水库溢洪道滑坡分析论文

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一、概述

湖南省黄材水库位于湘江一级支流沩水上游。主坝位于宁乡县黄材镇以西3．5km的铁山里，距宁乡县城54．5km。是一座以灌溉为主，兼有发电和防洪等综合效益的大（2）型水利枢纽工程。该工程集雨面积240．8km2，总库容1．53亿m3，主坝为黏土心墙坝，最大坝高61．5m，坝顶高程169．5m，坝顶轴线长347m。副坝有2座，其中竹山坳副坝位于主坝右岸约1km处，坝型为风化料填筑的均质土坝，最大坝高22．3m，坝顶高程170．5m，坝顶轴线长131．5m。溢洪道布置在竹山坳副坝左岸的狮牛冲，为河岸开敞式，进口为无底坎的宽顶堰，堰顶高程157．0m，为控制泄流，其上装3扇10m×9．3m（宽×高）的钢质弧形闸门。

该工程于1958年9月破土兴建，1965年枢纽工程基本建成，1986年完成灌区主体工程配套任务，运行至今。工程在灌溉、发电和防洪等方面发挥了巨大效益，对促进当地工农业生产发展起了一定的作用。但由于设计标准太低，主、副坝渗漏严重，因而在1982年至1984年的水利“三查三定”中，被列为“七五”期间需进行加固的重点“病险水库”之一。在确定加固方案时，通过整体水工模型试验，认为狮牛冲溢洪道左岸应扩建一孔并改造泄槽。实施过程中，因未做任何勘探工作，对边坡所处的地质环境缺乏认识，扩建开挖时导致边坡先后发生5次较大规模滑坡，溢洪道进口滑坡就是其中之一。

该滑坡形成后，设计单位曾对其采取了表层铺盖防渗薄膜、滑体内布设排水洞、前缘设置挡墙等措施，但因缺乏必要的勘探、试验资料，对滑坡特征及其破坏机理认识不足，所以处理尚不彻底。现有观测资料显示，该滑坡仍存在不同程度的变形迹象。为此，必须查明滑坡的边界条件、滑体特征，研究滑坡形成及发展过程和变形破坏机理，并对其在不同工况下稳定状况及其动态变化趋势进行研究分析，以便采取适宜的工程处理措施，确保溢洪道安全运用。

二、滑坡特征及其变形破坏机理

1．滑坡特征

滑坡所在山坡自然地形表现为上陡、中缓、下陡，其后缘基本处于地形缓陡变坡处，后缘圈椅状特征比较明显，滑壁近于直立，高2～3m。前缘向坡外凸出，鼓胀区特征明显，前舌略伸入沟底（靠近原冲沟岸边），最大高差35m。滑坡顺溢洪道呈长条形分布，长约80m，宽30～45m，滑体厚一般为10～20m，纵剖面上为近似圆弧状，呈2～3段弧形折线，体积约3．2×104m3。滑体具有前陡后缓的地形特征，下部地形坡度35°～40°，上部25°～30°。

2．滑坡变形破坏机理

滑体物质上部为残坡积物，下部为风化破碎岩块夹劣质煤层、粉质黏土等。基岩中节理裂隙发育，加之岩体抗风化能力弱，严重破坏了岩体的完整性，使得岩体具有层状碎裂结构的特点。滑坡地带地形陡缓不一，岩体性质和岩体结构存在差异，滑坡变形破坏表现为上部（后缘）从残坡积物中拉裂，下部沿强风化破碎岩块与完整基岩接触面滑动。

滑坡变形破坏的力学机理：人工开挖使前缘边坡变陡，加之降雨及地表水渗入，使处于临界稳定状态的岸坡岩体在水的作用下软化、强度降低，发生压缩蠕变，坡体重心外移，并在其他各种因素尤其是开挖切脚的影响下，致使岸坡下滑，形成滑坡。由于基岩风化破碎，其滑面并非完全受控于岩体的结构面，故而形成近似圆弧状的破坏模式。究其原因有二：一是地形地质环境是形成该滑坡的内因。滑坡区地表残坡积层广布，岩土松散，有架空现象，下部基岩为薄厚不一的层状砂质板状页岩，浅变质细砂岩夹炭质板状页岩及劣质煤层，岩体中结构面发育，风化破碎，岸坡岩体卸荷松弛，地形坡度较陡，不利于边坡稳定。二是溢洪道开挖、地表降水入渗以及施工放炮震动等，是促使滑坡产生的外因。众所周知，由于坡脚开挖，减小了阻滑力，破坏了原本稳定性较差的山坡自然平衡状态，而地表降水的入渗，致使边坡岩（土）体力学强度降低，加之开挖放炮震动等因素，导致了滑坡的产生和发展。

三、溢洪道滑坡稳定性研究分析

1．稳定安全系数FS的计算方法

目前水利水电工程的边坡稳定性分析大多采用刚体极限平衡法[1]。本文分别采用摩根斯坦法（Mogenstern）、不平衡推力法、简布法（Janbu）等三种极限平衡的方法计算滑坡的稳定安全系数。计算中考虑的荷载有滑体自重、地下水的静水压力和动水压力。

2．计算剖面与计算参数的选用

计算剖面采用Ⅰ－Ⅰ′、Ⅱ－Ⅱ′和Ⅲ－Ⅲ′三个纵剖面（以下简称剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），剖面按垂直划分条块，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别划分为10、11、12个条块，条块从上往下编号。

计算参数的选取是根据黄材水库溢洪道滑坡室内岩土力学试验成果并结合岩土体在天然状态下的性状综合考虑的。滑体湿容重γ＝19kN／m3，饱和容重γm＝20．7kN／m3，抗剪强度参数取为f＝0．45，c＝0．02MPa，饱和状态的抗剪强度参数取为f＝0．40，c＝0．01MPa。

3．计算工况

根据工程实际运行情况，拟定如下计算工况作为控制工况。

工况1：钻探试验、取样时，即枯水位151．00m。

工况2：正常蓄水位166．00m。

工况3：设计洪水位167．08m。

工况4：校核洪水位168．69m。

工况5：校核洪水位骤降至正常蓄水位。

工况1、2、3属基本组合，工况4、5属特殊组合。

4．计算成果及分析

根据摩根斯坦法、不平衡推力法、简布法的基本原理，用稳定分析程序MNJ计算得到滑坡稳定安全系数Fs。

分析看出，只有剖面Ⅱ在工况1时的Fs1、Fs2、Fs3以及剖面Ⅲ在工况1～4时的Fs1、Fs2大于1，但小于1．2，其余的稳定安全系数Fs均小于1，说明滑坡在各种工况下都处于不稳定状态。

5．稳定敏感性分析

以上进行的稳定性计算，将滑面的抗剪强度参数作为常数。这种参数是在现有的边坡工程地质研究深度基础上对滑面抗剪强度的综合概括。但是，抗剪强度参数一般都存在时空变异性。因此，进行抗剪强度参数对滑坡稳定的敏感性分析是必要的。根据岩土力学试验成果，滑坡抗剪强度参数的取值为：

f＝0．42～0．52（天然状态）

c＝0．01～0．02MPa（天然状态）

水下折减系数为0．88。

根据f、c的范围值，选取滑坡典型剖面（即剖面Ⅱ）作为计算剖面，以及钻探、试验取样时（即枯水位151．00m）作为计算工况，采用程序MNJ计算滑坡的稳定安全系数Fs。

从敏感性分析的结果看，滑坡稳定性安全系数Fs基本上是随凝聚力c和摩擦系数f的增大而线性地增大。最小的稳定安全系数为0．87，最大的为1．28，而大部分的稳定安全系数在0．95～1．20之间，说明这次钻探、试验取样时滑坡是基本稳定或临界稳定，这与钻探、试验取样时滑坡的实际状态（有微小变形）是相吻合的。因此，滑坡稳定性计算选取抗剪强度参数f＝0．45，c＝0．02MPa（天然状态）和f＝0．40，c＝0．01MPa（饱和状态）是合理的。

四、结语

根据湖南省黄材水库溢洪道滑坡特征及其变形破坏机理和滑坡稳定性研究分析，滑坡稳定安全系数为0．52～1．10，滑体在各种工况下都是不稳定的。因此，必须采取排水、抗滑桩、挡墙等综合工程处理措施，加固整治滑体，防止变形和滑动，确保副坝和溢洪道安全运行。

参考文献：

1崔政权，李宁．边坡工程：理论与实践最新发展．北京：中国水利水电出版社，1999．