張榮貴，鄧樂榮，張連明

1 概 述

柳洪水電站為美姑河流域規(guī)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(yōu)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(fā)電，2008年2月3臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

柳洪水電站庫區(qū)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(zhì)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(qū)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(xiàn)明顯變形，在擋墻和預(yù)應(yīng)力錨索施工完成后，變形得到抑制，但監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示仍存在緩慢變形。合理評價該邊坡的穩(wěn)定性，有助于決策是否追加投資進行再處理。

目前，土質(zhì)邊坡穩(wěn)定的評價性方法很多，主要有定性、定量以及后來發(fā)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(shù)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(wěn)定評價。安全系數(shù)法是一種傳統(tǒng)的確定性模型邊坡穩(wěn)定分析方法，獲得的是衡量安全度的一個指標(biāo)，即安全系數(shù)。可靠度分析法作為安全系數(shù)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(biāo)，即安全系數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進而獲得邊坡的失效概率和可靠度指標(biāo)。這兩種方法綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、變形預(yù)測能夠使邊坡穩(wěn)定分析評價更加合理及富有重要的現(xiàn)實意義。

2 堆積體工程地質(zhì)特征

水庫區(qū)左岸由三疊系下統(tǒng)砂巖夾粉砂巖、頁巖構(gòu)成陡峻山坡，地層緩傾上游及坡內(nèi)，谷坡整體穩(wěn)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(cè)厚度15 ～ 25m。開挖揭示基巖出露高程下游高、上游低，地質(zhì)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(cè)基巖和下游側(cè)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(qū)左岸邊坡開挖施工于2006年5月底，擋墻基礎(chǔ)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(xiàn)較多的變形跡象。主要表現(xiàn)為：

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

圖1 堆積體中部典型地質(zhì)剖面示意

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

(3)在擋墻基坑內(nèi)，沿含碎石粉質(zhì)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(zhì)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(zhì)粘土層。變形表現(xiàn)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(fā)生大變形和滑動破壞。

3.3 變形特點

結(jié)合地質(zhì)資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，該堆積體邊坡變形具有以下特點：

(1)土體內(nèi)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??；

(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(dǎo)致了變形并出現(xiàn)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(chǔ)開挖全部完成，期間邊坡未發(fā)現(xiàn)有大的變形跡象，9月13日工區(qū)降下大雨，9月14日堆積體內(nèi)開始出現(xiàn)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(xiàn)為坡外側(cè)強于坡內(nèi)側(cè)、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(wěn)定條件，坡體由前緣向后部、由地表向深部進行應(yīng)力調(diào)整和應(yīng)力的重分布，在加固措施未完成前，恰逢當(dāng)年降雨豐富，綜合導(dǎo)致出現(xiàn)變形拉裂現(xiàn)象。根據(jù)坡體變形跡象、裂縫規(guī)模及變形速率分析，變形坡體尚未形成貫通的“滑面”。坡體應(yīng)力在開挖卸荷階段調(diào)整較大，邊坡深部變形屬于一種伴隨開挖卸載而出現(xiàn)的變形調(diào)整，并以蠕滑變形的形式表現(xiàn)出來。

4 穩(wěn)定分析

4.1 安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

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(jù)水電工程邊坡設(shè)計相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水庫邊坡設(shè)計安全系數(shù)見表1。

表1 水電水利工程邊坡設(shè)計安全系數(shù)

具體邊坡工程所采用的設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)邊坡與建筑物關(guān)系、邊坡工程規(guī)模、工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度以及邊坡穩(wěn)定分析的不確定性等因素的分析，從表2中所給的范圍內(nèi)選取。對于失穩(wěn)風(fēng)險度大或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡，設(shè)計安全系數(shù)宜取上限值，反之取下限值；邊坡穩(wěn)定的基本方法是平面極限平衡下限解法，當(dāng)有充分論證時，可以采用上限解法，其設(shè)計安全系數(shù)按表1規(guī)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(zhì)高邊坡，坡腳的河道狹窄，水庫庫容小，潛在不穩(wěn)定堆積體方量相對較大，存在一定的安全風(fēng)險。監(jiān)測成果資料及地質(zhì)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(guī)模、形態(tài)、變形特點、破壞機制等要素進行深入分析，建議參數(shù)取值考慮了邊坡規(guī)模及風(fēng)險等不利因素的影響。因此，控制標(biāo)準(zhǔn)可以在Ⅱ級邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)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(biāo)準(zhǔn)，對工程投資及治理難度均影響較大。因此柳洪水電站庫區(qū)左岸堆積體安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)按表2采用。

表2 柳洪水電站庫區(qū)左岸堆積體安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)土工實驗成果，柳洪水電站庫區(qū)左岸堆積體地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 柳洪水電站庫區(qū)左岸堆積體地質(zhì)參數(shù)

4.3 剛體極限平衡分析成果

根據(jù)(DL/T5353-2006)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，邊坡抗滑穩(wěn)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(xué)研究院編制的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2009，分別計算以A裂縫為后緣面的變形滑塊穩(wěn)定安全系數(shù)和整個堆積體邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。在計算整體穩(wěn)定時，考慮到各剖面差異，對結(jié)果進行加權(quán)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(jié)果均滿足最小安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。各剖面安全系數(shù)規(guī)律反映出上下游兩側(cè)基巖條件對堆積體具有一定約束作用，這與地質(zhì)定性判斷的結(jié)果一致。穩(wěn)定安全系數(shù)成果見表4。

表4 穩(wěn)定安全系數(shù)成果

4.4 可靠度分析

在進行工程設(shè)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(shè)中重大決策實際上就是對各項不確定性因素造成的風(fēng)險進行評價。在已經(jīng)確定了數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析由于參數(shù)的變異特性，導(dǎo)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(xiàn)有傳統(tǒng)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(tǒng)的，定量的途徑。在工程設(shè)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]?！北疚幕谏鲜鰟傮w極限平衡穩(wěn)定分析結(jié)果，對柳洪電站庫區(qū)左岸堆積體邊坡整體穩(wěn)定進行可靠度分析，獲得邊坡的失效概率和可靠度指標(biāo)。

定義功能函數(shù)：

F(x1，x2，…xn)-1=0

(1)

lnF(x1，x2，…xn)=0

(2)

式中F——安全系數(shù)；

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

相應(yīng)的可靠度指標(biāo)為：

β=(μF-1)/σF

(3)

式中μF——安全系數(shù)均值；

σF——安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

通過采用J.M.Duncan方法，可求得可靠度指標(biāo):β=2.5，相應(yīng)的堆積體邊坡失效概率:Pf=6.21×10-3。邊坡設(shè)計基準(zhǔn)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(biāo)接近于水工規(guī)范規(guī)定的三級結(jié)構(gòu)允許的設(shè)計可靠度指標(biāo)，年失效概率與澳大利亞已建邊坡處于高危地區(qū)的允許風(fēng)險概率相當(dāng)[2]。

5 監(jiān)測分析

5.1 監(jiān)測布置

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

圖2 監(jiān)測儀器布設(shè)平面示意

5.2 監(jiān)測成果

根據(jù)堆積體特點，將監(jiān)測部位分為后緣、中部、前緣三個區(qū)域，分別對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。表面變形監(jiān)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(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)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(jiān)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(nèi)深度57m左右)，次要變形界面高程1 352.4m左右(孔內(nèi)深度9m左右)。IN-01所在區(qū)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(qū)域變形量持續(xù)增加，但變形速率明顯降低。

從變形和降雨關(guān)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(tài)下，降雨對堆積體影響微弱。因此2007～2009年變形較大的原因應(yīng)是由于水庫初期蓄放水，孔隙水壓力未迅速釋放和土體結(jié)構(gòu)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(yù)測

可能影響庫區(qū)左岸堆積體變形的因素有：庫水位、降雨以及時效。根據(jù)實際數(shù)據(jù)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(guān)規(guī)律，故只考慮時效因子對柳洪庫區(qū)的滑坡變形進行逐步回歸擬合，并進行變形量的預(yù)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(shù)除以100；

α0——常數(shù)項；

b1、b2、b3、b4——時效因子回歸系數(shù)。

利用相關(guān)軟件程序，建立了柳洪庫區(qū)滑坡變形的回歸方程，根據(jù)變形擬合方程，預(yù)測部分表面觀測點2015年12月底累計變形。預(yù)測變形速率分布統(tǒng)計見表5，2007～2015年月變形速率對比見圖9。根據(jù)預(yù)測數(shù)值可知，到2015年變形速率明顯減小，預(yù)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?？傮w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(wěn)定。

表5 預(yù)測2015年變形速率分布統(tǒng)計(預(yù)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(wěn)定性綜合評價

柳洪電站庫區(qū)左岸堆積體邊坡施工期出現(xiàn)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(wěn)定條件，坡體由前緣向后部、由地表向深部進行應(yīng)力調(diào)整和應(yīng)力的重分布,導(dǎo)致出現(xiàn)變形拉裂現(xiàn)象。宏觀地質(zhì)分析表明，邊坡空間形態(tài)具有一定約束作用，使得拉裂變形得到控制；穩(wěn)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(jiān)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(tài)，2009年至今，處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，雖然總變形仍緩慢增加，但變形速率日趨穩(wěn)定，這種現(xiàn)象在散粒體構(gòu)成的堆積體邊坡普遍存在。當(dāng)前柳洪庫區(qū)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(zhì)邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn) 3.0 ～ 6.0mm/月的要求[3]。采用回歸分析進行預(yù)測，邊坡變形處于穩(wěn)定變形控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

7 結(jié) 語

在邊坡穩(wěn)定分析中，以定量穩(wěn)定計算分析為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)定性判斷，監(jiān)測分析，并輔以可靠度分析和變形預(yù)測分析，進行綜合評價，對于柳洪庫區(qū)左岸邊坡這類工程的決策具有重要的現(xiàn)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(zhì)邊坡穩(wěn)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(fā)育的動力過程及其穩(wěn)定性控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008.