水電站進(jìn)水口邊坡滑坡體地質(zhì)的穩(wěn)定性敏感度分析

馬國文

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隧洞進(jìn)水口段一般在地表水侵蝕、風(fēng)化發(fā)育的斜坡面上，加上隧洞洞口段的深度往往較淺，巖石和土壤難以形成結(jié)構(gòu)上的支撐拱，使坡表面容易開裂，形成張力縫，一旦水沿裂縫表面侵入，其穩(wěn)定性難以得到保證。因此，隧洞洞口段的破壞經(jīng)常由某個裂縫損傷的崩潰發(fā)展開來，所以隧洞進(jìn)水口段的邊坡穩(wěn)定性是必須認(rèn)真對待的設(shè)計(jì)和施工問題。李建林等[1]通過對卸荷理論的應(yīng)用，對三峽地下電站進(jìn)水邊坡進(jìn)行了巖質(zhì)邊坡位移、應(yīng)力分析和優(yōu)化加固分析，給出了合理的建議方案。陳敏林等[2]通過運(yùn)用三維非線性彈塑性有限元分析方法，模擬水布埡工程中導(dǎo)流隧洞開挖的洞臉開挖方式和運(yùn)作模式。

對于水庫的庫岸邊坡滑坡的主要危害包括以下幾個方面：(1)大方量的巖土體滑入庫中，減少了水庫的可使用庫容量，甚至變成堰塞湖，水庫整體無法再繼續(xù)使用。(2)假使滑坡體下滑速度極快，將會引起很大的涌浪，會影響到水庫大壩的安全及發(fā)電電站的運(yùn)行。(3)大方量的滑坡體對水庫周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全會有災(zāi)難性的危害。因此，庫岸邊坡的安全穩(wěn)定研究，直接影響著水利水電工程的如期修建和電站的正常運(yùn)行[3-4]。水庫的庫岸滑坡和普通的滑坡有相同之處，但也有和它的不同之處。主要由于庫岸滑坡受到庫水位的升降影響較大[5]，庫水位很快下降時，坡內(nèi)浸潤線的回落相對落后，會有超孔隙水產(chǎn)生壓力。以上情況對土坡的穩(wěn)定有不良的影響。

1 研究方法

極限平衡法以巖土體的力學(xué)分析為基礎(chǔ)，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型提供的可能滑動圖示的基礎(chǔ)上進(jìn)行。極限平衡法首先依據(jù)選定范圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)面的空間位置和邊坡的相互關(guān)系，依據(jù)邊坡巖土體的力學(xué)情況和可能發(fā)生的滑動機(jī)制，確定可能存在的潛在滑動面形狀以及位置，并且預(yù)先假定極限平衡狀態(tài)時的應(yīng)力分布和未知力的關(guān)系，最終沿潛在的滑動面計(jì)算各種荷載工況、分析抗滑強(qiáng)度。通過反復(fù)分析計(jì)算，將各個潛在滑動面的安全系數(shù)相對比，最終得出安全系數(shù)最小的潛在滑動面。極限平衡法屬于穩(wěn)定性分析中的定量分析。本文主要采用瑞典圓弧法，簡化Bishop法和Janbu法進(jìn)行敏感度分析[6-8]。

2 敏感性分析

2.1 選取的計(jì)算方法對土坡穩(wěn)定安全系數(shù)K的影響

極限平衡法在進(jìn)行安全系數(shù)分析時設(shè)定了假定，會對穩(wěn)定安全系數(shù)的大小產(chǎn)生相應(yīng)的影響。本文通過采用瑞典圓弧法、簡化Bishop法和Janbu法研究不同的計(jì)算方法影響穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)律，這也是工程中常用的三種方法。如圖1所示為水電站進(jìn)水口均質(zhì)邊坡，土工參數(shù)如表1所示。

圖1 不同坡高示意圖

表1 土工參數(shù)

邊坡的坡率1∶1，黏聚力c=40 kPa,φ=30°，γ=25 kN/m3，q=0 kPa，不同坡高(10 m, 20 m, 30 m，40 m，50 m)時，三種不同方法給出的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。三者之間的誤差如表2所示。

圖2 坡率1∶1時坡高—安全系數(shù)圖

表2 坡率1∶1時不同的方法安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由圖2和表2可以看出，瑞典圓弧法的計(jì)算結(jié)果略小, Bishop法和Janbu法比較接近，Janbu法略大。在坡率1∶1的條件下，與瑞典圓弧法相比，Bishop法的結(jié)果約大6.0%，Janbu 法約大6.5%。對上述均質(zhì)邊坡c=40 kPa，φ=30°，Y=25 kN/m3,q=0 kPa，假定坡高h(yuǎn)=30 m，而坡角變化時，計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)K得出的結(jié)果如圖3和表3所示。

圖3 坡高30 m時坡角—安全系數(shù)圖

邊坡角α/(°)瑞典圓弧法簡化Bishop法Janbu法3015.455.614515.786.636014.614.82

2.2 土體的強(qiáng)度參數(shù)對穩(wěn)定安全系數(shù)K的影響

影響土體抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)，包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ兩個指標(biāo)。目前，土工試驗(yàn)的現(xiàn)狀條件還不能達(dá)到完全精確得到這些強(qiáng)度指標(biāo)的水平，試驗(yàn)得出的數(shù)值結(jié)果與原狀土的實(shí)際強(qiáng)度存在一定偏差。存在這種偏差的原因是多方面的。比如說試驗(yàn)方法和試驗(yàn)儀器的方面肯定會存在偏差。比如說取土的時候，不免會擾動到原狀土的狀態(tài)，影響到土體本來的結(jié)構(gòu)，以至于試驗(yàn)的數(shù)值結(jié)果和滑裂面的土體實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)偏差較大。

表4、表5采用Janbu法計(jì)算，φ=30°,γ=25 kN/m3時，考查相同坡率、坡高時，不同黏聚力c對穩(wěn)定安全系數(shù)K的影響規(guī)律。

表4 坡高30 m坡率1∶1時不同黏聚力不同方法安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 坡高30 m坡率1∶2時不同黏聚力不同方法安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，各種計(jì)算方法對黏聚力c值的敏感性基本一致。對于坡高為30 m的1∶1和1∶2均質(zhì)邊坡，隨著黏聚力c的逐漸增大，穩(wěn)定安全系數(shù)K的增大幅度緩慢減小。且坡度更緩的1∶2均質(zhì)邊坡比1∶1的均質(zhì)邊坡對于黏聚力c的敏感性更強(qiáng)。

表6、表7采用Janbu法計(jì)算，φ=30°,γ=25 kN/m3時，不同坡率、坡高時，黏聚力c對穩(wěn)定安全系數(shù)K的影響規(guī)律。

表6 不同黏聚力下同一坡高(30 m)不同坡率下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表7 不同黏聚力下同一坡率(1∶1)不同坡高安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表6可以看出，對于坡高為30 m的均質(zhì)土坡，隨著坡度越陡，安全系數(shù)對黏聚力的敏感度越小，并且隨著黏聚力的增大，對安全系數(shù)的影響越小。

由表7所示，對于1∶1坡率的均質(zhì)土坡，穩(wěn)定安全系數(shù)K對黏聚力c的敏感性隨坡高的增加逐漸降低，這主要與滑動面的位置有關(guān)，隨著坡高的增加，滑動面越淺，滑動面的相對長度將減少，且滑動面在坡腳以下的土中的長度相對減少。

表8 坡率1∶1時不同摩擦角下不同計(jì)算方法得出的安全系數(shù)

表10采用Janbu法計(jì)算，c=40 kPa,γ=25 kN/m3，考查不同坡率、坡高時，內(nèi)摩擦角φ對穩(wěn)定安全系數(shù)K的影響規(guī)律。

從表10可以得出，不同的坡率情況下，穩(wěn)定安全系數(shù)K對內(nèi)摩擦角φ的敏感性并不一致，隨著坡率的減小，穩(wěn)定安全系數(shù)K對內(nèi)摩擦角φ的敏感性逐漸增加。且隨著內(nèi)摩擦角的不斷增大，敏感性不斷變強(qiáng)，這其實(shí)是與tanφ曲線非線性的增大相關(guān)。

表9 坡率1∶2時不同摩擦角下不同計(jì)算方法得出的安全系數(shù)

表10 不同摩擦角不同坡率下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)針對同一邊坡，不同方法得出的安全系數(shù)數(shù)值上有一定差異，瑞典圓弧法得出的穩(wěn)定安全系數(shù)最小，Bishop法得出的穩(wěn)定安全系數(shù)居中，Janbu 法得出的穩(wěn)定安全系數(shù)最大。對于簡單的均質(zhì)邊坡，瑞典圓弧法得出的穩(wěn)定安全系數(shù)比 Bishop 法大約小7%，比Janbu法大約小8%。

(2)對于具有相同坡高的均質(zhì)土坡，穩(wěn)定安全系數(shù)對黏聚力c的敏感性隨坡率的減小而增大。對于相同坡率的均質(zhì)土坡，穩(wěn)定安全系數(shù)對黏聚力c的敏感性隨坡高的增大而減小。且坡度更緩的邊坡對于黏聚力c的敏感性更強(qiáng)。對于具有相同坡高的均質(zhì)土坡，穩(wěn)定安全系數(shù)對內(nèi)摩擦角φ的敏感性隨坡率的減小而增大。對于相同坡率的均質(zhì)土坡，穩(wěn)定安全系數(shù)對內(nèi)摩擦角φ的敏感性隨坡高的增大而減小。