金安橋水電站崩塌堆積體穩(wěn)定性分析★

蔡浩然，閔 望

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100； 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210000)

1 概述

在水利水電工程建設中，邊坡及崩塌堆積體的穩(wěn)定問題不僅涉及到工程本身的安全，也影響到整體周圍環(huán)境的安全，同時還會直接或間接的給人類生活和環(huán)境帶來不利影響。因此，邊坡及崩塌堆積體穩(wěn)定性問題受到設計、科研等各方面學者和技術人員的高度重視[1]，對邊坡及崩塌堆積體的穩(wěn)定性進行分析具有一定的實用價值。高邊坡成因復雜且影響因素較多，巖體的工程性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)物理環(huán)境、地應力特征等都是影響邊坡及崩塌堆積體穩(wěn)定的因素[2]。邊坡穩(wěn)定性分析的發(fā)展經(jīng)歷了一個相當長的歷史時期，有近百年的研究歷史，國內(nèi)外的許多學者都對其進行過研究，積累了許多分析方法。我國邊坡穩(wěn)定性分析歷史可以歸類為三個階段[3]：在20世紀50年代，主要對人工邊坡的類型進行劃分，采用工程類比法給出穩(wěn)定坡腳，作為邊坡設計的依據(jù)，這一階段主要的研究對象是土坡且范圍較小，有很大的局限性。隨著研究深入，國內(nèi)一些學者開始用巖體結(jié)構(gòu)的觀點來分析邊坡問題，劃出邊坡巖體結(jié)構(gòu)的類型，利用實體投影進行塊體破壞的計算，判別穩(wěn)定性，同時開展野外巖體力學試驗，因此，在20世紀60年代，邊坡穩(wěn)定性分析向定量分析過渡，在計算方面有了較大進步。20世紀70年代以來，邊坡破壞機理的研究使人們對于邊坡問題有了更全面的了解，應用了極限平衡原理、彈塑性力學理論；計算機技術的飛速發(fā)展，使計算能力增強，有限元法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到廣泛應用。近年來，邊坡穩(wěn)定性分析領域出現(xiàn)很多新的研究方法，如模糊數(shù)學、突變理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、混沌、分形理論等。邊坡穩(wěn)定性的研究方法包括定性分析[4]和定量分析兩種。定性分析包括工程地質(zhì)分析法、邊坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)和圖解法。定量分析分為確定性分析法和不確定性分析法兩大類，確定性分析法包括極限平衡法和數(shù)值分析法[5]，常用的極限平衡法包括：Fellenius法、畢肖普法(Bishop)、簡布條分法(Janbu)、摩根斯坦普賴斯法(Morgenstern-Price)、Spencer法、不平衡推力法、莎爾瑪法(Sarma)等[6-10]，數(shù)值分析的主要求解方法有：有限單元法、離散單元法、非連續(xù)變形分析方法、快速拉格朗日分析法等。不確定性分析法[11]包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[12]、灰色系統(tǒng)法、模糊綜合評價法[13]等。

本文對于金安橋水電站崩塌堆積體穩(wěn)定性的研究主要在天然狀態(tài)、地震、強降雨、強降雨+地震4種工況下進行的。

2 金安橋水電站崩塌堆積體地質(zhì)條件概況

電站所在區(qū)域?qū)俚嵛骺v谷山原區(qū)的中甸、大理高山、中山峽谷盆地亞區(qū)地貌單元，以冰蝕、侵蝕、剝蝕地貌為主。地勢總體北高南低，一般高程2 000 m～3 500 m，最高峰為玉龍雪山，高程5 596 m，最低為龍開口水電站以南的金沙江河谷，河水面高程約1 200 m，相對高差達4 396 m。其間發(fā)育有多級剝夷面和多級河流階地。區(qū)內(nèi)地勢崎嶇，山勢雄偉，山脈走向、河流流向和盆地的分布均受構(gòu)造控制，一般呈近南北向展布。由于庫區(qū)挽近期構(gòu)造活動強烈，金沙江河谷深切，故兩岸階地保存不完整，在高程1 350 m以下斷續(xù)分布有Ⅰ級、Ⅱ級河流階地，在1 400 m以上零星分布有Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級河流階地，主要分布于梓里、樹底、黃洋溝等地帶。階地上多有村莊和耕地，均屬基座階地。

樞紐區(qū)位于五郎河河口上游，金沙江總體呈向東凸起的弧形，沖溝口以上河道較為順直，B2崩塌堆積體位于壩軸線下游230 m～450 m。分布高程1 360 m～1 500 m，平面分布長250 m，寬200 m，體積約23×104m3。堆積體呈平緩小山包，后緣為陡崖，前緣地形平緩(見圖1)。

3 模型建立及參數(shù)選取

3.1 B2崩塌堆積體的分層及模型建立

根據(jù)金安橋水電站崩塌堆積體現(xiàn)場調(diào)查的工程地質(zhì)資料，計算時將崩塌堆積體分為5層，由地表向下分別為坡積層、堆積體接觸帶、卸荷松動巖體、弱風化巖體和微風化巖體，利用AutoCAD建立崩塌堆積體的概念模型如圖2所示。

3.2 參數(shù)選取及計算工況的考慮

1)計算工況。

根據(jù)現(xiàn)場各方面可能存在的條件，考慮以下4種計算工況：

a.天然工況；b.地震工況；c.強降雨工況；d.強降雨+地震工況。

在以上研究工況基礎上，根據(jù)工程地質(zhì)條件和不同條件下堆積體邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，分析堆積體存在整體滑動和局部滑動的可能，并分析堆積體局部和整體滑動破壞可能帶來的工程危害。

2)計算參數(shù)。

金安橋水電站崩塌堆積體巖土參數(shù)具體數(shù)值如表1所示。

表1 金安橋水電站崩塌堆積體巖土參數(shù)

其他參數(shù)考慮主要有降雨條件和地震加速度。由于堆積體下部基巖節(jié)理不很發(fā)育，在強降雨過程中如果滲到堆積體內(nèi)的雨水來不及排出，將會在堆積體沿接觸帶處產(chǎn)生一定的水頭，對于該水壓力的作用，取沿底面接觸帶至以上3 m的水頭。地震工況下堆積體穩(wěn)定性分析采用修正后的參數(shù)。在地震工況下，地震動參數(shù)采用50 a超越概率為10%地震動峰值加速度0.185g。

4 崩塌堆積體穩(wěn)定性分析

4.1 確定滑移模式下穩(wěn)定性分析

崩塌堆積體穩(wěn)定性分析考慮了四種滑移模式：第一種滑移模式沿表面淺層滑移，底滑面為坡積層與松動變形巖體接觸面；第二種滑移模式為大范圍淺層滑移，與第一種滑移模式類似，不同的是底滑面包括了堆積體接觸帶，坡積層與松動變形巖體的接觸帶；第三種滑移模式滑移范圍進一步增大，從崩塌堆積體頂部延伸至下部崩坡積層，堆積體接觸帶切入比較深，整體凹陷滑移；第四種滑移模式主要發(fā)生在崩塌堆積體的上部，堆積體接觸帶連帶上層覆蓋體沿著堆積體接觸帶滑移。四種滑移模式如圖3所示。

根據(jù)簡化Bishop法、Janbu修正法、Spencer法和M-P法四種極限平衡分析方法，考慮了天然、地震、強降雨、強降雨+地震四種工況下邊坡的穩(wěn)定情況，分析得到的穩(wěn)定性系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

從表2可以看出，不論哪種滑移模式，強降雨+地震工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)都是最小的。而對于不同滑移模式，地震對于滑移模式1和滑移模式4的影響最大。在滑移模式1中，地震工況與天然工況相比邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低33.6%，其他三種滑移模式分別降低了30.2%，30.9%和33.7%。除滑移模式1外，強降雨對其他三種滑移模式的影響都較小，其穩(wěn)定性系數(shù)相比于天然工況分別降低了8.6%，8.9%和10.6%。從穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值上看，滑移模式1和滑移模式4的穩(wěn)定性系數(shù)差別較大，而滑移模式2和滑移模式3穩(wěn)定性系數(shù)相差較小。參考邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的規(guī)范標準，僅有滑移模式1和滑移模式4天然工況的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.2，這兩種工況下的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其余四種滑移模式下穩(wěn)定性系數(shù)在各工況下均小于1.2，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)或欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要進行加固處理。

表2 金安橋水電站崩塌堆積體各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)

4.2 隨機搜索滑面穩(wěn)定性分析

由于金安橋水電站位于四川，處在喜馬拉雅-地中?；鹕降卣饚希矣捎谄湮挥谏罟鹊貐^(qū)，降雨條件差，因此該水電站主要地質(zhì)災害為地震災害，降水對其影響甚微。本文重點研究地震工況下的崩塌堆積體的穩(wěn)定性。對崩塌堆積體剖面進行隨機搜索滑動面，計算得到邊坡不同水平位置滑動面及其穩(wěn)定性系數(shù)圖譜(如圖4所示)。

由圖4可以看出，邊坡在天然工況下，水平距離為600 m～800 m的范圍內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)大于1.0，邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)；0 m～600 m范圍內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，并且在0.6左右浮動，200 m～400 m之間甚至降至0.4左右。自然邊坡考慮地震后，穩(wěn)定性系數(shù)整體降低明顯，在0 m～700 m的范圍內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)都小于1.0，在該計算模式下，邊坡將要出現(xiàn)整體破壞。

5 結(jié)論

本文以金安橋水電站崩塌堆積體為研究對象，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查資料以及崩塌堆積體的物理力學性質(zhì)，采用極限平衡方法評價邊坡整體穩(wěn)定性，分析其滑移模式和變形破壞模式，主要結(jié)論如下：

1)對參數(shù)確定性分析，確定性滑面穩(wěn)定性系數(shù)第一、四種滑移模式穩(wěn)定性系數(shù)相差大，其他兩種滑移模式穩(wěn)定性系數(shù)相差較小?？傮w上看，四種滑移模式下穩(wěn)定性系數(shù)，除了第一、四種滑移模式的天然工況外，其余各工況邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均未滿足規(guī)范規(guī)定的要求，邊坡處于不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要加固處理。

2)在參數(shù)確定性分析所有考慮的因素中，地震以及強降雨工況對崩塌堆積體的失穩(wěn)貢獻顯著。

3)隨機搜索滑動面，崩塌堆積體0 m～600 m的范圍內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震、降雨等情況下，邊坡的穩(wěn)定性進一步降低，需要進行加固處理。