動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下臨庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析

楊金林，符新閣，王玉川，王勇鑫

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水利水電工程建成蓄水后，庫(kù)岸邊坡受水浸泡、侵蝕，出現(xiàn)變形破壞，可能引發(fā)不同規(guī)模的滑坡、塌岸等地質(zhì)災(zāi)害，庫(kù)水變化是誘發(fā)庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)的主要因素之一[1-3]。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[4-5]，40%～49%的失穩(wěn)岸坡發(fā)生在水位上升期間，30%發(fā)生在水位消落期。其中，庫(kù)區(qū)較大的滑坡或岸坡破壞多數(shù)發(fā)生在庫(kù)區(qū)最高水位消落期。因此，研究庫(kù)水變化條件下的庫(kù)岸穩(wěn)定對(duì)保障水庫(kù)安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目[6]位于幾內(nèi)亞孔庫(kù)雷河上，是西非目前在建的最大水利工程。該電站總庫(kù)容63.17億m3，裝機(jī)容量450 MW，最大壩高120 m，工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型。大壩正常蓄水位210 m，死水位185 m，為碾壓混凝土重力壩。前期地質(zhì)勘察資料顯示，右岸壩軸線上游50 m處存在一處松散堆積體(潛在不穩(wěn)定邊坡體)。工程開(kāi)挖過(guò)程中，該處受斷層F1影響，斷層兩側(cè)巖體差異風(fēng)化明顯。受巖石邊坡與土石邊坡的坡比過(guò)渡區(qū)的影響，過(guò)渡區(qū)一定范圍內(nèi)的土質(zhì)邊坡較陡。為確保開(kāi)挖邊坡在施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定與安全，以大壩右岸壩肩巖石與土坡過(guò)渡區(qū)域的土坡為研究對(duì)象，分析該處邊坡在動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下的穩(wěn)定性演化規(guī)律。本文擬采用定性和定量相結(jié)合的方法，對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為工程設(shè)計(jì)和邊坡防護(hù)提供理論依據(jù)。

2 邊坡基本特征

2.1 分布特征

大壩上游50 m開(kāi)挖形成的潛在不穩(wěn)定邊坡前緣高程約190～210 m，后緣最高高程約258 m，原始地形坡度約23°，開(kāi)挖后形成綜合坡比為1∶0.8(約51.3°)的陡坡，沿高程線200 m附近延伸長(zhǎng)度約280 m，面積約2.1×104m2，體積約8.4×105m3。根據(jù)鉆孔資料，地下水位位于邊坡下部基巖層中，且地下水位隨季節(jié)變化，雨季水位抬高，旱季水位下降。右岸壩前潛在不穩(wěn)定邊坡見(jiàn)圖1。圖中，1—1′為計(jì)算剖面。

圖1 右岸壩前潛在不穩(wěn)定邊坡

2.2 地層巖性

根據(jù)鉆孔及開(kāi)挖資料，該處邊坡巖性自上而下依次為粘土質(zhì)礫或含礫粘土、粘土、含碎石粘土、強(qiáng)風(fēng)化基巖。

(1)粘土質(zhì)礫或含礫粘土層。棕紅色，稍濕，稍密～密實(shí)，透水性中等。礫為鐵質(zhì)結(jié)核，礫徑一般為0.2～1.5 cm，含量一般為20%～70%，土以粘土或粉質(zhì)粘土為主。該層中含有較多的孤石，孤石巖性主要為輝綠巖，粒徑一般為0.5～1.0 m。該層位于鐵帽層下部，鉆孔揭露最大層厚24 m，最小層厚2.2 m，平均層厚9.15 m。

(2)粉質(zhì)粘土或粘土層。土質(zhì)均勻，透水性較小，為輝綠巖全風(fēng)化殘積土，顏色較雜，一般厚度為2.1～16.5 m。

(3)含碎石粘土層。碎石主要為全風(fēng)化砂巖和風(fēng)化殘塊，透水性較好，多出現(xiàn)在砂巖區(qū)，鉆孔揭露最大厚度為22.4 m，最小厚度為2.0 m，平均厚度為9.45 m。

(4)基巖。碎石層下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，呈極薄層狀～薄層狀，泥質(zhì)粉砂巖物理力學(xué)性質(zhì)較差，遇水軟化。

3 邊坡穩(wěn)定性定性分析

3.1 定性分析

3.1.1形成機(jī)制分析

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合勘察資料，該邊坡在形成過(guò)程中經(jīng)歷2次大的事件，形成現(xiàn)在的地貌格局：

(1)早期。受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)，輝綠巖巖體發(fā)育NE向裂隙，地形地貌經(jīng)后期改造(主要是河流改造)后，一方面，延伸較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)裂隙經(jīng)風(fēng)化卸荷作用形成寬大裂隙，寬大裂隙沿裂隙走向發(fā)生深部卸荷風(fēng)化；另一方面，斷層F1兩側(cè)發(fā)生差異卸荷風(fēng)化作用，臨河側(cè)形成深厚邊坡體。

(2)在其后的漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，F(xiàn)1斷層上游側(cè)巖體沿節(jié)理裂隙發(fā)生深部風(fēng)化蝕變，巖體卸荷和崩塌作用持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致上部巖塊孤立脫離母巖；再受物理風(fēng)化的持續(xù)作用，形成殘積土和孤石。

3.1.2穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪成果，邊坡周?chē)窗l(fā)現(xiàn)裂縫，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡開(kāi)挖后，形成綜合坡比為1∶0.8的陡坡，正常蓄水位210 m時(shí)，坡腳約10 m淹沒(méi)在水中。在水位210～185 m周而復(fù)始上下波動(dòng)的誘導(dǎo)下，前緣坡腳粉質(zhì)粘土、粘土或泥質(zhì)粉砂巖遇水后強(qiáng)度參數(shù)變低，可能產(chǎn)生變形破壞，在庫(kù)水沖刷下可能產(chǎn)生局部坍塌，坍塌物質(zhì)被庫(kù)水?dāng)y帶走，小規(guī)模坍塌持續(xù)發(fā)生并慢慢擴(kuò)展，并牽引后部巖土體的蠕動(dòng)變形，邊坡后緣可能會(huì)出現(xiàn)張裂縫，產(chǎn)生弧形滑動(dòng)。初步分析，邊坡可能局部滑塌，但整體滑動(dòng)的可能性不大。

3.2 定量分析

3.2.1計(jì)算方法及模型

采用Rocscience-Slide軟件模擬分析，計(jì)算理論采用Bishop simplified法、Janbu simplified法，這種方法將滑動(dòng)土體劃分為多條塊模式，然后基于M-C破壞準(zhǔn)則進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。根據(jù)開(kāi)挖情況勘測(cè)，斷層上游20 m且平行斷層剖面潛在危險(xiǎn)性較大(主滑動(dòng)方向)，即圖1中1—1′剖面作為計(jì)算剖面。地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖2 堆積體工程地質(zhì)剖面

圖3 Slide計(jì)算模型

3.2.2計(jì)算參數(shù)

前期地質(zhì)勘察過(guò)程中，在工程區(qū)取土樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖情況，綜合提出該處邊坡組成物質(zhì)的巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值指標(biāo)，見(jiàn)表1。

3.2.3穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

水利水電工程邊坡的最小安全系數(shù)應(yīng)綜合考慮邊坡的級(jí)別、運(yùn)用條件、治理和加固費(fèi)用等因素，在SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的范圍內(nèi)選定。采用極限平衡方法計(jì)算的邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足表2的規(guī)定。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

注：非常運(yùn)用條件Ⅱ?yàn)檎＿\(yùn)用條件下遭遇地震。

結(jié)合蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)方式，為全面分析研究邊坡在動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律，設(shè)置了2種工況：①工況A，動(dòng)態(tài)水位(死水位-正常蓄水位-死水位)；②工況B，動(dòng)態(tài)水位(死水位-正常蓄水位-死水位)+地震作用(0.1g)。對(duì)于失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)度大的邊坡或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡，設(shè)計(jì)安全系數(shù)宜取上限值，反之取下限值。邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 邊坡安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

3.3.3穩(wěn)定性分析

(1)工況A岸坡穩(wěn)定性分析。圖4為水庫(kù)水位從185 m升至210 m再下降至185 m過(guò)程中邊坡安全系數(shù)隨水位升降的變化規(guī)律過(guò)程(升降速率0.5 m/d)。以Bishop simplified法為例，當(dāng)蓄水至185 m時(shí)，安全系數(shù)為1.93；升至210 m時(shí)，安全系數(shù)為1.39，降低28%。庫(kù)水位運(yùn)行100 d內(nèi)，邊坡安全系數(shù)維持在1.39，表明此時(shí)岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。水位由210 m降至185 m，安全系數(shù)由1.39升至1.63，增大17%，表明邊坡安全系數(shù)隨著庫(kù)水位下降安全系數(shù)逐漸增大。圖5為安全系數(shù)隨庫(kù)水位變化規(guī)律。從圖5可知，邊坡安全系數(shù)最小值為1.39，對(duì)應(yīng)著正常蓄水位為210 m。正常運(yùn)用條件下，庫(kù)水從正常蓄水位降至死水位，允許安全系數(shù)為1.15，滿(mǎn)足規(guī)范要求。邊坡在動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下，整體呈現(xiàn)出隨庫(kù)水位升高安全系數(shù)較小、隨庫(kù)水位回落呈增大的規(guī)律，且邊坡安全系數(shù)下降的速率略高于上升的速率。邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律與變動(dòng)帶內(nèi)庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)隨水位上升增大、隨水位下降降低的規(guī)律[7-9]不一致。究其原因，一是，邊坡僅坡腳部位位于水位變動(dòng)帶內(nèi)，水對(duì)其影響不大；二是，庫(kù)水變動(dòng)坡腳處水位提供的抗滑力(水壓力)小于坡腳物質(zhì)減小的抗滑力。

圖4 安全系數(shù)隨庫(kù)水位變化規(guī)律

圖5 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分布

(2)工況B岸坡穩(wěn)定性分析。圖6為基于地震工況下庫(kù)水位從185 m升至210 m再下降至185 m過(guò)程中，岸坡的安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降的演化規(guī)律變化過(guò)程。從圖6可知，地震工況下動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)的規(guī)律性與工況A基本一致，隨著庫(kù)水位的升高而減小，隨著庫(kù)水位的回落而增大，且邊坡安全系數(shù)下降的速率略高于上升的速率。在庫(kù)水位升降的過(guò)程中，邊坡安全系數(shù)減小30%，下降過(guò)程增大19%，高于工況A，表明邊坡在擾動(dòng)強(qiáng)度高的情況下，安全系數(shù)變化大。圖7為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分布。從圖7可知，正常蓄水位210 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.15，基本滿(mǎn)足非常運(yùn)用條件Ⅱ允許安全系數(shù)1.10，邊坡基本上處于極限平衡狀態(tài)。

圖6 安全系數(shù)隨庫(kù)水位變化

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

圖7 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分布

本文采用定性和定量相結(jié)合的方法對(duì)蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目右岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，利用極限平衡分析法，結(jié)合該項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)方式，模擬了動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分析結(jié)果如下：

(1)根據(jù)邊坡的形成機(jī)制，邊坡坡腳部位在動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下可能存在局部滑塌現(xiàn)象，但整體滑動(dòng)的可能性較小。

(2)動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下，邊坡安全系數(shù)整體上與庫(kù)水位升降呈反線性關(guān)系。庫(kù)水位上升時(shí)，安全系數(shù)減?。粠?kù)水位下降時(shí)，安全系數(shù)增大。水位升降速率對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較小。

(3)正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，邊坡安全系數(shù)最低?；诘卣鸸r條件下，邊坡安全系數(shù)接近規(guī)范允許安全系數(shù)，基本上處于臨界狀態(tài)。

4.2 建議

(1)現(xiàn)狀下邊坡整體上是穩(wěn)定的，但上部粘土質(zhì)礫層中含有較多粒徑較大的孤石，在施工開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)避免該層孤石出露，以免在雨水沖刷作用下孤石滾落或墜落。

(2)坡腳處物質(zhì)主要為含碎石粘土和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，特別是泥質(zhì)粉砂巖遇水軟化，在庫(kù)水反復(fù)沖刷掏蝕的作用下，坡腳物質(zhì)被河水帶走，易造成上部物質(zhì)蠕動(dòng)變形，出現(xiàn)小規(guī)模的滑塌，應(yīng)加強(qiáng)邊坡防沖刷工作。