基于傳遞系數(shù)法的岸坡穩(wěn)定性分析
——以某電站庫區(qū)涉水邊坡為例

王 震

（大石橋市財(cái)政事務(wù)中心，遼寧 大石橋 115100）

某水電站庫區(qū)為河流侵蝕堆積及構(gòu)造剝蝕地貌，地形北高南低，且由于該地區(qū)暴雨洪水頻繁發(fā)生，水位經(jīng)常急劇上升和下降，造成庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性欠佳，給電站的安全運(yùn)行構(gòu)成極大威脅。為此，本文采用傳遞系數(shù)法對該庫區(qū)的典型岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。沈堯亮和侯殿英等［1］通過理論研究，分析了傳遞系數(shù)法的原型與衍生過程。周海清等［2］通過實(shí)際案例推導(dǎo)了滑面指標(biāo)反算方法，該法通過驗(yàn)證可用于實(shí)際工程。袁興平等［3］通過實(shí)例證明了在實(shí)際工程運(yùn)用中剩余下滑力的差異及其對設(shè)計(jì)計(jì)算造成影響。通過文獻(xiàn)綜述，不難發(fā)現(xiàn)傳遞系數(shù)法在我國工程領(lǐng)域已獲得了快速發(fā)展，應(yīng)用廣泛，且可靠性較高。

1 岸坡地質(zhì)條件

本研究岸坡對象工程區(qū)出露地層以區(qū)域性微—中變質(zhì)地槽型沉積建造為主，以三疊系最發(fā)育，分布最廣。

1.1 工程區(qū)沿河出露主要地層

三疊系上統(tǒng)圖姆溝組下段（T3t1）的板巖，巖層產(chǎn)狀N 45°W/SW∠75°。第四系整個(gè)流域均有分布，沿河以沖洪積堆積為主，兩岸緩坡地帶以坡、殘積堆積為主，洪積堆積主要分布在各支溝溝口。由于區(qū)域變質(zhì)作用，巖層受強(qiáng)烈擠壓、變形，巖體中節(jié)理、片理、板理非常發(fā)育，巖體破碎，區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架以北西向?yàn)橹?。第四系以來區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)十分強(qiáng)烈，整個(gè)區(qū)域基本處于強(qiáng)烈抬升而遭受剝蝕的構(gòu)造環(huán)境，表現(xiàn)為間歇抬升。區(qū)內(nèi)抬升總體表現(xiàn)為東部抬升速度相對西部較快。河谷河流階地不發(fā)育，洪積臺(tái)地發(fā)育，階面高出河水面5～20m。在地貌上表現(xiàn)為斷層槽谷、斷層陡坎、埡口及地表水系與斷層的同步偏轉(zhuǎn)。此外，強(qiáng)震主要集中分布在地質(zhì)塊體的活動(dòng)邊界斷裂的某些特殊的構(gòu)造部位成叢、成段出現(xiàn)。

1.2 工程區(qū)地質(zhì)為巖體風(fēng)化、卸荷

巖體受構(gòu)造因素及地形的影響，風(fēng)化、卸荷分帶較明顯。強(qiáng)風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)部分遭破壞，巖體顏色多為淺黃色，裂隙發(fā)育，間距0.15～0.2m，裂面普遍銹染，錘擊聲啞，巖體為層狀碎裂結(jié)構(gòu)。弱風(fēng)化巖體裂隙較發(fā)育，裂隙間距0.3～0.5m，大部分裂面有輕微鐵銹渲染，錘擊聲略啞，巖體為層狀鑲嵌狀結(jié)構(gòu)。新鮮巖體結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，裂面新鮮，錘擊聲清脆。河床強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚1～2m，弱風(fēng)化帶厚4～5m；岸坡強(qiáng)、弱風(fēng)化帶垂直厚度分別為3～4m和6～8m。巖體的卸荷作用主要表現(xiàn)為裂隙數(shù)量的增加和裂隙開度的增大，并沿主要結(jié)構(gòu)面卸荷松弛。強(qiáng)卸荷巖體松馳，隱微裂隙和次生裂隙顯現(xiàn)，構(gòu)造裂隙普遍張開，且多處見有寬度大于2cm的陡傾角卸荷裂隙，常充填巖屑及次生泥，裂面普遍嚴(yán)重銹染。弱卸荷巖體較松馳，部分隱微裂隙顯現(xiàn)，構(gòu)造裂隙輕微張開，長大裂面普遍嚴(yán)重銹染，一般裂面有輕微銹染，可見寬度達(dá)0.5～1cm的陡傾角集中卸荷裂隙，局部充填有巖屑及次生泥。兩岸強(qiáng)、弱卸荷帶水平厚度分別為3～4m和10～15m。

1.3 區(qū)域內(nèi)基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙潛水

1.3.1 第四系松散堆積層孔隙潛水

主要埋藏于河床、沖洪積臺(tái)地中。地下水主要受大氣降水與河水補(bǔ)給控制，與河水、溝水聯(lián)系密切，受季節(jié)變化較明顯。

1.3.2 基巖裂隙水

主要埋藏于基巖裂隙及斷層破碎帶中，其埋藏及補(bǔ)給、運(yùn)移、排泄條件復(fù)雜，含水裂隙（帶）之間水力聯(lián)系差，主要接受大氣降水補(bǔ)給，以下降泉形式排泄于溝谷或河流。該河段河水水質(zhì)類型為重碳酸硫酸鈣型水，對岸坡穩(wěn)定有一定影響。

2 計(jì)算條件

項(xiàng)目所在區(qū)域岸坡以土質(zhì)岸坡為主，穩(wěn)定性較差。土體主要為河流沖洪積堆積層，厚度大于10m，地面表層有厚度0.3m的壤土，含少量礫石，壤土為褐黃色，硬塑狀，含較多的植物根系。下部為粗粒土漂塊卵礫石夾砂層，粒徑一般10～20cm，大者0.6～1.5m，成分主要為花崗巖、閃長巖、板巖、砂巖，磨圓度較好，分選性差。漂塊卵礫石夾砂層中的細(xì)粒含量為17.1%，不均勻系數(shù)為85.45，曲率系數(shù)為6.05，屬于級配不均勻的漂卵礫石土。天然干密度2.23g/cm3。土體結(jié)構(gòu)松散，局部架空，人工擾動(dòng)較多。局部岸坡段受人類活動(dòng)的磨蝕，導(dǎo)致岸坡崩塌，形成的陡坎高達(dá)2～6m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察成果，選擇覆蓋層較厚和常年浸水前緣土壤進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，如圖1。

圖1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算斷面及相關(guān)水位

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

通過對該區(qū)域工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并根據(jù)研究岸坡的現(xiàn)狀，驗(yàn)證反演分析得到的c和φ值。計(jì)算時(shí)以項(xiàng)目所在區(qū)域已發(fā)生的滑坡作為依據(jù)，即已知滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，參數(shù)取值區(qū)間0.95 ～1，可通過反算得到該區(qū)域范圍內(nèi)滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ。存在c和φ兩個(gè)未知參數(shù)，首先，確定c值驗(yàn)算范圍，并在該范圍內(nèi)選擇一系列黏聚力值ci，通過反算得到對應(yīng)的內(nèi)摩擦角值φi。在不同參數(shù)組合中選擇最優(yōu)值，作為本滑坡案例的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。計(jì)算如式（1）：

式中 Si為無量綱變量，Si中最小值對應(yīng)的ci和φi為最優(yōu)的滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中ci為最優(yōu)的滑帶土對應(yīng)的黏聚力 （kPa），φi為最優(yōu)的滑帶土對應(yīng)的內(nèi)摩擦角（°）；ηc，ηφ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性影響系數(shù)，ηc∶ηφ=1∶3。μc為黏聚力均值（kPa）；σc為黏聚力方差（kPa）；μφ為內(nèi)摩擦角均值（°）；σφ為內(nèi)摩擦角方差（°）。

同時(shí)，結(jié)合該岸坡地理環(huán)境及當(dāng)前狀態(tài)，并參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)資料，充分考慮滑坡引起的地下水，如表1。

表1 庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算相關(guān)參數(shù)取值

2.2 計(jì)算工況及荷載組合

考慮到該水電站工程區(qū)岸坡地質(zhì)構(gòu)造及河水、暴雨對岸坡的影響，勘察期（即枯水期）水位262.3m，50年設(shè)計(jì)洪水位284.6m，選取50年暴雨條件和飽和參數(shù)計(jì)算滑動(dòng)面。此外，由于工程區(qū)地震烈度為7°，則本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算需考慮地震荷載。根據(jù)上述條件，選取4種典型工況進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性計(jì)算如表2。

表2 不同工況荷載組合及穩(wěn)定系數(shù)取值

2.3 計(jì)算結(jié)果

本次穩(wěn)定計(jì)算選取了覆蓋層較厚的兩個(gè)典型斷面（如圖1），采用傳遞系數(shù)法［4-5］計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果如表3。結(jié)果包含了表3中設(shè)置的4種工況。

表3 不同工況下兩段邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

從表4的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可看出，水電站庫區(qū)天然岸坡的電流穩(wěn)定系數(shù)均大于臨界安全系數(shù)1并處于穩(wěn)定狀態(tài)，即水電站岸坡在工況1時(shí)是穩(wěn)定的。在工況2，3，4條件下，岸坡的安全系數(shù)均小于1，說明此時(shí)岸坡若不采取加固措施將發(fā)生失穩(wěn)和滑移。同時(shí)，由于本段岸坡覆蓋層較厚，松散土體的穩(wěn)定性將直接影響岸坡穩(wěn)定和安全，進(jìn)而影響到該工程水電站等其他水工建筑物的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

以某水電站庫區(qū)內(nèi)的天然岸坡為例，介紹了該工程區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算了該水電站庫區(qū)內(nèi)兩段天然岸坡的穩(wěn)定性大小。

（1）枯水期，兩段岸坡的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15；在考慮不利的運(yùn)行工況時(shí)，岸坡對象的安全系數(shù)低于1，說明邊坡需要采取加固措施才能保持自身的穩(wěn)定。

（2） 該電站庫區(qū)岸坡對象的穩(wěn)定性受水和地震作用的影響十分顯著，應(yīng)注重岸坡的穩(wěn)定問題。

（3）在后期工程建設(shè)過程中，應(yīng)采取必要的邊坡加固措施，預(yù)防滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生，從而保證庫岸穩(wěn)定及水電站的安全運(yùn)行。