五強溪電廠 1# 變形體穩(wěn)定性計算及評價

劉阿妮 ，袁會林 ，郁珂平

（1. 五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2. 河海大學水利水電工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

變形體穩(wěn)定性在工程中是十分普遍且重要的問題，一旦變形體發(fā)生失穩(wěn)破壞，將會帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至會造成大量人員的傷亡，因此研究變形體穩(wěn)定性的計算及評價具有重要的工程意義。

目前，國內外學者對變形體的穩(wěn)定性分析已有較多的研究。曹廷等[1]采用剛體極限平衡法中的 Morgenstern-Price（M-P）法研究了鄭家坪變形體的變形機制與穩(wěn)定性；王敏等[2]通過對 FLAC 3D（連續(xù)三維的快速拉格朗日分析） 二次開發(fā)，采用飽和－非飽和強度系數(shù)折減法研究了三峽庫區(qū)西沱滑坡體的穩(wěn)定性；肖華波等[3]采用二維極限平衡法和 FLAC 3D 三維數(shù)值模擬方法研究了楞古水電站岸坡的穩(wěn)定性；徐開民等[4]采用離散元與極限平衡分析方法研究了庫區(qū)水位變動下白沙碉變形體的穩(wěn)定性；楊正剛等[5]采用極限平衡理論傳遞系數(shù)法研究了都江堰紅梅村不穩(wěn)定斜坡的穩(wěn)定性。這些研究主要從變形體的局部或整體考慮變形體的穩(wěn)定性，未同時考慮變形體的局部和整體穩(wěn)定性。而在實際工程中，變形體既可能發(fā)生整體失穩(wěn)，也可能發(fā)生局部失穩(wěn)，因此同時考慮變形體的整體和局部穩(wěn)定性具有重大意義。

五強溪電廠 1# 變形體位于電站樞紐區(qū)的近壩庫區(qū)內，緊靠電站大壩，下方為電站上游引航道，三級船閘緊臨變形體前緣，呈直線型，長軸方位約為 65°，與壩軸線交角為 88°。變形體處于大壩上游 3 號沖溝與 4 及 5 號沖溝交匯處之間的山脊地帶，前緣深入水庫正常蓄水位以下，后緣高程在 200.0 m 以上，變形體面積約為 0.31 km2，總體積約為 66 萬 m3。電站施工期坡腳地帶 95.0 和 115.0 m 高程一帶各布置有施工道路，現(xiàn)高程約 150.0 m 一帶分布民居，1# 變形體分布位置較為特殊且極為重要。

電站施工期間，1# 變形體邊坡曾出現(xiàn)下部局部失穩(wěn)、上部開裂變形現(xiàn)象。據(jù)長期的監(jiān)測資料分析，電站建成 20 多 a 來，1# 變形體的變形仍在持續(xù)，尚未收斂。鑒于該邊坡所處位置及其重要，需在電站已有勘察成果的基礎上，對該變形體進一步開展針對性補充勘察和穩(wěn)定性分析研究工作，并加強監(jiān)測，必要時須采取適當?shù)墓こ谭乐未胧?/p>

根據(jù)五強溪電廠 1# 變形體邊坡具有的特點，采用剛體極限平衡法對 1# 變形體的整體和局部穩(wěn)定性進行分析，綜合評價變形體的穩(wěn)定性。

1 穩(wěn)定性分析

1.1 計算方法

五強溪電廠 1# 變形體邊坡具有以下特點：1）邊坡為散體結構；2）可能滑移面、地下水位等邊界條件較清晰；3）邊坡已經(jīng)發(fā)生一定量的變形。綜合考慮該邊坡的特點，本次計算采用傳遞系數(shù)法計算邊坡的整體穩(wěn)定性，采用 Slide 模塊，通過 Bishop法、Janbu 修正法、Spencer 法、M-P 法計算局部穩(wěn)定性。各計算方法特點及適應條件如表1 所示。

表1 各計算方法特點及適應條件

1.2 計算模型

根據(jù) GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[6]要求，邊坡計算至少需要 3 個 或 3 個以上剖面作為安全控制，本次計算，選取 3 個典型剖面，分別是剖面 2-2′，3-3′，4-4′，具體計算剖面平面分布圖如圖1 所示，典型剖面 3-3′ 模型圖（縱剖面圖）如圖2 所示。

圖1 計算剖面平面分布圖

1.3 計算工況及參數(shù)選擇

按照 DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》[7]7-8中的規(guī)定，水利水電工程邊坡類別和級別劃分如表2 所示，根據(jù)五強溪電廠 1# 變形體邊坡特點，1# 變形體邊坡屬于 A 類 I 級邊坡?！端娝こ踢吰略O計規(guī)范》規(guī)定，A 類 I 級邊坡，持久工況下安全系數(shù)為 1.30～1.25，短暫工況下安全系數(shù)為 1.20～1.15，偶然工況下安全系數(shù)為 1.10～1.05。

變形區(qū)地震基本烈度為 VI 度，故不考慮地震工況，計算工況共分為 3 種，各計算工況及其荷載組合如下：

1）工況 1，對應持久工況，荷載組合為自重 + 正常蓄水位（108.0 m），考慮地下水作用；

2）工況 2，對應短暫工況，荷載組合為自重 + 暴雨 + 正常蓄水位（108.0 m），考慮地下水作用；

3）工況 3，對應偶然工況，荷載組合為自重 + 暴雨 + 庫水位驟降至汛限水位 98.0 m，考慮地下水作用。

在計算中，潛在的滑移破壞面采用最危險滑弧搜索技術確定?；跇O限平衡分析方法的最危險滑弧搜索技術，以一定半徑在一定范圍內設定虛擬滑動面，再計算所有虛擬滑動面的安全系數(shù)，并找出最小值對應的最危險滑面。

1# 變形體 3 種巖體穩(wěn)定性計算物理力學參數(shù)建議值如表3 所示，其中地下水位以下部分采用飽和狀態(tài)的容重和抗剪強度指標（土的黏聚力 c，內摩擦角 φ），地下水位以上部分采用天然狀態(tài)的容重和 c，φ 值。

圖2 典型剖面 3-3′ 計算模型（工程地質縱剖面圖）

表2 水利水電工程邊坡類別和級別劃分表

表3 穩(wěn)定性分析參數(shù)建議表

2 穩(wěn)定性評價

2.1 整體穩(wěn)定性

采用傳遞系數(shù)法對傾倒松動帶 + 斷層 F115（界面 1）、松動區(qū)底界面（界面 2）和變形區(qū)底界面（界面 3）的穩(wěn)定性進行分析計算，圖3～5 為典型剖面 3-3′ 的傳遞系數(shù)法穩(wěn)定性分析計算示意圖，分析成果如表4 所示。

圖3 剖面 3-3′（界面 1）穩(wěn)定性分析示意圖

圖4 剖面 3-3′（界面 2）穩(wěn)定性分析示意圖

表4 五強溪 1# 變形體穩(wěn)定性分析成果（傳遞系數(shù)法）

從表4 可以看出：

1）工況 1 下，剖面 2-2′ 在假定界面 1 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)為 1.354，處于穩(wěn)定狀態(tài)；3-3′，4-4′在假定界面 1 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.101，1.236，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求；剖面 2-2′，3-3′，4-4′ 在假定界面 2 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.564，1.416，1.339，處于穩(wěn)定狀態(tài)；剖面 2-2′，3-3′，4-4′ 在假定界面 3 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.161，1.148，1.191，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求。

2）工況 2 下，剖面 2-2′，4-4′ 在假定界面 1 和 2 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)均大于 1.20，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在假定界面 3 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.095，1.120，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求。剖面 3-3′ 在假定界面 1，2，3 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.027，1.145，1.092，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求。

3）工況 3 下，除剖面 3-3′ 在假定界面 1 的情況 以外，其余界面安全系數(shù)都在 1.05 以上，其中剖面 2-2′ 在假定界面 1 和 2，3-3′ 在假定界面 2，以及 4-4′ 在所有假定界面，穩(wěn)定系數(shù)都大于 1.10，基本穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。

綜上分析，處于山脊部位的 3-3′ 剖面穩(wěn)定性相對較差，這與變形體目前的實際變形情況相吻合。且計算結果反映，各剖面在假定界面 3 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)均偏低，有待進一步分析論證。

2.2 局部穩(wěn)定性

考慮到本工程的重要性，采用規(guī)范規(guī)定的各工況上限值對典型剖面 3-3′ 進行校核。校核采用剛體極限平衡方法對典型剖面 3-3′ 進行計算，局部滑弧采用搜索安全系數(shù)最小的滑面。采用 Slide 模塊進行計算，并將穩(wěn)定性計算結果與 DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》[7]7-8要求進行對比統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表5 所示。

表5 3-3′ 剖面不同工況 1# 變形體安全系數(shù)計算結果統(tǒng)計表

由表5 可知：

1）變形體在 3 種工況下，安全系數(shù)平均值依次為 1.213，1.195，1.032，均不滿足規(guī)范上限要求。

2）庫水位從正常蓄水位驟降到汛限水位，變形體的安全系數(shù)顯著降低，局部的安全系數(shù)平均值為1.032，不滿足規(guī)范要求（偶然工況 Fs≥ 1.10）。

綜上所述，除“2-2′ + 界面 3 + 工況 1”“3-3′ +界面 1 + 工況 1”“3-3′ + 界面 1 + 工況 2”“3-3′ +界面 2 + 工況 2”“3-3′ + 界面 3 + 工況 3”“2-2′ + 界面 3 + 工況 2”“3-3′ + 界面 1 + 工況 3”“4-4′ + 界面 1 + 工況 1”“4-4′ + 界面 3 + 工況 1”組合外，其它各工況下 1# 變形體邊坡整體基本是穩(wěn)定的，但因為邊坡巖體屬于互間層狀、層狀碎裂和散體結構等組合類型，巖體強度不均一，有的甚至很低，結構面復雜，表部又多處蠕變松動，因而從巖體結構上看邊坡穩(wěn)定性條件是較差的，尤以 3-3′ 計算剖面顯示安全穩(wěn)定性更差。另外，穩(wěn)定性計算結果顯示局部搜索最危險滑面的安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，說明變形區(qū)稍有破壞穩(wěn)定平衡的事件發(fā)生，局部的失穩(wěn)是極其可能的。

3 結語

基于五強溪電廠 1# 變形體的工程地質特征及變形現(xiàn)象，采用剛體極限平衡法對變形體的整體和局部穩(wěn)定性進行分析，可為今后的類似工程提供理論參考。

對于五強溪電廠 1# 變形體的整體穩(wěn)定性，處于山脊部位的 3-3′ 剖面穩(wěn)定性相對較差，與實際情況相一致，且各個剖面在假定界面 3 的情況下，安全系數(shù)均偏低。對于變形體的局部穩(wěn)定性，典型剖面3-3′ 在 3 種工況下，變形體的安全系數(shù)平均值均不滿足規(guī)范要求，局部穩(wěn)定顯然不滿足要求，故變形體邊坡整體基本穩(wěn)定，但仍存在失穩(wěn)可能。變形體的局部穩(wěn)定性較差，有可能發(fā)生局部失穩(wěn)。因此實際工程中的變形體既可能發(fā)生整體失穩(wěn)，也可能發(fā)生局部失穩(wěn)，所以應根據(jù)工程實際情況在必要時同時對變形體的整體和局部穩(wěn)定性進行分析。

考慮到變形體是一個復雜的三維結構，采用二維剛體極限平衡法對變形體的穩(wěn)定性進行分析必定存在局限性，若要獲得更加精準的計算結果，在后續(xù)的研究中可以采用三維分析方法對變形體穩(wěn)定性進行分析。