薛天祥 沈春勇 鄭克勛 陳潤澤 中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司

通訊作者：沈春勇

堆積體是我國西南地區(qū)普遍可見的一種地形地貌，大型水電站的建設(shè)和運行，引發(fā)了堆積體變形、失穩(wěn)等一系列復(fù)雜地質(zhì)問題，對人民的生命財產(chǎn)安全和大壩安全帶來了潛在的危害。經(jīng)長期實踐表明，巖體本身的材料特性、構(gòu)造特征等是決定堆積體承載能力、穩(wěn)定狀態(tài)、變形趨勢等的重要內(nèi)在依據(jù)，庫水位上升或下降、降雨以及人類活動等外部環(huán)境變化是影響堆積體滑動的外在因素。

近年來，人們已認識到降雨對堆積體變形及穩(wěn)定有著極其不利的影響，且水庫蓄水對堆積體滑動的誘發(fā)作用已得到了普遍認同。許多學(xué)者對水庫誘發(fā)滑坡作了較深入的研究，因試驗的尺寸效應(yīng)、堆積體滑動原型的高度非線性特性以及庫水與降雨耦合作用等研究內(nèi)容存在較大難度，目前庫水位變動誘發(fā)堆積體滑動的作用機制研究仍有較大空間。針對以上問題，本文基于Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計算理論，結(jié)合堆積體的特征、外界條件及滑動模式，對補朗堆積體進行計算分析，對庫岸堆積體的穩(wěn)定性評價具有重要的指導(dǎo)意義。

1.研究對象

補朗堆積體分布于馬馬崖一級水電站壩址上游補朗河段右岸，其下游邊界距壩軸線1.8km。補朗河段河流流向S12°E～S58°E，形成微向西凸出的河灣地形，枯季河水位510m左右，水面寬30m～40m。地形上左岸陡、右岸緩，左岸為高約500m的陡壁。補朗河段為走向河谷，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。堆積體橫向（順河向）長780m～980m，縱向上寬650m～900m，呈弧形狀分布，分布高程510m～790m，高差280m，面積約0.77km2，厚度5m～90m，體積約2319×104m3。由于堆積體規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，并且位于近壩庫段，水庫蓄水抬高水位約80m，水庫運行存在水位陡漲陡落情況，對堆積體的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響。

2.計算原理及方法

邊坡工程中常用的穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡分析法和數(shù)值分析法等。極限平衡法在工程中應(yīng)用最為廣泛，這個方法的理論基礎(chǔ)是摩爾-庫侖抗剪強度，將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力平衡方程式，求解安全系數(shù)。目前，邊坡穩(wěn)定性分析最常用的極限平衡方法有：瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法、羅厄法/陸軍工程師團法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、Correia法、不平衡推力法（傳遞系數(shù)法）等方法?；贛orgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計算理論，本文結(jié)合堆積體的特征、外界條件及滑動模式，采用Stab2009和巖土理正軟件，對補朗堆積體在各計算工況下分別沿接觸帶整體滑動和沿接觸帶薄弱面剪出兩種模式進行計算分析。

2.1 Morgenstern-Price法

Morgenstern-Price法要求的力學(xué)平衡條件為：分條底面的法向力平衡；分條底面的切向力平衡；關(guān)于分條底面中點的力矩平衡。該法假定條塊的豎直切向力與水平推力之比為條間力函數(shù)f（x）和待定常數(shù)λ的乘積。該法得出的安全系數(shù)是嚴(yán)格解。

式中：dx為條塊寬度；dQ為作用在條塊上的外力（包括地震力、錨索和錨樁提供的加固力和表面荷載）在水平向分力；Me為dQ對條塊中點的力矩；he為dQ的作用點到條塊底面中點的垂直距離；f（x）為tanβ在x方向的分布形狀，一般可取f（x）=1；λ為tanβ確定值的待定系數(shù)。

2.2 不平衡推力傳遞法

不平衡推力傳遞法也稱為剩余推力法、推力傳遞法等，該方法適用于呈任何形狀的滑動面，假定條塊間力的合力與上一條塊底面平行，其計算公式如下。

式中：

Ri—第i滑動條塊底面的抗滑力；

Ti—第i滑動條塊底面的滑動力；

Ψi—第i滑動條塊界面推力的傳遞系數(shù)。

3.計算剖面及工況

3.1 計算剖面

補朗堆積體邊坡為庫岸邊坡，水庫蓄水后，在庫水作用下，邊坡有向臨空方向發(fā)生整體滑移的情況。根據(jù)上述特點，本文穩(wěn)定分析計算在Ⅰ區(qū)和II區(qū)分別選取A-A、B-B剖面的進行計算分析，計算剖面如圖1所示。

圖1 計算剖面

由于馬馬崖一級水庫為日調(diào)節(jié)水庫，運行期水庫水位頻繁變化對補朗堆積體前緣不利，易產(chǎn)生淘刷切角破壞，堆積體局部可能存在穩(wěn)定性問題。庫水位以下的邊坡若滑入水庫將在死水位以下，不會危及大壩整體穩(wěn)定安全。故根據(jù)邊坡的物質(zhì)組成、成因分析，以及堆積體現(xiàn)狀確定補朗堆積體存在的滑動模式為：

模式一：沿接觸帶整體滑動；

模式二：沿接觸帶滑動至庫水位附近高程薄弱面剪出。

3.2 計算工況

堆積體在庫水位附近的地下水位線隨庫水位的消漲而變化，將對滑坡堆積體的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，由于水庫為日調(diào)節(jié)水庫，庫水位變化頻繁，故庫水位驟降工況按庫水位從585m高程驟降至580m進行計算。通過一個汛枯期對鉆孔內(nèi)水位的觀察發(fā)現(xiàn)，最高水位與最低水位最大相差8.62m，偏安全考慮，暴雨工況下地下水位線按天然狀態(tài)下抬高8m考慮。最終選取以下六種工況進行計算：

持久狀況1：水庫蓄水前天然狀況下堆積體穩(wěn)定性分析；

持久狀況2：庫水為正常蓄水位585m時堆積體穩(wěn)定性分析；

持久狀況3：庫水為死水位580m時堆積體穩(wěn)定性分析；

短暫狀況1：庫水位從585m高程驟降5m至580m時堆積體邊坡穩(wěn)定性分析；

短暫狀況2：暴雨工況下堆積體穩(wěn)定性分析（庫水為正常蓄水位585m，地下水位線按天然狀態(tài)下抬高8m）；

偶然狀況：庫水為正常蓄水位585m+地震（動峰值加速度0.076g）時堆積體穩(wěn)定性分析。

3.3 地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)堆積體的工程地質(zhì)特性及試驗成果，借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗并結(jié)合工程地質(zhì)類比，推薦補朗堆積體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值見表1。

表1 堆積體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值參數(shù)

4.計算結(jié)果及分析

為了研究不同外部環(huán)境變化對堆積體的影響，本文考慮持久、短暫、偶然等計算工況，對補朗堆積體在不同滑動模式下的穩(wěn)定性進行分析。經(jīng)計算，A-A、B-B剖面計算結(jié)果如圖2和圖3所示，安全系數(shù)見表2和表3。計算結(jié)果表明：模式一（沿接觸帶整體滑動），在天然、正常蓄水位、庫水位升降、暴雨和地震等工況下，堆積體Ⅰ區(qū)和II區(qū)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模式二（沿接觸帶滑動至庫水位附近高程薄弱面剪出），在正常蓄水位、暴雨和地震等工況下，堆積體Ⅰ區(qū)安全系數(shù)較模式一小，但均滿足規(guī)范要求。堆積體II區(qū)在正常蓄水位、地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，會影響到庫區(qū)及樞紐建筑物安全，需對該剖面進行處理。

表2 模式一補朗堆積體穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖2 Stab2009軟件計算結(jié)果

圖3 理正軟件計算結(jié)果

表3 模式二補朗堆積體穩(wěn)定性計算結(jié)果

由分析計算結(jié)果可知，水庫蓄水后，即使堆積體前緣被淘蝕破壞，出現(xiàn)庫岸再造、庫岸塌滑的現(xiàn)象，后緣整體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，不會產(chǎn)生牽引式滑動。在暴雨工況和地震作用下，堆積體安全系數(shù)明顯降低，這是由于庫水位頻繁升降時，堆積體孔隙水壓力增加，下滑力增大，對堆積體不利。降雨、暴雨的沖刷，將會弱化巖土體，降低抗剪強度，增加堆積體下滑力，導(dǎo)致堆積體原有平衡被打破，引發(fā)前緣塌岸、小規(guī)模變形。

5.結(jié)論

本文基于Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計算理論，采用理正6.0和Stab2009軟件對各工況下堆積體的穩(wěn)定性進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）在天然工況、正常蓄水位工況下，堆積體安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）水庫蓄水后，庫水位上升時，堆積體安全系數(shù)較天然工況稍有增大或降低的現(xiàn)象，這是由于庫水位的上升對堆積體有壓腳的作用，對其穩(wěn)定性有利，但滑動面部分由非飽和變成飽和狀態(tài)，對其穩(wěn)定性不利。庫水位下降時，但較正常蓄水位工況安全系數(shù)低，這是由于庫水位頻繁消漲會降低堆積體穩(wěn)定性。

（3）水庫蓄水后，在暴雨工況和地震作用下，堆積體安全系數(shù)及穩(wěn)定性有明顯的降低。安全系數(shù)均處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，可能影響庫區(qū)及樞紐建筑物安全，需對該剖面進行處理，保證水庫安全穩(wěn)定運行。

（4）水庫蓄水后，即使堆積體前緣被淘蝕破壞，出現(xiàn)庫岸再造、庫岸塌滑的現(xiàn)象，后緣整體安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求，但安全系數(shù)有降低的趨勢，說明前緣的淘蝕破壞對堆積體后緣的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響。