柳洪水電站庫區左岸堆積體邊坡穩定性分析與評價

張榮貴，鄧樂榮，張連明

1 概 述

柳洪水電站為美姑河流域規劃報告中五個梯級電站自上而下的第四級。該電站是利用美姑河爾其至柳洪河段比降高達30.5‰這一落差集中的優勢，而布置的典型引水式電站。柳洪水電站于2004年1月主體工程開工，2007年7月首臺機組發電，2008年2月3臺機組全部投產發電。

柳洪水電站庫區左岸崩塌堆積體，位于無名溝口上游，分布于1 290 ～ 1 465m高程間，順河長約510m，橫河寬約300m，前緣直抵河邊。堆積體厚度16～ 80m，體積約320萬m3，主要為崩坡積塊碎石土，下部有坡積堆積的粉質粘土層。該堆積體距閘壩取水口最近距離約85m, 距壩軸線約110m。

柳洪水電站采用以庫代池進行沉砂，為使庫區河道盡量順直，對堆積體前緣一定范圍進行削坡處理。在開挖期間該邊坡一度出現明顯變形，在擋墻和預應力錨索施工完成后，變形得到抑制，但監測數據顯示仍存在緩慢變形。合理評價該邊坡的穩定性，有助于決策是否追加投資進行再處理。

目前，土質邊坡穩定的評價性方法很多，主要有定性、定量以及后來發展的基于不確定性模型的評價方法。本文將采用基于極限平衡理論的安全系數計算法和考慮不確定性因素的可靠度分析法進行該堆積體邊坡的穩定評價。安全系數法是一種傳統的確定性模型邊坡穩定分析方法，獲得的是衡量安全度的一個指標，即安全系數。可靠度分析法作為安全系數法的一種補充，可以考慮實際問題中的不確定性因素的影響，獲得兩個指標，即安全系數的均值和標準差，進而獲得邊坡的失效概率和可靠度指標。這兩種方法綜合監測數據分析、變形預測能夠使邊坡穩定分析評價更加合理及富有重要的現實意義。

2 堆積體工程地質特征

水庫區左岸由三疊系下統砂巖夾粉砂巖、頁巖構成陡峻山坡，地層緩傾上游及坡內，谷坡整體穩定。谷坡前緣的二疊系峨眉山玄武巖頂面分布的崩坡積堆積體，順河分布長約510m，寬約300m，前緣高程1 290 ～ 1 295m，后緣最高至1 465m，地表坡度26° ～ 35°。鉆孔揭示表明堆積體厚度一般45 ～ 65m，前緣及上游側厚度15 ～ 25m。開挖揭示基巖出露高程下游高、上游低，地質剖面分析表明下部基覆界面在橫剖面上呈“U”型，最低高程1 289m。在空間上堆積體主體呈“鍋底型”，上游側基巖和下游側坡腳基巖對堆積體滑動有一定約束作用。堆積體最大厚度約80m，體積約320萬m3(見圖1)。

3 堆積體開挖期變形分析

3.1 變形情況

庫區左岸邊坡開挖施工于2006年5月底，擋墻基礎開挖及削坡于2006年9月12日全部完成。9月13日柳洪工地降雨較大，該邊坡于9月14日開始即出現較多的變形跡象。主要表現為：

(1)該邊坡開挖坡面的上部較大范圍內出現2條拉裂縫，裂縫發育長度大于已經完成施工擋墻的長度。

圖1 堆積體中部典型地質剖面示意

(2)已經施工完成的漿砌石擋墻開裂速度加快，根據簡易監測成果，漿砌石擋墻裂縫在2天時間內，向坡面外移動約10cm；漿砌石擋墻裂縫范圍加大，以前未出現拉裂縫的漿砌石擋墻也出現裂縫。

(3)在擋墻基坑內，沿含碎石粉質粘土層，上部土體剪出。到9月25日形成A、B裂縫，見圖1所示。

3.2 邊界條件

后緣以A裂縫為界，高程1 361 ～ 1 368m之間；前緣以③層頂面的含碎石粉質粘土剪出口為界，高程1 296m；下游以無名溝為界；上游以A、B裂縫上游端為界；底界為③層頂面的含碎石粉質粘土層。變形表現為前緣大于后緣，地表大于深部，下游大于上游。邊坡處于蠕滑變形階段，未發生大變形和滑動破壞。

3.3 變形特點

結合地質資料和監測數據分析，該堆積體邊坡變形具有以下特點：

(1)土體內部存在變形突變點；

(2)地表總變形前緣大于后緣、下游大于上游；

(3)地表變形量與變形速率均大于深部；

(4)邊坡變形速率逐漸減小；

(5)水庫蓄水初期，庫水對土體的變形速率影響是明顯的，隨著時間推移，庫水對土體變形速率的影響變小；

(6)邊坡前緣開挖切腳后，降雨對邊坡變形影響較大，2007 ～ 2008年降雨影響較為明顯，導致了變形并出現裂縫，2009年后(錨索施工完)雨季的變形增量呈逐年減小的趨勢；

(7)變形范圍未見擴大跡象。

3.4 變形原因分析

從邊坡變形過程來看：2006年6月開始削坡開挖，至9月12日削坡及前緣擋墻基礎開挖全部完成，期間邊坡未發現有大的變形跡象，9月13日工區降下大雨，9月14日堆積體內開始出現裂縫，到9月25日形成A、B裂縫。

從邊坡變形特征來看：A裂縫后緣土體未見明顯的變形跡象，以A裂縫為后緣邊界的變形邊坡，其宏觀變形程度總體表現為坡外側強于坡內側、下游段強于上游段，呈較明顯的牽引式變形特征，處于蠕滑變形階段。

綜合分析邊坡變形的主要原因是由于坡體前緣坡腳削坡開挖，部分抗滑體被挖除，改變了原有坡體的穩定條件，坡體由前緣向后部、由地表向深部進行應力調整和應力的重分布，在加固措施未完成前，恰逢當年降雨豐富，綜合導致出現變形拉裂現象。根據坡體變形跡象、裂縫規模及變形速率分析，變形坡體尚未形成貫通的“滑面”。坡體應力在開挖卸荷階段調整較大，邊坡深部變形屬于一種伴隨開挖卸載而出現的變形調整，并以蠕滑變形的形式表現出來。

4 穩定分析

4.1 安全系數控制標準

水利水電工程邊坡按其所屬樞紐工程等級、建筑物級別、邊坡所處位置、邊坡重要性和失事后的危害程度，劃分邊坡類別和安全級別。根據水電工程邊坡設計相關規范規定，水庫邊坡設計安全系數見表1。

表1 水電水利工程邊坡設計安全系數

具體邊坡工程所采用的設計安全標準，應根據邊坡與建筑物關系、邊坡工程規模、工程地質條件復雜程度以及邊坡穩定分析的不確定性等因素的分析，從表2中所給的范圍內選取。對于失穩風險度大或穩定分析中不確定因素較多的邊坡，設計安全系數宜取上限值，反之取下限值；邊坡穩定的基本方法是平面極限平衡下限解法，當有充分論證時，可以采用上限解法，其設計安全系數按表1規定不變。

柳洪水電站為三等中型工程，攔河閘壩為3級建筑物，該邊坡為近壩庫岸土質高邊坡，坡腳的河道狹窄，水庫庫容小，潛在不穩定堆積體方量相對較大，存在一定的安全風險。監測成果資料及地質巡視觀察分析判斷表明，該邊坡變形具有蠕變特征。綜合考慮各方面因素，確定該堆積體邊坡為B類水庫邊坡，邊坡級別為Ⅱ級。通過對邊坡規模、形態、變形特點、破壞機制等要素進行深入分析，建議參數取值考慮了邊坡規模及風險等不利因素的影響。因此，控制標準可以在Ⅱ級邊坡控制標準范圍內適當的結合工程投資及治理難度綜合采用。考慮到如完全按照Ⅱ級邊坡上限選取控制標準，對工程投資及治理難度均影響較大。因此柳洪水電站庫區左岸堆積體安全系數控制標準按表2采用。

表2 柳洪水電站庫區左岸堆積體安全系數控制標準

4.2 計算參數

根據土工實驗成果，柳洪水電站庫區左岸堆積體地質參數見表3。

表3 柳洪水電站庫區左岸堆積體地質參數

4.3 剛體極限平衡分析成果

根據(DL/T5353-2006)《水電水利工程邊坡設計規范》，邊坡抗滑穩定分析以平面極限平衡法中的下限解法作為基本方法。本邊坡工程在計算過程中，采用中國水利水電科學研究院編制的邊坡穩定分析程序STAB2009，分別計算以A裂縫為后緣面的變形滑塊穩定安全系數和整個堆積體邊坡整體穩定安全系數。在計算整體穩定時，考慮到各剖面差異，對結果進行加權處理。

從計算成果可見，除整體滑動模式中部剖面外，其余剖面計算結果均滿足最小安全系數控制標準。各剖面安全系數規律反映出上下游兩側基巖條件對堆積體具有一定約束作用，這與地質定性判斷的結果一致。穩定安全系數成果見表4。

表4 穩定安全系數成果

4.4 可靠度分析

在進行工程設計和安全評價時，不但要很好的了解各種分析、判斷手段，而且要把握在進行這些分析過程中包含的各項不確定因素。工程建設中重大決策實際上就是對各項不確定性因素造成的風險進行評價。在已經確定了數學模型的基礎上，分析由于參數的變異特性，導致邊坡工程失效的概率，這一分析過程稱為可靠度分析。“可靠度方法，如果不是把它作為現有傳統方法的替代物的話，確實可以為分析巖土工程中包含的不確定性提供系統的，定量的途徑。在工程設計和決策中，用這一方法來定量地駕馭和分析這些不確定因素尤為有效[1]。”本文基于上述剛體極限平衡穩定分析結果，對柳洪電站庫區左岸堆積體邊坡整體穩定進行可靠度分析，獲得邊坡的失效概率和可靠度指標。

定義功能函數：

F(x1，x2，…xn)-1=0

(1)

lnF(x1，x2，…xn)=0

(2)

式中F——安全系數；

x1，x2，…xn——影響安全系數的因素，該邊坡采用地下水壓力和軟弱層抗剪強度參數(φ°、c)。

相應的可靠度指標為：

β=(μF-1)/σF

(3)

式中μF——安全系數均值；

σF——安全系數標準差。

通過采用J.M.Duncan方法，可求得可靠度指標:β=2.5，相應的堆積體邊坡失效概率:Pf=6.21×10-3。邊坡設計基準年限一般為50年，則該邊坡年失效概率為1.24×10-4。可靠度指標接近于水工規范規定的三級結構允許的設計可靠度指標，年失效概率與澳大利亞已建邊坡處于高危地區的允許風險概率相當[2]。

5 監測分析

5.1 監測布置

庫區左岸堆積體埋設21個表面變形觀測墩(OP)、1個控制網點觀測墩、6個測斜孔(IN)、3支滲壓計(PZ)。布設概況如圖2所示。

圖2 監測儀器布設平面示意

5.2 監測成果

根據堆積體特點，將監測部位分為后緣、中部、前緣三個區域，分別對監測數據進行分析。表面變形監測X向河谷方向位移為“+”；Y向下游位移為“+”；反之為“-”。深部變形監測(測斜管)：A向臨空面(河谷)位移為“+”；B向向下游位移為“+”；反之為“-”。

表面變形監測數據表明，相對堆積體總體變形量而言，堆積體后緣部位變形相對較小，2007年3月到2012年12月期間X方向累計變形為24.40～179.15mm，Y方向累計變形為-13.10～68.65mm；堆積體中部區域變形相對較大，X方向累計變形為194.00～494.40mm，Y方向累計變形為-18.40～135.75mm；堆積體前緣區域變形相對較大，但2012年10月變形趨于收斂，X方向累計變形為59.30～104.65mm，Y方向累計變形為-23.55～-0.80mm。

深部變形監測以具有代表性IN-01測斜孔為例，IN-01測斜孔有兩個變形界面，主要變形界面高程1 303.5m左右(孔內深度57m左右)，次要變形界面高程1 352.4m左右(孔內深度9m左右)。IN-01所在區域變形以蠕滑變形為主。位移過程線見圖3～8。

圖3 后緣X方向位移過程線 圖4 后緣Y方向位移過程線

圖5 中部X方向位移過程線 圖6 中部Y方向位移過程線

圖7 前緣X方向位移過程線 圖8 前緣Y方向位移過程線

5.3 堆積體邊坡變形分析

堆積體后緣測點在觀測初期年度變形量相對較大，2009年之后變形量逐年減小。各測點累計合位移24.73～179.15mm，累計沉降量-9.70～190.95mm。2012年年度位移2.15～29.2mm，沉降量-0.36～16.80mm。2012年平均月變形速率為0.70～1.57mm，平均月沉降速率-0.30～4.20mm。截止2012年12月雖然堆積體后緣區域變形量持續增加，但變形速率明顯降低。

從變形和降雨關系來看，2010年、2011年、2012年原來受降雨影響變形較大測點在雨季變形速率沒有明顯增加。說明目前狀態下，降雨對堆積體影響微弱。因此2007～2009年變形較大的原因應是由于水庫初期蓄放水，孔隙水壓力未迅速釋放和土體結構重建所致。堆積體主體成分碎石土為強透邊坡變形的影響。

5.4 堆積體邊坡變形預測

可能影響庫區左岸堆積體變形的因素有：庫水位、降雨以及時效。根據實際數據與這些因子的圖形曲線對比可以看出，庫水位變化及降雨量與變形量沒有明顯的相關規律，故只考慮時效因子對柳洪庫區的滑坡變形進行逐步回歸擬合，并進行變形量的預測。

對時效因子與邊坡變形進行擬合，采用如下回歸模型：

δ=α0+b1θ+b2lnθ+b3eθ+b4eθ

=α0+b1T1+b2T2+b3T3+b4T4

(4)

方程模型建立中，共選用影響因子4項。

式中δ——滑坡的變形量；

θ——建模資料系列的第一個測值日至觀測日的累計天數除以100；

α0——常數項；

b1、b2、b3、b4——時效因子回歸系數。

利用相關軟件程序，建立了柳洪庫區滑坡變形的回歸方程，根據變形擬合方程，預測部分表面觀測點2015年12月底累計變形。預測變形速率分布統計見表5，2007～2015年月變形速率對比見圖9。根據預測數值可知，到2015年變形速率明顯減小，預測的6個測點X方向變形(指向右岸方向為正)，月變形速率由83.3%測點位于1.5～2mm/月范圍，變化為83.3%的測點月變形速率小于1.0mm/月。總體位移量緩慢增長，但月變形速率明顯減小，堆積體變形總體趨于穩定。

表5 預測2015年變形速率分布統計(預測6個測點)

圖9 2007～2015年平均月變化速率對比

6 堆積體邊坡穩定性綜合評價

柳洪電站庫區左岸堆積體邊坡施工期出現變形裂縫的主要原因是坡體前緣坡腳削坡開挖，部分抗

滑體被挖除，改變了原有坡體的穩定條件，坡體由前緣向后部、由地表向深部進行應力調整和應力的重分布,導致出現變形拉裂現象。宏觀地質分析表明，邊坡空間形態具有一定約束作用，使得拉裂變形得到控制；穩定計算成果和可靠度分析成果表明邊坡具有一定安全度和可靠度；監測成果分析表明，該堆積體邊坡在2006至2009年期間一度進入加速蠕變狀態，2009年至今，處于穩定蠕變狀態，雖然總變形仍緩慢增加，但變形速率日趨穩定，這種現象在散粒體構成的堆積體邊坡普遍存在。當前柳洪庫區左岸堆積體最大合位移變形速率2.94mm/月，81%的測點變形速率小于2mm/月，小于散體邊坡/土質邊坡安全控制標準 3.0 ～ 6.0mm/月的要求[3]。采用回歸分析進行預測，邊坡變形處于穩定變形控制標準范圍內。

7 結 語

在邊坡穩定分析中，以定量穩定計算分析為基礎，結合地質定性判斷，監測分析，并輔以可靠度分析和變形預測分析，進行綜合評價，對于柳洪庫區左岸邊坡這類工程的決策具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1] United States National Research Council.巖土工程中的可靠度方法[R].1995.

[2] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析——原理·方法·程序[M].中國水利水電出版社，2003.

[3] 黃潤秋.巖石高邊坡發育的動力過程及其穩定性控制[J].巖石力學與工程學報，2008.