反演分析法在绰斯甲水电站坝前堆积体边坡支护设计中的应用

2013-10-23乔万霞

水电站设计 2013年4期

石新，乔万霞，刘侠

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

在边坡稳定性分析计算和工程设计中，岩土的粘聚力和内摩擦角的取值准确与否至关重要。目前确定岩土的抗剪强度参数方法有试验、工程类比和反演分析3种。岩土剪切试验分为现场和室内2种，受试样和试验条件的限制，岩土试验数据通常很离散，需要进行分析计算来确定。工程类比法在确定岩土的抗剪强度参数时具有很强的主观性，在确定类比指标时又受到类比边坡客观条件的限制。反演分析是确定岩土抗剪强度参数的一种有效的方法，根据边坡的宏观变形状况假设边坡的稳定性系数，再反算岩土抗剪强度参数。反算是滑坡稳定性计算的逆过程，得到的参数更符合滑坡的变形情况，参数可以作为试验数据选取的参考。

绰斯甲水电站坝址位于四川省阿坝州壤塘县蒲西乡下游1.8km，为绰斯甲河梯级开发的第三级电站，为引水式开发，开发任务为发电，电站最大利用落差约220.0m，装机容量390MW，电站正常蓄水位2 788.00m，正常蓄水位时水库库容116万m3，调节库容48万m3，为二等大(2)型工程。

绰斯甲水电站下坝址坝前右岸发育一坡洪积块碎石土堆积体，此堆积体的稳定对绰斯甲水电站的坝址选择起着决定性作用，所以对绰斯甲水电站坝前堆积体边坡的稳定及安全支护措施分析是非常有必要的。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

右岸坝线上游约170m发育一条冲沟，冲沟～坝线间为一槽状地形，槽状地形中发育松散覆盖层堆积体，下伏杂谷脑组砂板岩。覆盖层堆积体分为上下两层，下层为坡洪积，上覆崩坡积。在坡洪积前缘没有发现拉裂、剪出口或压密土，亦未见其他变形破坏迹象，现状整体稳定。

崩坡积分布于坡洪积平台之上，在坝线上游形成大面积的堆积体，形成坡度一般为26°～42°，地面地质调查表明，除下游坝前基岩与覆盖层交界处形成大于50°的基岩陡壁外，后缘、侧缘未见陡崖、拉裂缝和负地形，仅崩坡积表层局部有塌落变形迹象;崩坡积表面植被发育，生长树木，未见醉汉林、马刀树等形态。天然状态下整体稳定。

2.2 地层岩性

根据地表地质调查，堆积体主要由下部的坡洪积(dl+plQ4)和上部的崩坡积(col+dlQ4)组成。

坡洪积前缘陡壁主要由灰黄色～深灰色块碎砾石土组成，轻微胶结，结构较紧密，局部可见砂卵砾石或砂夹砾石夹层。

崩坡积分布于坡洪积平台之上，组成物质主要为块碎石土，物质成分较单一，多为近源变质砂岩，块径大小悬殊，多呈棱角状。该层厚度一般5～30m，地表可见块径0.5～3m的孤块石，骨架间充填灰黄色粉土，总体结构较松散，粒度不均，局部架空或形成浅表塌落。

坝前堆积体区出露基岩为三叠系上统杂谷脑组上段(T3z2)深灰色中厚～厚层变质砂岩夹板岩。

2.3 水文地质条件

坝前堆积区地下水类型可分为第四系松散堆积层孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。

孔隙潜水主要赋存于河床及第四系松散堆积层中，受大气降水及基岩裂隙水补给，堆积体钻孔地下水位一般与河水位相当，局部承压现象不明显。

基岩裂隙水的赋存与运移主要受岩体风化、卸荷以及构造作用的控制和影响，由于河谷深切，两岸谷坡较陡，地下水排泄条件好，其水位埋藏较深。基岩裂隙水受大气降水下渗补给，堆积区地下水位总体埋藏较深。

2.4 地质参数

根据覆盖层各层的物质组成、结构等，再结合已有工程经验进行工程类比分析后综合确定，坝址区覆盖层物理力学指标建议值见表1。

表1 绰斯甲水电站坝址区堆积体物理力学性建议值

2.5 地震

绰斯甲水电站坝址区50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为108 cm/s2，地震基本烈度为Ⅶ度。

3 边坡稳定性分析

3.1 反演参数分析的必要性

根据地质提供的堆积体的基本参数进行边坡稳定计算，计算结果显示在天然工况下边坡已经失稳，与实际边坡整体稳定相矛盾，为了推求出更吻合堆积体本身的实际参数，在稳定计算过程中先用反演分析法反演堆积体参数。

3.2 反演依据及使用程序

(DL/T 5337－2006)参照《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》中对边坡计算参数的规定，可根据边坡的临界稳定状态反算推求滑面的综合抗剪强度参数，一般来说，反分析中稳定系数取值建议:蠕动挤压阶段宜采用1.00～1.05，初滑阶段宜采用0.95～1.00。

从勘测资料和地面地质调查判断该堆积体未曾发生滑动，根据堆积体现状及地质评价结论，堆积体在正常和水位骤降工况下，堆积体边坡是稳定的。因此确定反分析中稳定系数达到规范规定的反演安全系数。

计算采用水科院陈祖煜编“土质边坡稳定计算程序STAB”，根据(DL/T5353－2006)《水电水利工程边坡设计规范》中规定:粘性土、混合同和均质堆积物宜按圆弧滑面计算，宜采用下限解法做稳定分析，推荐采用简化毕肖普法求解最危险滑面和相应的安全系数。

3.3 反演崩坡积参数

选取堆积体范围内的两个剖面进行计算，在顶部崩坡积内用stab程序搜索最危险滑裂面，反演分析时假定正常工况下边坡的稳定性系数为1.0，则对上述剖面反算得崩坡积凝聚力C=5～20kPa，φ=28°～34°。

3.4 反演坡洪积参数

根据地质描述及类比相似工程，确定合适的崩坡积参数，在顶部崩坡积和坡洪积内用stab程序搜索最危险滑裂面，反演分析时假定正常工况下边坡的稳定性系数为1.0，则对上述剖面反算得坡洪积凝聚力 C=10 ～40kPa，φ =28°～30°。

3.5 堆积体抗剪强度参数及合理性评价

综合上述反演计算结果，结合堆积体边坡上的树木有百年树龄的现状，判断堆积体已稳定存在了数百年之久，应经历了暴雨、地震等工况仍然稳定，其安全系数应超过了反演的值。根据反演结果，参考类似工程经验，取崩坡积的力学参数为:φ=34°，C=13kPa。

下部坡洪积总体结构较密实，轻微胶结，其抗剪强度力学参数要比崩坡积高，根据反演，参考类似工程经验，选坡洪积的力学参数为:φ=28°，C=30kPa。

3.6 边坡稳定分析计算

3.6.1 规范规定的安全系数

根据(DL/T5353－2006)《水电水利工程边坡设计规范》，由边坡所影响的建筑物的级别及边坡失事的危害程度综合确定边坡的级别，从而确定相应的边坡最小抗滑稳定安全系数。右岸堆积体靠首部很近，如果失稳下滑，将影响首部枢纽的正常安全和运行，考虑综合因素，右岸堆积体边坡为A类工程枢纽边坡，边坡等级为Ⅱ级，根据规范选用“(A类)2级工程枢纽边坡”的安全系数，确定右岸闸前堆积体运行期设计安全系数控制标准见表2。

表2 闸前右岸堆积体边坡设计安全系数控制标准

3.6.2 危险滑裂面

绰斯甲水电站最大坝高26m，坝前雍水高度约20m，由于水位雍高，堆积体下部被淹没，抗剪强度指标降低，为了保持堆积体原状，避免对堆积体过多的扰动，建筑物设计采取了避让的布置方式。

使用选定的参数计算坝前典型剖面在崩坡积和坡洪积交界附近正常工况下、地震工况下和水位骤降工况下的边坡稳定，计算分析的最危险滑弧如图1所示。对不同工况计算的安全系数见表3。

图1 堆积体典型剖面搜索最危险滑弧

表3 坝前右岸堆积体边坡搜索最危险滑裂面的安全系数

3.6.3 沿基覆界线滑裂面

考虑到基覆界线面上的粗糙程度的影响，界面的抗剪强度可能较土体内部抗剪强度有所降低，使用反演参数折减后(即崩坡积的力学参数:φ折减10%取为30°，c值考虑到崩坡积架空现象明显，细颗粒含量较少，取为3kPa;坡洪积的力学参数:φ=28°，c=30kPa)，计算坝前典型剖面沿基覆界线正常工况下、地震工况下和水位骤降工况下的边坡稳定，沿基覆界线滑弧如图2所示。对不同工况计算的安全系数如表4。

3.6.4 计算结果分析

图2 堆积体典型剖面沿基覆界线滑弧

表4 坝前右岸堆积体边坡沿基覆界线滑裂面的安全系数

根据计算结果，坝前典型剖面内搜索最危险滑裂面正常工况下的的安全系数小于规范要求;沿基覆界线滑动的大滑弧，典型剖面从平台附近滑出的滑裂面和从河床底部滑出的滑裂面的安全系数在正常工况下均不满足规范要求。因此必须对堆积体边坡采取相宜的工程处理措施。

3.7 边坡支护设计

3.7.1 边坡锚索支护

堆积体边坡支护加固措施与其它边坡基本相似。边坡加固工程的技术途径主要有:

(1)减少滑坡下滑力或消除下滑因素;

(2)增加滑坡阻滑力或增加阻滑因素。到目前为止，边坡支护加固工程措施可归纳为以下几种:大开挖清方减重、压坡脚加载反压、削坡+锚固(抗滑桩、锚索)、综合治理等措施。

综合考虑各种措施的适应性、施工可行性及经济性等因素，选择在库水消落范围内，采用混凝土护坡，贴坡上布置锚索方案。混凝土护坡长度约180m，厚度0.5～1.2m，基础建于河床下1.0m，顶部高程为2 790.00m，护坡坡度为1∶1;锚索的高程分别为2 780.00m、2 790.00m、2 800.00m、2 805.00m和2 810.00m，共五排锚索，吨位为75吨，锚索间距为5m，俯角15°，长度50m。堆积体处理典型剖面如图3。

3.7.2 边坡排水设计

崩坡积表面植被发育，生长树木，为防止雨水渗透造成滑坡体抗滑稳定性降低，便于地表积水迅速排走，在边坡后缘设置一道截水沟。

3.7.3 监测设计

为减少对上部堆积体的施工扰动，对堆积体上部边坡可以通过安全监测来预测、预报边坡失稳，从而采取有效措施对其失稳进行防范，特别是雨季要加强监测和巡视，确保安全。