基于剛體極限平衡法的堆積體穩(wěn)定性研究

薛天祥 沈春勇 鄭克勛 陳潤(rùn)澤 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

通訊作者：沈春勇

堆積體是我國(guó)西南地區(qū)普遍可見(jiàn)的一種地形地貌，大型水電站的建設(shè)和運(yùn)行，引發(fā)了堆積體變形、失穩(wěn)等一系列復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和大壩安全帶來(lái)了潛在的危害。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐表明，巖體本身的材料特性、構(gòu)造特征等是決定堆積體承載能力、穩(wěn)定狀態(tài)、變形趨勢(shì)等的重要內(nèi)在依據(jù)，庫(kù)水位上升或下降、降雨以及人類(lèi)活動(dòng)等外部環(huán)境變化是影響堆積體滑動(dòng)的外在因素。

近年來(lái)，人們已認(rèn)識(shí)到降雨對(duì)堆積體變形及穩(wěn)定有著極其不利的影響，且水庫(kù)蓄水對(duì)堆積體滑動(dòng)的誘發(fā)作用已得到了普遍認(rèn)同。許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)誘發(fā)滑坡作了較深入的研究，因試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)、堆積體滑動(dòng)原型的高度非線性特性以及庫(kù)水與降雨耦合作用等研究?jī)?nèi)容存在較大難度，目前庫(kù)水位變動(dòng)誘發(fā)堆積體滑動(dòng)的作用機(jī)制研究仍有較大空間。針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計(jì)算理論，結(jié)合堆積體的特征、外界條件及滑動(dòng)模式，對(duì)補(bǔ)朗堆積體進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)庫(kù)岸堆積體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。

1.研究對(duì)象

補(bǔ)朗堆積體分布于馬馬崖一級(jí)水電站壩址上游補(bǔ)朗河段右岸，其下游邊界距壩軸線1.8km。補(bǔ)朗河段河流流向S12°E～S58°E，形成微向西凸出的河灣地形，枯季河水位510m左右，水面寬30m～40m。地形上左岸陡、右岸緩，左岸為高約500m的陡壁。補(bǔ)朗河段為走向河谷，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。堆積體橫向（順河向）長(zhǎng)780m～980m，縱向上寬650m～900m，呈弧形狀分布，分布高程510m～790m，高差280m，面積約0.77km2，厚度5m～90m，體積約2319×104m3。由于堆積體規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，并且位于近壩庫(kù)段，水庫(kù)蓄水抬高水位約80m，水庫(kù)運(yùn)行存在水位陡漲陡落情況，對(duì)堆積體的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.計(jì)算原理及方法

邊坡工程中常用的穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡分析法和數(shù)值分析法等。極限平衡法在工程中應(yīng)用最為廣泛，這個(gè)方法的理論基礎(chǔ)是摩爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度，將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力平衡方程式，求解安全系數(shù)。目前，邊坡穩(wěn)定性分析最常用的極限平衡方法有：瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法、羅厄法/陸軍工程師團(tuán)法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、Correia法、不平衡推力法（傳遞系數(shù)法）等方法。基于Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計(jì)算理論，本文結(jié)合堆積體的特征、外界條件及滑動(dòng)模式，采用Stab2009和巖土理正軟件，對(duì)補(bǔ)朗堆積體在各計(jì)算工況下分別沿接觸帶整體滑動(dòng)和沿接觸帶薄弱面剪出兩種模式進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 Morgenstern-Price法

Morgenstern-Price法要求的力學(xué)平衡條件為：分條底面的法向力平衡；分條底面的切向力平衡；關(guān)于分條底面中點(diǎn)的力矩平衡。該法假定條塊的豎直切向力與水平推力之比為條間力函數(shù)f（x）和待定常數(shù)λ的乘積。該法得出的安全系數(shù)是嚴(yán)格解。

式中：dx為條塊寬度；dQ為作用在條塊上的外力（包括地震力、錨索和錨樁提供的加固力和表面荷載）在水平向分力；Me為dQ對(duì)條塊中點(diǎn)的力矩；he為dQ的作用點(diǎn)到條塊底面中點(diǎn)的垂直距離；f（x）為tanβ在x方向的分布形狀，一般可取f（x）=1；λ為tanβ確定值的待定系數(shù)。

2.2 不平衡推力傳遞法

不平衡推力傳遞法也稱為剩余推力法、推力傳遞法等，該方法適用于呈任何形狀的滑動(dòng)面，假定條塊間力的合力與上一條塊底面平行，其計(jì)算公式如下。

式中：

Ri—第i滑動(dòng)條塊底面的抗滑力；

Ti—第i滑動(dòng)條塊底面的滑動(dòng)力；

Ψi—第i滑動(dòng)條塊界面推力的傳遞系數(shù)。

3.計(jì)算剖面及工況

3.1 計(jì)算剖面

補(bǔ)朗堆積體邊坡為庫(kù)岸邊坡，水庫(kù)蓄水后，在庫(kù)水作用下，邊坡有向臨空方向發(fā)生整體滑移的情況。根據(jù)上述特點(diǎn)，本文穩(wěn)定分析計(jì)算在Ⅰ區(qū)和II區(qū)分別選取A-A、B-B剖面的進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算剖面如圖1所示。

圖1 計(jì)算剖面

由于馬馬崖一級(jí)水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，運(yùn)行期水庫(kù)水位頻繁變化對(duì)補(bǔ)朗堆積體前緣不利，易產(chǎn)生淘刷切角破壞，堆積體局部可能存在穩(wěn)定性問(wèn)題。庫(kù)水位以下的邊坡若滑入水庫(kù)將在死水位以下，不會(huì)危及大壩整體穩(wěn)定安全。故根據(jù)邊坡的物質(zhì)組成、成因分析，以及堆積體現(xiàn)狀確定補(bǔ)朗堆積體存在的滑動(dòng)模式為：

模式一：沿接觸帶整體滑動(dòng)；

模式二：沿接觸帶滑動(dòng)至庫(kù)水位附近高程薄弱面剪出。

3.2 計(jì)算工況

堆積體在庫(kù)水位附近的地下水位線隨庫(kù)水位的消漲而變化，將對(duì)滑坡堆積體的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，由于水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，庫(kù)水位變化頻繁，故庫(kù)水位驟降工況按庫(kù)水位從585m高程驟降至580m進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)一個(gè)汛枯期對(duì)鉆孔內(nèi)水位的觀察發(fā)現(xiàn)，最高水位與最低水位最大相差8.62m，偏安全考慮，暴雨工況下地下水位線按天然狀態(tài)下抬高8m考慮。最終選取以下六種工況進(jìn)行計(jì)算：

持久狀況1：水庫(kù)蓄水前天然狀況下堆積體穩(wěn)定性分析；

持久狀況2：庫(kù)水為正常蓄水位585m時(shí)堆積體穩(wěn)定性分析；

持久狀況3：庫(kù)水為死水位580m時(shí)堆積體穩(wěn)定性分析；

短暫狀況1：庫(kù)水位從585m高程驟降5m至580m時(shí)堆積體邊坡穩(wěn)定性分析；

短暫狀況2：暴雨工況下堆積體穩(wěn)定性分析（庫(kù)水為正常蓄水位585m，地下水位線按天然狀態(tài)下抬高8m）；

偶然狀況：庫(kù)水為正常蓄水位585m+地震（動(dòng)峰值加速度0.076g）時(shí)堆積體穩(wěn)定性分析。

3.3 地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)堆積體的工程地質(zhì)特性及試驗(yàn)成果，借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程地質(zhì)類(lèi)比，推薦補(bǔ)朗堆積體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值見(jiàn)表1。

表1 堆積體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值參數(shù)

4.計(jì)算結(jié)果及分析

為了研究不同外部環(huán)境變化對(duì)堆積體的影響，本文考慮持久、短暫、偶然等計(jì)算工況，對(duì)補(bǔ)朗堆積體在不同滑動(dòng)模式下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算，A-A、B-B剖面計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示，安全系數(shù)見(jiàn)表2和表3。計(jì)算結(jié)果表明：模式一（沿接觸帶整體滑動(dòng)），在天然、正常蓄水位、庫(kù)水位升降、暴雨和地震等工況下，堆積體Ⅰ區(qū)和II區(qū)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模式二（沿接觸帶滑動(dòng)至庫(kù)水位附近高程薄弱面剪出），在正常蓄水位、暴雨和地震等工況下，堆積體Ⅰ區(qū)安全系數(shù)較模式一小，但均滿足規(guī)范要求。堆積體II區(qū)在正常蓄水位、地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，會(huì)影響到庫(kù)區(qū)及樞紐建筑物安全，需對(duì)該剖面進(jìn)行處理。

表2 模式一補(bǔ)朗堆積體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 Stab2009軟件計(jì)算結(jié)果

圖3 理正軟件計(jì)算結(jié)果

表3 模式二補(bǔ)朗堆積體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由分析計(jì)算結(jié)果可知，水庫(kù)蓄水后，即使堆積體前緣被淘蝕破壞，出現(xiàn)庫(kù)岸再造、庫(kù)岸塌滑的現(xiàn)象，后緣整體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，不會(huì)產(chǎn)生牽引式滑動(dòng)。在暴雨工況和地震作用下，堆積體安全系數(shù)明顯降低，這是由于庫(kù)水位頻繁升降時(shí)，堆積體孔隙水壓力增加，下滑力增大，對(duì)堆積體不利。降雨、暴雨的沖刷，將會(huì)弱化巖土體，降低抗剪強(qiáng)度，增加堆積體下滑力，導(dǎo)致堆積體原有平衡被打破，引發(fā)前緣塌岸、小規(guī)模變形。

5.結(jié)論

本文基于Morgenstern-Price法和不平衡推力傳遞法的計(jì)算理論，采用理正6.0和Stab2009軟件對(duì)各工況下堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）在天然工況、正常蓄水位工況下，堆積體安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）水庫(kù)蓄水后，庫(kù)水位上升時(shí)，堆積體安全系數(shù)較天然工況稍有增大或降低的現(xiàn)象，這是由于庫(kù)水位的上升對(duì)堆積體有壓腳的作用，對(duì)其穩(wěn)定性有利，但滑動(dòng)面部分由非飽和變成飽和狀態(tài)，對(duì)其穩(wěn)定性不利。庫(kù)水位下降時(shí)，但較正常蓄水位工況安全系數(shù)低，這是由于庫(kù)水位頻繁消漲會(huì)降低堆積體穩(wěn)定性。

（3）水庫(kù)蓄水后，在暴雨工況和地震作用下，堆積體安全系數(shù)及穩(wěn)定性有明顯的降低。安全系數(shù)均處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，可能影響庫(kù)區(qū)及樞紐建筑物安全，需對(duì)該剖面進(jìn)行處理，保證水庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）水庫(kù)蓄水后，即使堆積體前緣被淘蝕破壞，出現(xiàn)庫(kù)岸再造、庫(kù)岸塌滑的現(xiàn)象，后緣整體安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求，但安全系數(shù)有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明前緣的淘蝕破壞對(duì)堆積體后緣的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。