反演分析法在綽斯甲水電站壩前堆積體邊坡支護設計中的應用

石 新，喬萬霞，劉 俠

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

在邊坡穩定性分析計算和工程設計中，巖土的粘聚力和內摩擦角的取值準確與否至關重要。目前確定巖土的抗剪強度參數方法有試驗、工程類比和反演分析3種。巖土剪切試驗分為現場和室內2種，受試樣和試驗條件的限制，巖土試驗數據通常很離散，需要進行分析計算來確定。工程類比法在確定巖土的抗剪強度參數時具有很強的主觀性，在確定類比指標時又受到類比邊坡客觀條件的限制。反演分析是確定巖土抗剪強度參數的一種有效的方法，根據邊坡的宏觀變形狀況假設邊坡的穩定性系數，再反算巖土抗剪強度參數。反算是滑坡穩定性計算的逆過程，得到的參數更符合滑坡的變形情況，參數可以作為試驗數據選取的參考。

綽斯甲水電站壩址位于四川省阿壩州壤塘縣蒲西鄉下游1.8km，為綽斯甲河梯級開發的第三級電站，為引水式開發，開發任務為發電，電站最大利用落差約220.0m，裝機容量390MW，電站正常蓄水位2 788.00m，正常蓄水位時水庫庫容116萬m3，調節庫容48萬m3，為二等大(2)型工程。

綽斯甲水電站下壩址壩前右岸發育一坡洪積塊碎石土堆積體，此堆積體的穩定對綽斯甲水電站的壩址選擇起著決定性作用，所以對綽斯甲水電站壩前堆積體邊坡的穩定及安全支護措施分析是非常有必要的。

2 基本地質條件

2.1 地形地貌

右岸壩線上游約170m發育一條沖溝，沖溝～壩線間為一槽狀地形，槽狀地形中發育松散覆蓋層堆積體，下伏雜谷腦組砂板巖。覆蓋層堆積體分為上下兩層，下層為坡洪積，上覆崩坡積。在坡洪積前緣沒有發現拉裂、剪出口或壓密土，亦未見其他變形破壞跡象，現狀整體穩定。

崩坡積分布于坡洪積平臺之上，在壩線上游形成大面積的堆積體，形成坡度一般為26°～42°，地面地質調查表明，除下游壩前基巖與覆蓋層交界處形成大于50°的基巖陡壁外，后緣、側緣未見陡崖、拉裂縫和負地形，僅崩坡積表層局部有塌落變形跡象;崩坡積表面植被發育，生長樹木，未見醉漢林、馬刀樹等形態。天然狀態下整體穩定。

2.2 地層巖性

根據地表地質調查，堆積體主要由下部的坡洪積(dl+plQ4)和上部的崩坡積(col+dlQ4)組成。

坡洪積前緣陡壁主要由灰黃色～深灰色塊碎礫石土組成，輕微膠結，結構較緊密，局部可見砂卵礫石或砂夾礫石夾層。

崩坡積分布于坡洪積平臺之上，組成物質主要為塊碎石土，物質成分較單一，多為近源變質砂巖，塊徑大小懸殊，多呈棱角狀。該層厚度一般5～30m，地表可見塊徑0.5～3m的孤塊石，骨架間充填灰黃色粉土，總體結構較松散，粒度不均，局部架空或形成淺表塌落。

壩前堆積體區出露基巖為三疊系上統雜谷腦組上段(T3z2)深灰色中厚～厚層變質砂巖夾板巖。

2.3 水文地質條件

壩前堆積區地下水類型可分為第四系松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。

孔隙潛水主要賦存于河床及第四系松散堆積層中，受大氣降水及基巖裂隙水補給，堆積體鉆孔地下水位一般與河水位相當，局部承壓現象不明顯。

基巖裂隙水的賦存與運移主要受巖體風化、卸荷以及構造作用的控制和影響，由于河谷深切，兩岸谷坡較陡，地下水排泄條件好，其水位埋藏較深。基巖裂隙水受大氣降水下滲補給，堆積區地下水位總體埋藏較深。

2.4 地質參數

根據覆蓋層各層的物質組成、結構等，再結合已有工程經驗進行工程類比分析后綜合確定，壩址區覆蓋層物理力學指標建議值見表1。

表1 綽斯甲水電站壩址區堆積體物理力學性建議值

2.5 地 震

綽斯甲水電站壩址區50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度為108 cm/s2，地震基本烈度為Ⅶ度。

3 邊坡穩定性分析

3.1 反演參數分析的必要性

根據地質提供的堆積體的基本參數進行邊坡穩定計算，計算結果顯示在天然工況下邊坡已經失穩，與實際邊坡整體穩定相矛盾，為了推求出更吻合堆積體本身的實際參數，在穩定計算過程中先用反演分析法反演堆積體參數。

3.2 反演依據及使用程序

(DL/T 5337－2006)參照《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》中對邊坡計算參數的規定，可根據邊坡的臨界穩定狀態反算推求滑面的綜合抗剪強度參數，一般來說，反分析中穩定系數取值建議:蠕動擠壓階段宜采用1.00～1.05，初滑階段宜采用0.95～1.00。

從勘測資料和地面地質調查判斷該堆積體未曾發生滑動，根據堆積體現狀及地質評價結論，堆積體在正常和水位驟降工況下，堆積體邊坡是穩定的。因此確定反分析中穩定系數達到規范規定的反演安全系數。

計算采用水科院陳祖煜編“土質邊坡穩定計算程序STAB”，根據(DL/T5353－2006)《水電水利工程邊坡設計規范》中規定:粘性土、混合同和均質堆積物宜按圓弧滑面計算，宜采用下限解法做穩定分析，推薦采用簡化畢肖普法求解最危險滑面和相應的安全系數。

3.3 反演崩坡積參數

選取堆積體范圍內的兩個剖面進行計算，在頂部崩坡積內用stab程序搜索最危險滑裂面，反演分析時假定正常工況下邊坡的穩定性系數為1.0，則對上述剖面反算得崩坡積凝聚力C=5～20kPa，φ=28°～34°。

3.4 反演坡洪積參數

根據地質描述及類比相似工程，確定合適的崩坡積參數，在頂部崩坡積和坡洪積內用stab程序搜索最危險滑裂面，反演分析時假定正常工況下邊坡的穩定性系數為1.0，則對上述剖面反算得坡洪積凝聚力 C=10 ～40kPa，φ =28°～30°。

3.5 堆積體抗剪強度參數及合理性評價

綜合上述反演計算結果，結合堆積體邊坡上的樹木有百年樹齡的現狀，判斷堆積體已穩定存在了數百年之久，應經歷了暴雨、地震等工況仍然穩定，其安全系數應超過了反演的值。根據反演結果，參考類似工程經驗，取崩坡積的力學參數為:φ=34°，C=13kPa。

下部坡洪積總體結構較密實，輕微膠結，其抗剪強度力學參數要比崩坡積高，根據反演，參考類似工程經驗，選坡洪積的力學參數為:φ=28°，C=30kPa。

3.6 邊坡穩定分析計算

3.6.1 規范規定的安全系數

根據(DL/T5353－2006)《水電水利工程邊坡設計規范》，由邊坡所影響的建筑物的級別及邊坡失事的危害程度綜合確定邊坡的級別，從而確定相應的邊坡最小抗滑穩定安全系數。右岸堆積體靠首部很近，如果失穩下滑，將影響首部樞紐的正常安全和運行，考慮綜合因素，右岸堆積體邊坡為A類工程樞紐邊坡，邊坡等級為Ⅱ級，根據規范選用“(A類)2級工程樞紐邊坡”的安全系數，確定右岸閘前堆積體運行期設計安全系數控制標準見表2。

表2 閘前右岸堆積體邊坡設計安全系數控制標準

3.6.2 危險滑裂面

綽斯甲水電站最大壩高26m，壩前雍水高度約20m，由于水位雍高，堆積體下部被淹沒，抗剪強度指標降低，為了保持堆積體原狀，避免對堆積體過多的擾動，建筑物設計采取了避讓的布置方式。

使用選定的參數計算壩前典型剖面在崩坡積和坡洪積交界附近正常工況下、地震工況下和水位驟降工況下的邊坡穩定，計算分析的最危險滑弧如圖1所示。對不同工況計算的安全系數見表3。

圖1 堆積體典型剖面搜索最危險滑弧

表3 壩前右岸堆積體邊坡搜索最危險滑裂面的安全系數

3.6.3 沿基覆界線滑裂面

考慮到基覆界線面上的粗糙程度的影響，界面的抗剪強度可能較土體內部抗剪強度有所降低，使用反演參數折減后(即崩坡積的力學參數:φ折減10%取為30°，c值考慮到崩坡積架空現象明顯，細顆粒含量較少，取為3kPa;坡洪積的力學參數:φ=28°，c=30kPa)，計算壩前典型剖面沿基覆界線正常工況下、地震工況下和水位驟降工況下的邊坡穩定，沿基覆界線滑弧如圖2所示。對不同工況計算的安全系數如表4。

3.6.4 計算結果分析

圖2 堆積體典型剖面沿基覆界線滑弧

表4 壩前右岸堆積體邊坡沿基覆界線滑裂面的安全系數

根據計算結果，壩前典型剖面內搜索最危險滑裂面正常工況下的的安全系數小于規范要求;沿基覆界線滑動的大滑弧，典型剖面從平臺附近滑出的滑裂面和從河床底部滑出的滑裂面的安全系數在正常工況下均不滿足規范要求。因此必須對堆積體邊坡采取相宜的工程處理措施。

3.7 邊坡支護設計

3.7.1 邊坡錨索支護

堆積體邊坡支護加固措施與其它邊坡基本相似。邊坡加固工程的技術途徑主要有:

(1)減少滑坡下滑力或消除下滑因素;

(2)增加滑坡阻滑力或增加阻滑因素。到目前為止，邊坡支護加固工程措施可歸納為以下幾種:大開挖清方減重、壓坡腳加載反壓、削坡+錨固(抗滑樁、錨索)、綜合治理等措施。

綜合考慮各種措施的適應性、施工可行性及經濟性等因素，選擇在庫水消落范圍內，采用混凝土護坡，貼坡上布置錨索方案。混凝土護坡長度約180m，厚度0.5～1.2m，基礎建于河床下1.0m，頂部高程為2 790.00m，護坡坡度為1∶1;錨索的高程分別為2 780.00m、2 790.00m、2 800.00m、2 805.00m和2 810.00m，共五排錨索，噸位為75噸，錨索間距為5m，俯角15°，長度50m。堆積體處理典型剖面如圖3。

3.7.2 邊坡排水設計

崩坡積表面植被發育，生長樹木，為防止雨水滲透造成滑坡體抗滑穩定性降低，便于地表積水迅速排走，在邊坡后緣設置一道截水溝。

3.7.3 監測設計

為減少對上部堆積體的施工擾動，對堆積體上部邊坡可以通過安全監測來預測、預報邊坡失穩，從而采取有效措施對其失穩進行防范，特別是雨季要加強監測和巡視，確保安全。

圖3 下壩址堆積體處理典型剖面示意

4 結 論

反演分析法原理簡單、條理清晰、可操作性比較強，因此在實際邊坡穩定計算中被廣泛應用。堆積體物理參數是在綽斯甲水電站壩前堆積體邊坡整體穩定反演分析的基礎上得到的，參考類比相似工程，結合目前邊坡穩定狀況，反演參數是相對適當的力學參數，并根據反演參數進行了合理的邊坡支護設計。