Geo-studio軟件在大型水庫邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用

李敏，婁紹撐

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310002)

摘要：采用SLOPE/W程序?qū)δ彻こ趟畮爝吰路€(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，建立計(jì)算模型，采用M-P方法計(jì)算水庫邊坡在各種工況下的整體深層穩(wěn)定的安全系數(shù)，并對地下水位對邊坡穩(wěn)定敏感性分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該邊坡整體深層穩(wěn)定性，通過反演方法計(jì)算該邊坡庫岸段的穩(wěn)定性并給出了加固措施，初步分析表明邊坡若失穩(wěn)后涌浪對大壩的安全影響較小.

關(guān)鍵詞：水庫邊坡；摩根斯頓—普萊斯方法(Morgenstern-Price)；SLOPE/W模塊

中圖分類號(hào)：TV697.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-02-03

作者簡介：李敏(1982-)，男，安徽安慶人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

Application of Geo-studio in Slope Stability Estimation for Large Reservoirs

LI Min, LOU Shao-cheng

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hanghzou 310002, China)

Abstract:Combined with a real project, the stability of the reservoir slope is analyzed by SLOPE/W program and the calculation model is founded. The safety factor of deep layer stability is calculated under different conditions with M-P method in the paper, and the deep stability is further verified by the sensitivity analysis on groundwater level. Inversion methods is used to the calculation of bank slope and reinforcement measures is proposed, the primary analysis shows that the surge of the slope has little influence on dam security.

Key words:reservoir slope; Morgenstern-Price; SLOPE/W Module

0引言

西南地區(qū)是我國水力資源最豐富地區(qū)之一，但西南地區(qū)沿河兩岸山高坡陡，河谷深切，地形平緩區(qū)域存在較多的古滑坡或崩塌堆積體，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，因而庫岸邊坡穩(wěn)定性成為該地區(qū)興建水電工程成敗的關(guān)鍵問題之一，與一般邊坡穩(wěn)定問題相比,其特殊性在于它的穩(wěn)定性與庫水位變幅、蓄水深度有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，并且需要考慮滑坡塌岸造成的涌浪對大壩的影響.因此，對庫岸邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)具有較大的難度和復(fù)雜性.

1庫岸邊坡工程地質(zhì)條件

石塔水電站工程位于貴州省六盤水市西南部的北盤江上游支流上，為Ⅲ等工程，為雙曲拋物線拱壩，最大壩高94.0 m，正常蓄水位1 370.00 m，水庫總庫容約2 510萬m3.

距離壩址上游1.2 km處有一大型崩塌堆積體，堆積體分布高程1 300～1 800 m，在平面上呈不規(guī)則的橢圓形，其長軸方向?yàn)镹E-SW向，縱向(NE-SW向)長約2 500 m，中上部最寬處約1 130 m.堆積體后緣地形較陡峻，坡度40°～60°，中部地形較平緩，坡度10°～15°，其中發(fā)育多級陡坎，局部陡坎處坡度大于35°，前緣地形較陡峻，坡度35°～45°，總體形態(tài)上呈上陡中緩下陡的折線狀.北東側(cè)高程1 810 m以上的陡崖為堆積體后緣，南東側(cè)邊緣為陡崖，陡崖下即為庫區(qū)支流底拉河，北西側(cè)邊緣為陡崖，前緣止于可渡河河床高程1 300～1 320 m，分布面積為2.5 km2.表部覆蓋層厚度11～102 m，高程1 600 m以下厚度大多在40～80 m，按其分布范圍，估算總方量約1億m3.因此該堆積體是成庫條件的重大工程地質(zhì)問題.

2水庫邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，該邊坡工程安全等級為B類Ⅱ級邊坡，持久狀況設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.15～1.05，短暫狀況設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.10～1.05.

2.1邊坡穩(wěn)定分析方法

本文采用摩根斯頓—普萊斯[1](Morgenstern-Price)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，該方法是所有極限平衡方法中理論最嚴(yán)密的，全面考慮了力與力矩的平衡，且該方法適用于任意形狀的滑動(dòng)面，也是邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[2]推薦的方法之一.

GeoStudio是一套功能強(qiáng)大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件，它包括八種專業(yè)分析模塊，其中SLOPE/W模塊用于邊坡穩(wěn)定性分析，該模塊應(yīng)用極限平衡方法，能對復(fù)雜的土層和滑動(dòng)面形狀及多種孔隙水壓力狀況建立2D計(jì)算模型,對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析.SLFDOPE/W模塊[3]可以考慮地下水、土體裂縫、坡頂堆載等影響邊坡穩(wěn)定性的因素，SLOPE/W模塊囊括現(xiàn)行絕大部分的極限平衡方法，而且同一計(jì)算模型可采用各類極限平衡方法進(jìn)行計(jì)算和對比，既可采用總應(yīng)力法也可采用采用有效應(yīng)力法.本文采用了有效應(yīng)力方法.

2.2分析思路

(1)堆積體整體深層穩(wěn)定正分析.根據(jù)相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，對各個(gè)典型剖面四種工況的整體深層安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，判定堆積體整體穩(wěn)定性.

(2)整體深層穩(wěn)定敏感性及可靠度分析.對相對不利的典型剖面(I-I′剖面)整體深層穩(wěn)定進(jìn)行敏感性分析；對影響整體深層穩(wěn)定的地下水位線進(jìn)行可靠度分析，進(jìn)一步復(fù)核邊坡最不利剖面穩(wěn)定性.

(3)堆積體岸坡段的穩(wěn)定性反演分析.根據(jù)堆積體岸坡段最不利剖面在建庫前短暫工況下安全系數(shù)為1.05反算邊坡岸坡段的綜合強(qiáng)度指標(biāo)[4]c′、φ′，然后根據(jù)反算而得的綜合強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′，計(jì)算堆積體岸坡段其余工況的安全系數(shù)及其余剖面各工況安全系數(shù).

2.3邊坡穩(wěn)定分析工況

工況1：建庫前持久工況，該工況的地下水位線根據(jù)地質(zhì)鉆孔長時(shí)間觀測資料確定的地下水位線確定；

工況2：建庫前短暫工況，該工況的地下水位線取建庫前持續(xù)性降雨時(shí)的地下水位線；

工況3：蓄水后持久工況，由于蓄水對邊坡穩(wěn)定有利，因而以蓄水至1 363.00 m(發(fā)電死水位)的地下水位作為該工況的地下水位線；

工況4：蓄水后短暫工況，該工況取庫水位由1 370.00 m(正常蓄水位，坡內(nèi)地下水位線取持續(xù)性降雨時(shí)的情況)的狀態(tài)驟降至1 363.00 m(發(fā)電死水位)的狀態(tài).

2.4整體深層穩(wěn)定正分析

整體深層穩(wěn)定計(jì)算中的地質(zhì)參數(shù)采用表1中所列數(shù)值，地下水位線根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定，對各典型剖面建庫前后的工況穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，成果(見表2).

表1　整體深層穩(wěn)定計(jì)算采用物理力學(xué)參數(shù)表

表2　堆積體典型剖面安全系數(shù)一覽表

從上表數(shù)據(jù)可知，建庫前邊坡整體深層安全系數(shù)在1.20～1.49，可見該邊坡在建庫前整體穩(wěn)定性較高.

蓄水后持久工況安全系數(shù)為1.15～1.48，蓄水后短暫工況安全系數(shù)為1.10～1.39，可見蓄水對邊坡持久、短暫工況的穩(wěn)定性影響較小，蓄水后邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求.

2.5整體深層穩(wěn)定敏感性分析

(1)地質(zhì)參數(shù)敏感性分析

地質(zhì)參數(shù)取值對邊坡穩(wěn)定分析有很大的影響，而且地質(zhì)參數(shù)具有一定的不確定性，因而有必要對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行敏感性分析，本文對深層穩(wěn)定系數(shù)相對較小的Ⅰ-Ⅰ′剖面建庫蓄水后的兩種工況進(jìn)行敏感性分析(見圖1，圖2).圖中：■—表示滑面的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′；□—表示滑面的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ′；▲—表示層狀灰?guī)r的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′；△—表示層狀灰?guī)r的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ′；◆—蓄水后持久工況地下水位線變幅，上下變幅各5 m；

圖2?、?Ⅰ′蓄水后短暫工況敏感性分析圖

從圖2可知，層狀灰?guī)r的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系數(shù)影響很小；滑面c′指標(biāo)對Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系數(shù)影響也很小，但滑面φ′指標(biāo)對Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系數(shù)影響較大，隨著φ′的增大，Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系數(shù)也增大；蓄水后持久工況地下水位線對Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系數(shù)影響不大，隨著地下水位線上升Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系數(shù)略有下降.

蓄水后持久工況下，當(dāng)滑面φ′指標(biāo)降低20%，蓄水后短暫工況下，當(dāng)滑面φ′指標(biāo)降低10%，Ⅰ-Ⅰ′剖面仍然能到規(guī)范規(guī)定的邊坡安全系數(shù)下限值1.05；而實(shí)際上滑面飽和狀態(tài)下的φ′在12.4°～14.6°之間，可見Ⅰ-Ⅰ′剖面安全系數(shù)具有一定的裕度，此外Ⅰ-Ⅰ′剖面是所有剖面中相對不利的，因而可進(jìn)一步說明蓄水對該邊坡整體深層穩(wěn)定影響較小.

(2)地下水位線可靠度分析

可靠度分析采用Mont Carlo(蒙特卡洛法)，對Ⅰ-Ⅰ′剖面建庫蓄水后的地下水位線高程上下浮動(dòng)5 m范圍內(nèi)進(jìn)行5 000次的試算，安全系數(shù)分布(見圖3，圖4).

圖3　蓄水后持久工況安全系數(shù)概率分布圖

圖4　蓄水后短暫工況安全系數(shù)概率分布圖

由計(jì)算成果可以看出，Ⅰ-Ⅰ′剖面持久工況下95%的概率安全系數(shù)為1.13；短暫工況下95%的概率安全系數(shù)為1.09，安全系數(shù)靠近規(guī)范要求的設(shè)計(jì)安全系數(shù)上限.可見蓄水后地下水位變幅對Ⅰ-Ⅰ′剖面穩(wěn)定性影響比較小，這也同樣可以說明蓄水后邊坡的整體深層穩(wěn)定安全系數(shù)具有一定的裕度.

2.6邊坡庫岸段穩(wěn)定反演分析

1-1′剖面岸坡段主要由塊石及碎石土組成，取現(xiàn)狀邊坡建庫前短暫工況的安全系數(shù)為1.05，根據(jù)地質(zhì)提供的土層材料參數(shù)范圍和反演分析，可知塊石及碎石土的有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′=16 kPa，φ′=28.8°，3-3′剖面、2-2′剖面、5-5′剖面中根據(jù)初步計(jì)算3-3′剖面最為不利，因而取Ⅲ-Ⅲ′剖面岸坡段建庫前短暫工況下安全系數(shù)為1.05，反算Ⅲ-Ⅲ′剖面岸坡段的綜合強(qiáng)度指標(biāo)c′=30 kPa，φ′=28.4°，各典型剖面庫岸段根據(jù)反算地質(zhì)參數(shù)計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)(見表3).

表3　典型剖面邊坡岸坡段穩(wěn)定安全系數(shù)匯總表

從表3可知，建庫蓄水后對該邊坡庫岸穩(wěn)定有一定的影響，蓄水可能造成部分岸坡發(fā)生淺層滑動(dòng)或塌方.

3邊坡加固方案

考慮該邊坡規(guī)模巨大，地質(zhì)條件及成因復(fù)雜，在靠近B區(qū)Ⅰ段1 372 m高程附近設(shè)置縱橫的排水平洞，排水平洞不僅可以降低地下水位，可提高堆積體整體深層穩(wěn)定的安全系數(shù)裕度，而且利用平洞布置內(nèi)部變形監(jiān)測儀器.

提高邊坡安全系數(shù)的措施不主要有：邊坡頭部減載，坡腳錨固及堆載，坡面排水系統(tǒng)，深部排水系統(tǒng)，或多項(xiàng)措施聯(lián)合處理.水庫蓄水后，靠近庫岸邊坡1 370 m高程以下區(qū)域長期處于水下，排水平洞對提高庫岸邊坡穩(wěn)定性的作用有限；該邊坡地處喀斯特地區(qū)，而且邊坡范圍較大，坡面排水系統(tǒng)作用不大；根據(jù)分析計(jì)算表明坡腳錨固措施發(fā)揮的作用有限，而且施工難度大，造價(jià)高，也不宜采用；由于岸坡附近有居民和耕地，實(shí)施削坡減載方案政策處理難度較大.因而根據(jù)本工程的實(shí)際情況，庫岸加固采用坡腳堆載加固(見圖5).

圖5　庫岸加固后穩(wěn)定分析圖

坡腳堆載采用護(hù)坡形式，堆載料來源于主體工程的棄渣、河床疏浚的卵石及料場開采的石料，護(hù)坡坡頂高程為1 370.00 m，坡頂寬度約25 m，坡度為1∶2，采用該加固措施后，庫岸邊坡蓄水后持久工況安全系數(shù)由原來的0.98提升至1.10，蓄水后短暫工況安全系數(shù)由0.93提升至1.06；此外該河段泥沙含量較高，水庫蓄水后，泥沙淤積于庫前死水位以下高程區(qū)域，這樣相當(dāng)于繼續(xù)給庫岸進(jìn)行坡腳堆載，從而可進(jìn)一步提高庫岸邊坡的穩(wěn)定性.

4涌浪計(jì)算

水庫蓄水后，堆積體整體穩(wěn)定，B區(qū)Ⅰ段庫岸采用堆載加固措施，穩(wěn)定安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求，但是邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜性，庫岸邊坡局部存在滑塌的可能，此外該堆積體距離壩址較近，因而考慮庫岸局部失穩(wěn)后滑入水庫產(chǎn)生的涌浪對大壩的影響也是必要的，工程上的滑坡涌浪計(jì)算采用“潘家錚方法”經(jīng)驗(yàn)公式[5-8].

影響水庫滑坡涌浪計(jì)算的因素十分復(fù)雜，滑坡涌浪計(jì)算的邊界條件及初始條件也難以準(zhǔn)確取值，本文涌浪計(jì)算邊界條件和初始條件參考類似工程涌浪計(jì)算的條件和對堆積體地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上確定的，滑坡范圍考慮L=300 m，平均厚度λ取26 m，河床寬度取B=220 m，滑坡中心至大壩距離x取1 800 m，滑坡下滑歷時(shí)T取10 s，庫水坡腳深度h取50 m，本堆積庫岸滑坡的綜合坡腳約27°，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)可以作為垂直變形類型滑坡來計(jì)算涌浪.

滑坡產(chǎn)生涌浪與滑坡下滑速度有關(guān)，速度越快，產(chǎn)生的涌浪就越高，對下游大壩影響就越大，但是滑坡下滑速度難以估算，按照10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s分別計(jì)算庫岸滑坡對大壩涌浪影響，各滑坡速度對應(yīng)的涌浪高度(見表4).

表4　滑坡速度與至大壩涌浪高度對應(yīng)表

通過表4可知，滑坡速度越大，滑坡致大壩涌浪的高度就越大，同時(shí)，可知在滑坡速度達(dá)30 m/s這樣極高的滑速時(shí)，庫岸局部范圍的滑坡對大壩涌浪約2.3 m左右，設(shè)計(jì)洪水位加上涌浪高度也沒有超過本工程防浪墻高程，而且拱壩本身超載能力非常強(qiáng)，因而本工程庫岸滑坡產(chǎn)生的涌浪對大壩安全影響較小.

5結(jié)論

通過前文的分析，本文可得出以下結(jié)論：

(1)整體深層穩(wěn)定分析表明堆積體蓄水后安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，而且具有一定的裕度，通過敏感性和可靠度分析可知，進(jìn)一步驗(yàn)證蓄水后堆積體整體深層穩(wěn)定安全是滿足規(guī)范要求的，可見蓄水后堆積坡整體穩(wěn)定，出現(xiàn)整體滑移的可能性很小.

(2)庫岸邊坡穩(wěn)定分析表明蓄水后堆積體庫岸局部地段存在淺表層滑塌的可能性，庫岸局部地段即使出現(xiàn)崩塌，滑塌產(chǎn)生涌浪對大壩安全影響很小.

(3)水庫蓄水后由于堆積體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整可能導(dǎo)致局部地表出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象.

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