石 新，喬萬(wàn)霞，劉 俠

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

在邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算和工程設(shè)計(jì)中，巖土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。目前確定巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)方法有試驗(yàn)、工程類比和反演分析3種。巖土剪切試驗(yàn)分為現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)2種，受試樣和試驗(yàn)條件的限制，巖土試驗(yàn)數(shù)據(jù)通常很離散，需要進(jìn)行分析計(jì)算來(lái)確定。工程類比法在確定巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)具有很強(qiáng)的主觀性，在確定類比指標(biāo)時(shí)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(qiáng)度參數(shù)的一種有效的方法，根據(jù)邊坡的宏觀變形狀況假設(shè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，再反算巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。反算是滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的逆過(guò)程，得到的參數(shù)更符合滑坡的變形情況，參數(shù)可以作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xiāng)下游1.8km，為綽斯甲河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第三級(jí)電站，為引水式開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站最大利用落差約220.0m，裝機(jī)容量390MW，電站正常蓄水位2 788.00m，正常蓄水位時(shí)水庫(kù)庫(kù)容116萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容48萬(wàn)m3，為二等大(2)型工程。

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

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

右岸壩線上游約170m發(fā)育一條沖溝，沖溝～壩線間為一槽狀地形，槽狀地形中發(fā)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(méi)有發(fā)現(xiàn)拉裂、剪出口或壓密土，亦未見(jiàn)其他變形破壞跡象，現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。

崩坡積分布于坡洪積平臺(tái)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(zhì)調(diào)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(cè)緣未見(jiàn)陡崖、拉裂縫和負(fù)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(fā)育，生長(zhǎng)樹(shù)木，未見(jiàn)醉漢林、馬刀樹(shù)等形態(tài)。天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定。

2.2 地層巖性

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)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(jié)，結(jié)構(gòu)較緊密，局部可見(jiàn)砂卵礫石或砂夾礫石夾層。

崩坡積分布于坡洪積平臺(tái)之上，組成物質(zhì)主要為塊碎石土，物質(zhì)成分較單一，多為近源變質(zhì)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(jiàn)塊徑0.5～3m的孤塊石，骨架間充填灰黃色粉土，總體結(jié)構(gòu)較松散，粒度不均，局部架空或形成淺表塌落。

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

2.3 水文地質(zhì)條件

壩前堆積區(qū)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(bǔ)給，堆積體鉆孔地下水位一般與河水位相當(dāng)，局部承壓現(xiàn)象不明顯。

基巖裂隙水的賦存與運(yùn)移主要受巖體風(fēng)化、卸荷以及構(gòu)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(bǔ)給，堆積區(qū)地下水位總體埋藏較深。

2.4 地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)覆蓋層各層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等，再結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比分析后綜合確定，壩址區(qū)覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值見(jiàn)表1。

表1 綽斯甲水電站壩址區(qū)堆積體物理力學(xué)性建議值

2.5 地 震

綽斯甲水電站壩址區(qū)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(wěn)定性分析

3.1 反演參數(shù)分析的必要性

根據(jù)地質(zhì)提供的堆積體的基本參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在天然工況下邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，與實(shí)際邊坡整體穩(wěn)定相矛盾，為了推求出更吻合堆積體本身的實(shí)際參數(shù)，在穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中先用反演分析法反演堆積體參數(shù)。

3.2 反演依據(jù)及使用程序

(DL/T 5337－2006)參照《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》中對(duì)邊坡計(jì)算參數(shù)的規(guī)定，可根據(jù)邊坡的臨界穩(wěn)定狀態(tài)反算推求滑面的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，反分析中穩(wěn)定系數(shù)取值建議:蠕動(dòng)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(cè)資料和地面地質(zhì)調(diào)查判斷該堆積體未曾發(fā)生滑動(dòng)，根據(jù)堆積體現(xiàn)狀及地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)論，堆積體在正常和水位驟降工況下，堆積體邊坡是穩(wěn)定的。因此確定反分析中穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到規(guī)范規(guī)定的反演安全系數(shù)。

計(jì)算采用水科院陳祖煜編“土質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序STAB”，根據(jù)(DL/T5353－2006)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:粘性土、混合同和均質(zhì)堆積物宜按圓弧滑面計(jì)算，宜采用下限解法做穩(wěn)定分析，推薦采用簡(jiǎn)化畢肖普法求解最危險(xiǎn)滑面和相應(yīng)的安全系數(shù)。

3.3 反演崩坡積參數(shù)

選取堆積體范圍內(nèi)的兩個(gè)剖面進(jìn)行計(jì)算，在頂部崩坡積內(nèi)用stab程序搜索最危險(xiǎn)滑裂面，反演分析時(shí)假定正常工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.0，則對(duì)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(shù)

根據(jù)地質(zhì)描述及類比相似工程，確定合適的崩坡積參數(shù)，在頂部崩坡積和坡洪積內(nèi)用stab程序搜索最危險(xiǎn)滑裂面，反演分析時(shí)假定正常工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.0，則對(duì)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(qiáng)度參數(shù)及合理性評(píng)價(jià)

綜合上述反演計(jì)算結(jié)果，結(jié)合堆積體邊坡上的樹(shù)木有百年樹(shù)齡的現(xiàn)狀，判斷堆積體已穩(wěn)定存在了數(shù)百年之久，應(yīng)經(jīng)歷了暴雨、地震等工況仍然穩(wěn)定，其安全系數(shù)應(yīng)超過(guò)了反演的值。根據(jù)反演結(jié)果，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，取崩坡積的力學(xué)參數(shù)為:φ=34°，C=13kPa。

下部坡洪積總體結(jié)構(gòu)較密實(shí)，輕微膠結(jié)，其抗剪強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)要比崩坡積高，根據(jù)反演，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，選坡洪積的力學(xué)參數(shù)為:φ=28°，C=30kPa。

3.6 邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算

3.6.1 規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)

根據(jù)(DL/T5353－2006)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，由邊坡所影響的建筑物的級(jí)別及邊坡失事的危害程度綜合確定邊坡的級(jí)別，從而確定相應(yīng)的邊坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。右岸堆積體靠首部很近，如果失穩(wěn)下滑，將影響首部樞紐的正常安全和運(yùn)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(jí)為Ⅱ級(jí)，根據(jù)規(guī)范選用“(A類)2級(jí)工程樞紐邊坡”的安全系數(shù)，確定右岸閘前堆積體運(yùn)行期設(shè)計(jì)安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 閘前右岸堆積體邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

3.6.2 危險(xiǎn)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(méi)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低，為了保持堆積體原狀，避免對(duì)堆積體過(guò)多的擾動(dòng)，建筑物設(shè)計(jì)采取了避讓的布置方式。

使用選定的參數(shù)計(jì)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(wěn)定，計(jì)算分析的最危險(xiǎn)滑弧如圖1所示。對(duì)不同工況計(jì)算的安全系數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 堆積體典型剖面搜索最危險(xiǎn)滑弧

表3 壩前右岸堆積體邊坡搜索最危險(xiǎn)滑裂面的安全系數(shù)

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(qiáng)度可能較土體內(nèi)部抗剪強(qiáng)度有所降低，使用反演參數(shù)折減后(即崩坡積的力學(xué)參數(shù):φ折減10%取為30°，c值考慮到崩坡積架空現(xiàn)象明顯，細(xì)顆粒含量較少，取為3kPa;坡洪積的力學(xué)參數(shù):φ=28°，c=30kPa)，計(jì)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(wěn)定，沿基覆界線滑弧如圖2所示。對(duì)不同工況計(jì)算的安全系數(shù)如表4。

3.6.4 計(jì)算結(jié)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(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩前典型剖面內(nèi)搜索最危險(xiǎn)滑裂面正常工況下的的安全系數(shù)小于規(guī)范要求;沿基覆界線滑動(dòng)的大滑弧，典型剖面從平臺(tái)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(shù)在正常工況下均不滿足規(guī)范要求。因此必須對(duì)堆積體邊坡采取相宜的工程處理措施。

3.7 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

3.7.1 邊坡錨索支護(hù)

堆積體邊坡支護(hù)加固措施與其它邊坡基本相似。邊坡加固工程的技術(shù)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(hù)加固工程措施可歸納為以下幾種:大開(kāi)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(yīng)性、施工可行性及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇在庫(kù)水消落范圍內(nèi)，采用混凝土護(hù)坡，貼坡上布置錨索方案?；炷磷o(hù)坡長(zhǎng)度約180m，厚度0.5～1.2m，基礎(chǔ)建于河床下1.0m，頂部高程為2 790.00m，護(hù)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(zhǎng)度50m。堆積體處理典型剖面如圖3。

3.7.2 邊坡排水設(shè)計(jì)

崩坡積表面植被發(fā)育，生長(zhǎng)樹(shù)木，為防止雨水滲透造成滑坡體抗滑穩(wěn)定性降低，便于地表積水迅速排走，在邊坡后緣設(shè)置一道截水溝。

3.7.3 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為減少對(duì)上部堆積體的施工擾動(dòng)，對(duì)堆積體上部邊坡可以通過(guò)安全監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)邊坡失穩(wěn)，從而采取有效措施對(duì)其失穩(wěn)進(jìn)行防范，特別是雨季要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)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(jié) 論

反演分析法原理簡(jiǎn)單、條理清晰、可操作性比較強(qiáng)，因此在實(shí)際邊坡穩(wěn)定計(jì)算中被廣泛應(yīng)用。堆積體物理參數(shù)是在綽斯甲水電站壩前堆積體邊坡整體穩(wěn)定反演分析的基礎(chǔ)上得到的，參考類比相似工程，結(jié)合目前邊坡穩(wěn)定狀況，反演參數(shù)是相對(duì)適當(dāng)?shù)牧W(xué)參數(shù)，并根據(jù)反演參數(shù)進(jìn)行了合理的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。