白鶴灘庫區(qū)小江碎石土岸坡庫水作用穩(wěn)定性規(guī)律分析

李大龍，齊洋，楊競，易小宇

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310014；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

中國西南地區(qū)水系發(fā)育，河流眾多，水能資源豐富，加強水資源綜合利用，積極有序推進大型水電基地建設(shè)是中國經(jīng)濟社會發(fā)展的具體要求。大型水利工程的建設(shè)與運營勢必會改變原有的地質(zhì)環(huán)境，影響庫岸邊坡穩(wěn)定性[1-3]。為進一步了解庫水升降作用下堆積體岸坡的穩(wěn)定性規(guī)律，徐文杰等[4]采用三維數(shù)值模擬方法對土石混合體邊坡庫水升降條件下穩(wěn)定性分析表明，水位上升時岸坡穩(wěn)定性呈先降低再增高的趨勢，水位下降時，邊坡穩(wěn)定性與水位驟降的幅度呈正相關(guān)。楊繼紅等[5]分析了岸坡在非飽和態(tài)的瞬態(tài)滲流場和瞬態(tài)穩(wěn)定性，指出岸坡滑坡整體穩(wěn)定性隨水位上升而下降，而局部穩(wěn)定性隨著庫水位上升表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。郭璐[6]采用物理模型試驗對水庫性滑坡復(fù)合滲流動力災(zāi)變規(guī)律進行了研究，建立了水動力加卸載響應(yīng)比預(yù)測模型。進一步的研究指出，庫水升降變幅會加劇對庫岸巖土體的侵蝕、攜帶作用，造成巖土體結(jié)構(gòu)損傷、強度降低[7-11]，從而降低岸坡穩(wěn)定性。同時，庫水位的周期性漲落還會引起岸坡內(nèi)孔隙水壓力變化及滲流場的改變，引發(fā)岸坡失穩(wěn)破壞[12-14]。因此，對水庫區(qū)岸坡庫水作用下的穩(wěn)定性規(guī)律研究顯得尤為重要。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流四級梯級電站之一，建成后將成為僅此與三峽水電站的第二大電站。白鶴灘水庫建成蓄水后，正常蓄水位825 m，死水位765 m，年水位變幅達60 m。小江特大橋右岸斜坡位于白鶴灘水庫區(qū)小江支庫右岸，距大壩壩址約100 km，緊鄰格巧高速小江特大橋。該斜坡在自然情況下斜坡上游一側(cè)已發(fā)生明顯變形。水庫蓄水運行后，斜坡將有一半處于庫水消落區(qū)，屆時岸坡巖土體會受到庫水長期作用。庫水升降作用是否會影響小江特大橋右岸斜坡的穩(wěn)定性而發(fā)生失穩(wěn)破壞是值得關(guān)注的科學(xué)問題。鑒于此，在對該岸坡開展詳細(xì)調(diào)查和試驗測試的基礎(chǔ)上，對其蓄水作用下的滲流場和穩(wěn)定性進行了分析，為白鶴灘庫區(qū)庫岸斜坡穩(wěn)定性研究提供有益借鑒。

1 岸坡基本特征

小江特大橋右側(cè)斜坡位于金沙江支流小江右岸，斜坡左右兩側(cè)及前緣堆積邊界清晰，下游側(cè)以沖溝為界，溝谷深切，排水通暢；沖溝右側(cè)斜坡順接李開坪子隧道，小江特大橋“主橋墩-隧道進口段”位于該斜坡上。斜坡體正對格巧高速小江特大橋近百米高橋的橋墩，后緣為復(fù)建公路S303省道，前緣直抵小江。根據(jù)斜坡現(xiàn)今是否有變形，可將此斜坡分為未變形區(qū)(Ⅰ區(qū))和變形區(qū)(Ⅱ區(qū))，如圖1所示。

圖1 小江右側(cè)斜坡工程地質(zhì)平面圖

圖2 剖面1-1′工程地質(zhì)剖面圖

2 土體物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 雙環(huán)滲透試驗

分別在斜坡后緣、中部以及前緣選取3處試驗點，采用雙環(huán)入滲法獲取岸坡覆蓋層土體的飽和滲透系數(shù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到沿斜坡從上到下滲透系數(shù)分別為k1=8.28×10-2cm/s、k2=1.38×10-2cm/s 及k3=4.86×10-3cm/s，平均滲透系數(shù)k=3.38×10-2cm/s，屬中-強透水性介質(zhì)。試驗表明，從坡頂?shù)狡履_岸坡滲透性逐漸降低，主要原因是岸坡中后部土體結(jié)構(gòu)松散、密度小(約1.98 g/cm3)；前緣位置堆積層厚度大，形成年代久遠(yuǎn)，土體結(jié)構(gòu)緊密，有一定的膠結(jié)作用，密度較大(2.2～2.4 g/cm3)。

2.2 土體抗剪強度試驗

在岸坡消落帶附近用中型環(huán)刀取原狀土樣(圖3)，進行原狀土和飽和土中型直接剪切試驗。試樣儀器采用浙江華東建設(shè)工程有限公司自行設(shè)計的中型應(yīng)力控制式直剪儀(圖4)完成。

圖3 現(xiàn)場取樣

圖4 中型應(yīng)力控制式直剪儀

試驗操作按照《水利水電工程粗粒土試驗規(guī)程》(DL/T 5356—2006)[15]進行，剪切時對4個試樣分別施加100、200、300、400 kPa的法向荷載。根據(jù)天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)在不同軸壓下所對應(yīng)的剪應(yīng)力峰值強度，得到天然和飽和土體的抗剪強度曲線(圖5)。計算得到土體天然狀態(tài)內(nèi)聚力c為45.74 kPa，內(nèi)摩擦角φ為39.14°，飽和狀態(tài)內(nèi)聚力c為36.44 kPa，內(nèi)摩擦角φ為31.70°。

τ為剪應(yīng)力；σ為正應(yīng)力

3 庫水升降作用下岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值分析模型和參數(shù)

選用1-1′剖面為地質(zhì)原型，在數(shù)值分析模型(圖6)中，將卵礫石為設(shè)置為一層；角礫、碎石土和塊石設(shè)置為一層；砂巖、頁巖、粉砂巖等視為硬質(zhì)巖，并歸為基巖地層，不考慮因基巖結(jié)構(gòu)面等因素造成的滲流各向異性，將基巖視為不透水邊界。土水特征曲線(soil water characteristic curve，SWCC)根據(jù)斜坡的飽和滲透系數(shù)大小和土的粒徑級配曲線，利用Fredlund & Xing模型擬合得到。

圖6 斜坡滲流計算模型

穩(wěn)定性計算方法采用Morgenstern-Price法，同時考慮土體的基質(zhì)吸力，計算出岸坡在水位變動條件下不同時刻的穩(wěn)定系數(shù)。將SEEP/W模型導(dǎo)入Slope/W模塊中，用自動搜索法確定滑面，土條數(shù)采用默認(rèn)值(30條)，Seep/W把各單元格節(jié)點水頭信息傳遞給SLOPE/W，從而實現(xiàn)岸坡動態(tài)滲流場與穩(wěn)定性之間的耦合。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3.2 庫水升降模擬過程

根據(jù)白鶴灘水庫庫水設(shè)計調(diào)節(jié)方案，數(shù)值模擬中庫水升降過程如圖7所示。庫水上升階段，以天然狀態(tài)穩(wěn)態(tài)分析為初始條件，用瞬態(tài)分析方法模擬庫水位上升過程中斜坡體的瞬態(tài)滲流場(約95 d)，并在水位上升至正常蓄水位825 m后穩(wěn)定120 d，使坡體得到充分的浸潤。庫水下降階段，以庫水上升階段的瞬態(tài)分析結(jié)果為初始條件，用瞬態(tài)分析方法模擬庫水位下降過程中斜坡體的瞬態(tài)滲流場，用時150 d，水位下降至死水位(765 m)后穩(wěn)定20 d。穩(wěn)定性系數(shù)按前文方案計算。

圖7 數(shù)值模擬庫水調(diào)節(jié)曲線

3.3 庫水上升階段模擬結(jié)果分析

圖8為庫水位上升過程中岸坡內(nèi)部浸潤線變化。庫水位上升時，庫水由坡面滲入到坡體內(nèi)部，由于存在滲透差異，岸坡的浸潤線上升緩慢，明顯滯后于庫水位的上升速率，地下水水位略低于庫水位，且離坡面越遠(yuǎn)高差越大，浸潤線在坡面處向上彎曲，呈“內(nèi)凹”狀。達到正常蓄水位后，坡面處的浸潤線與庫水位持平，坡體內(nèi)部浸潤線經(jīng)過約50 d才達到825 m，滯后性明顯。

圖8 庫水上升過程坡體浸潤線的變化

庫水位上升過程中，圖9為坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化。水庫蓄水初期(743～775 m)，庫水位在775 m附近時，岸坡穩(wěn)定系數(shù)Fs出現(xiàn)最小值(Fs=1.119)；隨著庫水位不斷抬高，地下水位線緩慢抬升，對坡體的浮托力和指向坡內(nèi)的滲透壓力抵消部分下滑力，穩(wěn)定性系數(shù)有所上升。在100 d時庫水達到設(shè)計正常蓄水位825 m，由于庫水上升有著滯后性，在兩天后穩(wěn)定系數(shù)達到最大值1.36；之后水庫水位保持在825 m，此時浸潤線不斷上升，土體逐漸趨于飽和，基質(zhì)吸力逐漸降為零，土體強度不斷降低，邊坡穩(wěn)定性也隨之降低至1.253。庫水上升過程中，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)“降低-增加-穩(wěn)定”的變化規(guī)律，岸坡穩(wěn)定性相較蓄水前穩(wěn)定性系數(shù)降低14.7%。

圖9 庫水位上升過程坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

3.4 庫水下降階段模擬結(jié)果分析

圖10為庫水位下降過程中岸坡內(nèi)部浸潤線變化圖。在水庫水位迅速降低的過程中，岸坡體內(nèi)地下水向坡外滲出，補給庫水，但由于基質(zhì)吸力的影響，坡內(nèi)地下水位明顯滯后于庫水位下降，導(dǎo)致岸坡內(nèi)地下水位高，庫水位低，浸潤線呈“外凸”狀。

圖10 庫水上升過程坡體浸潤線的變化

庫水位上升過程中，坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化如圖11 所示。水位在220 d時開始下降，由于岸坡滲流的滯后性，浸潤線明顯滯后于水位下降，土體內(nèi)外形成巨大的水頭差，導(dǎo)致邊坡土體內(nèi)部的下滑力加大，邊坡的穩(wěn)定性降低；在360 d時，庫水位降至死水位附近，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低至最小值0.975，發(fā)生局部破壞。庫水位穩(wěn)定在死水位后，坡體浸潤線仍在緩慢下降，土體含水率不斷降低，土體逐漸由飽和態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蛻B(tài)，基質(zhì)吸力逐漸增大，土體抗剪強度也有所增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也隨之增大至1.034。庫水上升過程中，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)“降低-增加-穩(wěn)定”的變化規(guī)律，岸坡穩(wěn)定性相較最高水位時下降了17.5%。

圖11 庫水位上升過程坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

(1)庫水位上升或下降時，坡體內(nèi)地下水位隨庫水位上升或下降，但存在明顯的滯后效應(yīng)，水位穩(wěn)定后一段時間后，會達到新的平衡。

(2)庫水位上升階段，岸坡整體穩(wěn)定性較好，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)先降低后增加，并在庫水穩(wěn)定在最高蓄水位時達到穩(wěn)定狀態(tài)；庫水位下降階段，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)先降低后增加，并在庫水位穩(wěn)定在最低蓄水位時穩(wěn)定性系數(shù)回升。

(3)庫水位上升階段，岸坡受到指向坡內(nèi)的滲透壓力、容重增加及土體浸泡軟化等共同作用下，岸坡穩(wěn)定性相比于天然狀態(tài)略有降低；庫水位下降階段，土體因受到長時間的浸泡軟化作用，抗剪強度已經(jīng)降低，而坡體因滲流作用產(chǎn)生的指向坡外的滲透壓力又會增加岸坡的下滑力，降低岸坡的穩(wěn)定性，使岸坡失穩(wěn)破壞。