肯斯瓦特水庫邊坡穩定性綜合分析

宋 軍，張敬東

(新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院，新疆烏魯木齊 830002)

水庫邊坡施工過程中壩肩開挖邊坡的失穩，可能危及施工人員的生命安全。正常運營后，失穩巖土體滑入水庫中，減小了水庫庫容，甚至造成水庫的廢棄。庫岸滑坡直接危及水工建筑的安全，高速滑坡造成巨大的涌浪，可能造成潰壩。因此，水庫庫岸邊坡穩定性的研究對確保水電工程的建設、運行具有重大意義。

1 水庫邊坡穩定性評價方法概述

邊坡穩定性評價方法可分為兩類，即定性分析方法和定量分析方法。定性分析方法是通過對影響邊坡穩定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩的力學機制等的分析，給出被評價邊坡一個穩定性狀況及其可能發展趨勢的定性說明和解釋。而定量方法則是通過室內試驗或現場測試取得巖土體的物理力學參數后，采用一定的計算理論和計算方法，對邊坡的穩定性進行定量分析和評估。

水庫邊坡中常用到的定性方法有CSMR法［1-2］。CSMR法能綜合考慮影響邊坡穩定性的多種因素，快速地對邊坡的穩定狀況及其發展趨勢作出評價，但在參數的具體取值過程中還帶有很大的經驗性，常會因人而異。赤平極射投影法常與剛體極限平衡法相結合［3］，用于分析淺表層邊坡巖體結構的穩定性。由于赤平極射投影法只考慮了巖體結構(結構面產狀)這一單一條件，因此該方法常局限于對局部楔形塊體的穩定性分析中。

邊坡的定量評價，目前常用的方法是剛體極限平衡分析法和應力應變分析法。剛體極限平衡法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法和Sarma法等，假設邊坡巖土體為剛性，剛性塊體本身不產生變形，且可以傳遞應力，只研究滑動面上的受力大小，不研究滑體及滑床內部的應力狀態。剛體極限平衡法由于做了較大的簡化，容易手算出安全系數，目前依然為廣大工程技術人員青睞。但剛體極限平衡法最大的問題是需要預先人為假定滑裂面，容易出現和客觀實際相悖的情況。應力應變分析法，如目前常見的非連續變形分析法(DDA)［4］、快速拉格朗日差分法(FLAC)［5］和有限元強度折減法［6］等。其最大的優點是不需對滑面的形態事先作任何假定，而是直接計算邊坡內部巖體各點的應力值，從而分析確定滑面的形式和邊坡變形破壞機制，在計算邊坡的整體穩定性上有很大的優越性。但對淺表層的破碎巖土體的分析結果，則不如赤平極射投影法精確。

本文將定性方法和定量方法綜合應用到新疆肯斯瓦特水庫邊坡穩定性的研究中，以做到揚長補短，更好的評判邊坡的穩定性。

2 工程實例

新疆肯斯瓦特水利樞紐工程處于瑪納斯河中游河段，是瑪納斯河流域規劃中最大的控制性水利樞紐工程。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪洞、發電引水系統及電站廠房組成，水庫設計蓄水位990.0 m，庫容為1.88億m3，電站裝機容量100 MW。壩型選擇為鋼筋混凝土面板砂礫石壩，壩頂高程996.6 m，最大壩高129.40 m，壩頂長475 m。發電洞、泄洪洞、溢洪道及聯合進水口均布置于右岸，右岸工程邊坡安全是本工程重點之一，因此對右岸邊坡穩定性研究是很有必要的。

圖1 右岸邊坡典型剖面

本文采用CSMR法對右岸邊坡進行整體定性評價，用赤平極射投影法對潛在的楔形塊體進行穩定性評估，并用有限元強度折減法對邊坡的整體穩定性進行定量分析。

3 CSMR法

Romana在Bieniawskizt提出的RMR巖體質量評價方法的基礎上，綜合考慮邊坡工程中不連續面產狀與坡面間的組合關系，以及邊坡的開挖方式等，提出了SMR(Slope Mass Rating)法［7］，如式(1)所示。這種方法可直接根據巖體質量分級結果來評價邊坡的宏觀穩定性，確定邊坡的破壞形式及加固方法。中國水利水電邊坡工程登記小組于1997年在RMR-SMR體系的基礎上引入高度修正系數ζ和結構面條件修正系數λ，提出了具有中國特色的 CSMR分類體系［1］，如式(2)所示。

式中:RMR是Bieniawskizt提出的巖體質量得分，其評分標準見表1;ζ指高度修正系數，ζ=0.57+(34.4/H)，其中H為邊坡高度，m;F1為與邊坡和結構面走向間平行度有關的系數，取值決定于不連續面與邊坡面走向的相近程度，它的值域為1.00(當兩者近于一致時)到0.15(當兩者夾角 ＞30°時，破壞的可能性很小);F2為與結構面傾角有關的系數，平面破壞模式中F2由不連續面傾角大小確定，其值由1.00(當不連續面傾角＞45°時)變化到0.15(當不連續面傾角＜20°時)，若為傾倒模式，則F2的值始終為1.0;F3反映了不連續面傾角與邊坡面傾角間的關系。F1，F2和F3的具體修正方法見表2。F4是通過工程經驗獲得的邊坡開挖方法的調整參數，見表3。λ是結構面條件系數，當結構面為斷層或夾泥層時取1.0，當層面貫穿裂隙時取0.8～0.9，節理取0.7。

表1 邊坡巖體質量RMR法評分標準

表2 結構面方位修正

表3 邊坡開挖方法修正

右岸邊坡的RMR法最終評分為44，屬于Ⅲ級巖體，質量一般。右岸邊坡的CSMR法的最終評分是36.54(見表4)，為Ⅳ類巖體，巖體穩定性差。CSMR法Ⅳ類巖體可能存在的破壞形式為節理，可構成平面并產生大型楔形塊體滑動，威脅工程的安全。這種破壞形式，需要在重要的水工建筑物附近，對潛在的楔形塊體加設預應力長錨桿錨固，對淺表層破碎巖體系統噴射混凝土加固，并做好邊坡深部排水工作。

表4 右岸邊坡CSMR體系巖體分類評價

4 赤平極射投影法

肯斯瓦特水庫右岸岸坡巖性以白堊系下統呼圖壁河組泥質粉砂巖為主，巖層產狀282°NE∠53°，岸坡自然坡度45°～50°。主要節理裂隙發育有3組:①340°～350°SW∠60°～70°;②0°～10°SE∠40°～50°;③80°～90°SE∠80°～90°。通過赤平投影對其穩定性進行分析，如圖2所示。

圖2 右岸岸坡赤平極射投影

依據圖示結構面與坡面的關系，結構面單一判定以及結構面組合判定，其中節理組1和節理組2以及巖層層面和節理組3所構成的結構塊體可能不穩定。其交線與坡向相同，交線傾角緩于邊坡傾角，結構面組合傾向與坡面傾向相同，結構面傾角小于坡面傾角，以此初判右岸岸坡為不穩定邊坡，可能發生巖層斜向傾倒滑坡或局部塊體的楔形體滑動。這一判斷與用CSMR法得出的結論一致。在該水庫邊坡進行道路施工開挖時，部分楔形塊體在暴雨后出現滑動，且部分區域出現沿單一結構面(走向340°～350°陡傾，由節理組1控制)滑動破壞。施工中發生的岸坡失穩驗證了CSMR法和赤平極射投影的判斷是基本準確的。

5 有限元強度折減法

有限元強度折減法就是不斷地調整邊坡巖土體的抗剪強度參數，把巖土體中的黏聚力c和內摩擦角φ的正切值tanφ同時除以折減系數Fs，如式3所示，折減后的參數再代入有限元中進行計算。隨著折減系數Fs的增大，邊坡巖土體的抗剪強度逐漸降低，逐漸由安全狀態進入極限平衡狀態，并最終發生失穩破壞，此時的折減系數即為邊坡的安全系數。

依據圖1中的邊坡橫剖面和縱剖面圖建立幾何模型。根據鄭穎人等［8-10］的研究，巖體及軟弱結構面可采用平面應變實體單元模擬。本文采用了ANSYS軟件自帶的plane 82單元來模擬邊坡中的卵礫石層、強風化巖體、弱風化巖體、微風化巖體及斷層，材料本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則為Druck-Prager準則，巖體的物理力學參數如表5所示。

從圖3(a)中可看出，當折減系數Fs為1.14時，橫剖面中的上部漂卵礫石層(高程985～1 020 m)已基本形成塑性貫通面。而當折減系數Fs為1.34時，縱剖面中的上部漂卵礫石層(高程980～1 020 m)也已基本形成塑性貫通面，如圖3(b)所示。從相應特征點水平方向的位移隨折減系數的變化曲線圖(圖4)中也可看出，在折減系數為1.14和1.34前后，橫剖面和縱剖面中的坡體均出現位移突變，即坡體中的巖土體此時已處于臨界破壞狀態。因此，可認為橫剖面邊坡和縱剖面邊坡的邊坡安全系數分別為1.14和1.34。由于穩定系數較小，不滿足工程要求，上部的漂卵礫石邊坡需進行適當的削坡處理。下部的泥質粉砂巖穩定性很好，基本上沒有塑性變形。根據計算，當Fs為4.0時，下部的砂巖層依然塑性變形不大。因此可判斷下部巖質邊坡的整體穩定性很好。

表5 物理力學參數計算取值

圖3 邊坡臨界狀態的塑性貫通面

圖4 特征點水平方向位移隨折減系數的變化曲線

6 結論

1)簡要回顧了在邊坡穩定性分析中常用的定性和定量方法，介紹了目前在水庫中常用的CSMR法、赤平極射投影法及應力應變分析法，并分析了各自的利弊。并將CSMR法、赤平極射投影法和有限元強度折減法應用到肯斯瓦特水庫邊坡穩定性的分析中。

2)肯斯瓦特水庫右岸邊坡的 CSMR得分為36.54，屬于Ⅳ級，巖體質量偏差，節理面可構成大型楔形體滑動。通過赤平極射投影法分析，驗證了CSMR法的判斷。工程施工中也印證了這一判斷的準確性。

3)有限元強度折減法計算結果表明，橫剖面和縱剖面的上部漂卵礫石邊坡的穩定性較差，不滿足工程邊坡的穩定性要求，需要進行適當的削坡處理。下部的巖質邊坡整體穩定性很好，只需對水工建筑物附近潛在的楔形塊體用預應力錨桿錨固，并對破碎巖體系統噴射混凝土加固，做好邊坡深部的防水工作。

4)本文采用CSMR法和赤平極射投影法對肯斯瓦特水庫邊坡的穩定性進行定性評價，同時又通過有限元強度折減法對邊坡的整體穩定性進行定量分析，充分發揮了定性和定量方法的優越性，并揚長避短，對類似工程有一定的借鑒意義。

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