加在實體面的位移即為單元面的位移。施加位移荷載的側向變形云圖如圖15所示，不同施加荷載方式下的側向變形如圖16所示。

圖15 數值模型側向變形云圖

從圖15和圖16可見，隨著邊界位移逐漸增加，側向變形逐漸增加。變形增加逐漸向有利于變形發展的區域發展。側向變形隨著施加荷載或位移增加而逐漸增加。前期階段兩種加荷方式條件下變形基本無變化，隨著施加荷載或位移增加變形變化逐漸增加，最大增幅為2.2 mm。故建立的施加邊界位移條件的滲流-應力耦合三維數值模型也能很好地模擬邊坡現場基本工況的側向變形，在研究邊坡變形方面是可行的。

5.2 邊坡安全預警分析依據施加邊界位移條件的滲流-應力耦合三維數值模型，以等效塑性應變區域貫通為判據，通過在原模型的基礎上繼續增加邊界位移方式，進行邊坡安全預警研究，其數值模擬邊坡變形云圖如圖17所示。

從圖17可見，隨著邊界位移增加，側向變形逐漸增加，等效塑性應變逐漸貫通。最大變形為102.6 mm，相應測斜孔位置的變形為75.2 mm。

將各個荷載分析步的有效應力結果導出，作為數值模型的初始條件，進行施加位移邊界條件的邊坡穩定性分析。其側向變形、安全系數隨各荷載步變化曲線如圖18所示。

從圖18可見，隨著側向變形增加，安全系數逐漸減小。隨著變形增加，安全系數減小變化大致可分為3個階段：快速發展階段、勻速過渡階段和緩慢趨穩階段。強度折減系數較小時，側向變形增幅較??；強度折減系數較大時，側向變形增幅較大。

依據位移變形量和安全系數雙重指標，進行邊坡安全預警控制研究，建立針對向家壩水電站馬延坡邊坡安全預警監控體系，如表3所示。

從表3可見，邊坡預警監控受位移變形量和安全系數雙重指標控制，不僅從單點進行變形控制，也從整體進行塑性應變區域控制。該預警監控體系能很好地為后期邊坡加固處理實施方案提供重要的科學依據，指導工程施工、優化工程設計，為類似工程提供技術支持。

圖16 側向變形隨不同荷載步變化曲線

圖17 數值模型側向變形云圖

圖18 側向變形與安全系數關系

表3 邊坡安全預警監控體系

6 結論

（1）表面位移變形隨時間增加而增大。位移變化可分為3個階段，前期（—2007年9月）為變形快速增加階段；中期（2007年9月—2008年12月）為變形緩慢增加階段；后期（2008年12月—）為變形逐漸趨穩階段。

（2）深部位移隨深度增加而減小，隨時間增加而增大。邊坡地層中有一定厚度的軟弱層，存在明顯位錯位置。位移速率呈先增加再減小直至基本穩定的變化規律，局部波動主要受降雨和邊坡內部變形動態平衡調整影響。

（3）地下水位隨時間增加而波動變化，年變幅呈減小趨穩，整體往減小的趨穩方向發展。

（4）采用有限元強度折減法，進行了邊坡穩定性分析。經試算，馬延坡邊坡治理前后穩定性系數分別為1.05和1.72。邊坡治理前塑性區域從邊坡頂部和底部向中間貫通，邊坡治理后塑性區域從抗滑樁附近向兩側貫通。治理前塑性區域從邊坡頂部和底部向中間貫通，其為蠕滑破壞；邊坡治理后塑性區域從抗滑樁附近向兩側貫通，其為半剛性破壞。強度折減系數較小時，側向變形增幅較??；強度折減系數較大時，側向變形增幅較大。

（5）采用施加邊界位移方法，以等效塑性應變區域貫通作為判據，進行了邊坡安全預警分析，建立了基于位移變形量和安全系數雙重指標控制的邊坡預警監控體系。該預警監控體系能很好地為邊坡加固措施提供依據，指導工程施工、優化工程設計，為今后類似工程提供技術支持。

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Study on landslide early warning of Mayanpo slope at Xiangjiaba hydropower station

JIANG Long，WANG Xiaogang，GE Huaiguang，SUN Jianhui，ZHU Zhaohui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

Most of hydropower stations are built in the mountain valley region with complex geological con?ditions，and so it is inevitable to involve some engineering geological problems of high slope stability in building a variety of high dams.This paper has systematically studied stability and early warning of high en?gineering slope in depth，and established the early-warning model and the health diagnosis system.The re?sults show that:①displacement deformation increases with time and decreases with increasing depth.The change rules of performance are deformation rapidly increases in the early，and slowly increases in the me?dium，and becomes gradually stable in the later.②through stability analysis of Mayanpo slope by strength reduction FEM，the stability coefficient before treatment and after are 1.05 and 1.72.③using boundary dis?placement method，the early warning of slope landslide are analyzed with equivalent plastic strain region through as a criterion.The early-warning monitoring system of slope are established，which based on dou?ble controlling indicators of displacement deformation amount and safety factor.

XiangjiabaHydropowerStation；Mayanposlope；slopestability；landslideearlywarning；three-dimensional numerical model

TV223.3+1；TU457

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.002

1672-3031（2015）02-0091-09

（責任編輯：王成麗）

2014-05-15

姜龍（1980-），男，黑龍江人，博士后，高級工程師，主要從事大壩安全及滑坡預警研究。E-mail：Jiangl_zhj@126.com