肯斯瓦特水庫邊坡穩(wěn)定性綜合分析

宋 軍，張敬東

(新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院，新疆烏魯木齊 830002)

水庫邊坡施工過程中壩肩開挖邊坡的失穩(wěn)，可能危及施工人員的生命安全。正常運營后，失穩(wěn)巖土體滑入水庫中，減小了水庫庫容，甚至造成水庫的廢棄。庫岸滑坡直接危及水工建筑的安全，高速滑坡造成巨大的涌浪，可能造成潰壩。因此，水庫庫岸邊坡穩(wěn)定性的研究對確保水電工程的建設、運行具有重大意義。

1 水庫邊坡穩(wěn)定性評價方法概述

邊坡穩(wěn)定性評價方法可分為兩類，即定性分析方法和定量分析方法。定性分析方法是通過對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學機制等的分析，給出被評價邊坡一個穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢的定性說明和解釋。而定量方法則是通過室內(nèi)試驗或現(xiàn)場測試取得巖土體的物理力學參數(shù)后，采用一定的計算理論和計算方法，對邊坡的穩(wěn)定性進行定量分析和評估。

水庫邊坡中常用到的定性方法有CSMR法［1-2］。CSMR法能綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的多種因素，快速地對邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢作出評價，但在參數(shù)的具體取值過程中還帶有很大的經(jīng)驗性，常會因人而異。赤平極射投影法常與剛體極限平衡法相結(jié)合［3］，用于分析淺表層邊坡巖體結(jié)構的穩(wěn)定性。由于赤平極射投影法只考慮了巖體結(jié)構(結(jié)構面產(chǎn)狀)這一單一條件，因此該方法常局限于對局部楔形塊體的穩(wěn)定性分析中。

邊坡的定量評價，目前常用的方法是剛體極限平衡分析法和應力應變分析法。剛體極限平衡法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法和Sarma法等，假設邊坡巖土體為剛性，剛性塊體本身不產(chǎn)生變形，且可以傳遞應力，只研究滑動面上的受力大小，不研究滑體及滑床內(nèi)部的應力狀態(tài)。剛體極限平衡法由于做了較大的簡化，容易手算出安全系數(shù)，目前依然為廣大工程技術人員青睞。但剛體極限平衡法最大的問題是需要預先人為假定滑裂面，容易出現(xiàn)和客觀實際相悖的情況。應力應變分析法，如目前常見的非連續(xù)變形分析法(DDA)［4］、快速拉格朗日差分法(FLAC)［5］和有限元強度折減法［6］等。其最大的優(yōu)點是不需對滑面的形態(tài)事先作任何假定，而是直接計算邊坡內(nèi)部巖體各點的應力值，從而分析確定滑面的形式和邊坡變形破壞機制，在計算邊坡的整體穩(wěn)定性上有很大的優(yōu)越性。但對淺表層的破碎巖土體的分析結(jié)果，則不如赤平極射投影法精確。

本文將定性方法和定量方法綜合應用到新疆肯斯瓦特水庫邊坡穩(wěn)定性的研究中，以做到揚長補短，更好的評判邊坡的穩(wěn)定性。

2 工程實例

新疆肯斯瓦特水利樞紐工程處于瑪納斯河中游河段，是瑪納斯河流域規(guī)劃中最大的控制性水利樞紐工程。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房組成，水庫設計蓄水位990.0 m，庫容為1.88億m3，電站裝機容量100 MW。壩型選擇為鋼筋混凝土面板砂礫石壩，壩頂高程996.6 m，最大壩高129.40 m，壩頂長475 m。發(fā)電洞、泄洪洞、溢洪道及聯(lián)合進水口均布置于右岸，右岸工程邊坡安全是本工程重點之一，因此對右岸邊坡穩(wěn)定性研究是很有必要的。

圖1 右岸邊坡典型剖面

本文采用CSMR法對右岸邊坡進行整體定性評價，用赤平極射投影法對潛在的楔形塊體進行穩(wěn)定性評估，并用有限元強度折減法對邊坡的整體穩(wěn)定性進行定量分析。

3 CSMR法

Romana在Bieniawskizt提出的RMR巖體質(zhì)量評價方法的基礎上，綜合考慮邊坡工程中不連續(xù)面產(chǎn)狀與坡面間的組合關系，以及邊坡的開挖方式等，提出了SMR(Slope Mass Rating)法［7］，如式(1)所示。這種方法可直接根據(jù)巖體質(zhì)量分級結(jié)果來評價邊坡的宏觀穩(wěn)定性，確定邊坡的破壞形式及加固方法。中國水利水電邊坡工程登記小組于1997年在RMR-SMR體系的基礎上引入高度修正系數(shù)ζ和結(jié)構面條件修正系數(shù)λ，提出了具有中國特色的 CSMR分類體系［1］，如式(2)所示。

式中:RMR是Bieniawskizt提出的巖體質(zhì)量得分，其評分標準見表1;ζ指高度修正系數(shù)，ζ=0.57+(34.4/H)，其中H為邊坡高度，m;F1為與邊坡和結(jié)構面走向間平行度有關的系數(shù)，取值決定于不連續(xù)面與邊坡面走向的相近程度，它的值域為1.00(當兩者近于一致時)到0.15(當兩者夾角 ＞30°時，破壞的可能性很小);F2為與結(jié)構面傾角有關的系數(shù)，平面破壞模式中F2由不連續(xù)面傾角大小確定，其值由1.00(當不連續(xù)面傾角＞45°時)變化到0.15(當不連續(xù)面傾角＜20°時)，若為傾倒模式，則F2的值始終為1.0;F3反映了不連續(xù)面傾角與邊坡面傾角間的關系。F1，F(xiàn)2和F3的具體修正方法見表2。F4是通過工程經(jīng)驗獲得的邊坡開挖方法的調(diào)整參數(shù)，見表3。λ是結(jié)構面條件系數(shù)，當結(jié)構面為斷層或夾泥層時取1.0，當層面貫穿裂隙時取0.8～0.9，節(jié)理取0.7。

表1 邊坡巖體質(zhì)量RMR法評分標準

表2 結(jié)構面方位修正

表3 邊坡開挖方法修正

右岸邊坡的RMR法最終評分為44，屬于Ⅲ級巖體，質(zhì)量一般。右岸邊坡的CSMR法的最終評分是36.54(見表4)，為Ⅳ類巖體，巖體穩(wěn)定性差。CSMR法Ⅳ類巖體可能存在的破壞形式為節(jié)理，可構成平面并產(chǎn)生大型楔形塊體滑動，威脅工程的安全。這種破壞形式，需要在重要的水工建筑物附近，對潛在的楔形塊體加設預應力長錨桿錨固，對淺表層破碎巖體系統(tǒng)噴射混凝土加固，并做好邊坡深部排水工作。

表4 右岸邊坡CSMR體系巖體分類評價

4 赤平極射投影法

肯斯瓦特水庫右岸岸坡巖性以白堊系下統(tǒng)呼圖壁河組泥質(zhì)粉砂巖為主，巖層產(chǎn)狀282°NE∠53°，岸坡自然坡度45°～50°。主要節(jié)理裂隙發(fā)育有3組:①340°～350°SW∠60°～70°;②0°～10°SE∠40°～50°;③80°～90°SE∠80°～90°。通過赤平投影對其穩(wěn)定性進行分析，如圖2所示。

圖2 右岸岸坡赤平極射投影

依據(jù)圖示結(jié)構面與坡面的關系，結(jié)構面單一判定以及結(jié)構面組合判定，其中節(jié)理組1和節(jié)理組2以及巖層層面和節(jié)理組3所構成的結(jié)構塊體可能不穩(wěn)定。其交線與坡向相同，交線傾角緩于邊坡傾角，結(jié)構面組合傾向與坡面傾向相同，結(jié)構面傾角小于坡面傾角，以此初判右岸岸坡為不穩(wěn)定邊坡，可能發(fā)生巖層斜向傾倒滑坡或局部塊體的楔形體滑動。這一判斷與用CSMR法得出的結(jié)論一致。在該水庫邊坡進行道路施工開挖時，部分楔形塊體在暴雨后出現(xiàn)滑動，且部分區(qū)域出現(xiàn)沿單一結(jié)構面(走向340°～350°陡傾，由節(jié)理組1控制)滑動破壞。施工中發(fā)生的岸坡失穩(wěn)驗證了CSMR法和赤平極射投影的判斷是基本準確的。

5 有限元強度折減法

有限元強度折減法就是不斷地調(diào)整邊坡巖土體的抗剪強度參數(shù)，把巖土體中的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的正切值tanφ同時除以折減系數(shù)Fs，如式3所示，折減后的參數(shù)再代入有限元中進行計算。隨著折減系數(shù)Fs的增大，邊坡巖土體的抗剪強度逐漸降低，逐漸由安全狀態(tài)進入極限平衡狀態(tài)，并最終發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。

依據(jù)圖1中的邊坡橫剖面和縱剖面圖建立幾何模型。根據(jù)鄭穎人等［8-10］的研究，巖體及軟弱結(jié)構面可采用平面應變實體單元模擬。本文采用了ANSYS軟件自帶的plane 82單元來模擬邊坡中的卵礫石層、強風化巖體、弱風化巖體、微風化巖體及斷層，材料本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則為Druck-Prager準則，巖體的物理力學參數(shù)如表5所示。

從圖3(a)中可看出，當折減系數(shù)Fs為1.14時，橫剖面中的上部漂卵礫石層(高程985～1 020 m)已基本形成塑性貫通面。而當折減系數(shù)Fs為1.34時，縱剖面中的上部漂卵礫石層(高程980～1 020 m)也已基本形成塑性貫通面，如圖3(b)所示。從相應特征點水平方向的位移隨折減系數(shù)的變化曲線圖(圖4)中也可看出，在折減系數(shù)為1.14和1.34前后，橫剖面和縱剖面中的坡體均出現(xiàn)位移突變，即坡體中的巖土體此時已處于臨界破壞狀態(tài)。因此，可認為橫剖面邊坡和縱剖面邊坡的邊坡安全系數(shù)分別為1.14和1.34。由于穩(wěn)定系數(shù)較小，不滿足工程要求，上部的漂卵礫石邊坡需進行適當?shù)南髌绿幚?。下部的泥質(zhì)粉砂巖穩(wěn)定性很好，基本上沒有塑性變形。根據(jù)計算，當Fs為4.0時，下部的砂巖層依然塑性變形不大。因此可判斷下部巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性很好。

表5 物理力學參數(shù)計算取值

圖3 邊坡臨界狀態(tài)的塑性貫通面

圖4 特征點水平方向位移隨折減系數(shù)的變化曲線

6 結(jié)論

1)簡要回顧了在邊坡穩(wěn)定性分析中常用的定性和定量方法，介紹了目前在水庫中常用的CSMR法、赤平極射投影法及應力應變分析法，并分析了各自的利弊。并將CSMR法、赤平極射投影法和有限元強度折減法應用到肯斯瓦特水庫邊坡穩(wěn)定性的分析中。

2)肯斯瓦特水庫右岸邊坡的 CSMR得分為36.54，屬于Ⅳ級，巖體質(zhì)量偏差，節(jié)理面可構成大型楔形體滑動。通過赤平極射投影法分析，驗證了CSMR法的判斷。工程施工中也印證了這一判斷的準確性。

3)有限元強度折減法計算結(jié)果表明，橫剖面和縱剖面的上部漂卵礫石邊坡的穩(wěn)定性較差，不滿足工程邊坡的穩(wěn)定性要求，需要進行適當?shù)南髌绿幚?。下部的巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性很好，只需對水工建筑物附近潛在的楔形塊體用預應力錨桿錨固，并對破碎巖體系統(tǒng)噴射混凝土加固，做好邊坡深部的防水工作。

4)本文采用CSMR法和赤平極射投影法對肯斯瓦特水庫邊坡的穩(wěn)定性進行定性評價，同時又通過有限元強度折減法對邊坡的整體穩(wěn)定性進行定量分析，充分發(fā)揮了定性和定量方法的優(yōu)越性，并揚長避短，對類似工程有一定的借鑒意義。

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