Geo-studio软件在大型水库边坡稳定性评价中的应用

2015-12-22李敏,娄绍撑

浙江水利水电学院学报 2015年2期

李敏，娄绍撑

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)

摘要：采用SLOPE/W程序对某工程水库边坡稳定性进行了分析计算，建立计算模型，采用M-P方法计算水库边坡在各种工况下的整体深层稳定的安全系数，并对地下水位对边坡稳定敏感性分析，进一步验证了该边坡整体深层稳定性，通过反演方法计算该边坡库岸段的稳定性并给出了加固措施，初步分析表明边坡若失稳后涌浪对大坝的安全影响较小.

关键词：水库边坡；摩根斯顿—普莱斯方法(Morgenstern-Price)；SLOPE/W模块

中图分类号：TV697.2文献标志码：A

收稿日期：2014-02-03

作者简介：李敏(1982-)，男，安徽安庆人，工程师，从事水利水电工程设计工作.

Application of Geo-studio in Slope Stability Estimation for Large Reservoirs

LI Min, LOU Shao-cheng

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hanghzou 310002, China)

Abstract:Combined with a real project, the stability of the reservoir slope is analyzed by SLOPE/W program and the calculation model is founded. The safety factor of deep layer stability is calculated under different conditions with M-P method in the paper, and the deep stability is further verified by the sensitivity analysis on groundwater level. Inversion methods is used to the calculation of bank slope and reinforcement measures is proposed, the primary analysis shows that the surge of the slope has little influence on dam security.

Key words:reservoir slope; Morgenstern-Price; SLOPE/W Module

0引言

西南地区是我国水力资源最丰富地区之一，但西南地区沿河两岸山高坡陡，河谷深切，地形平缓区域存在较多的古滑坡或崩塌堆积体，工程地质条件复杂，因而库岸边坡稳定性成为该地区兴建水电工程成败的关键问题之一，与一般边坡稳定问题相比,其特殊性在于它的稳定性与库水位变幅、蓄水深度有较强的关联性，并且需要考虑滑坡塌岸造成的涌浪对大坝的影响.因此，对库岸边坡的稳定性评价具有较大的难度和复杂性.

1库岸边坡工程地质条件

石塔水电站工程位于贵州省六盘水市西南部的北盘江上游支流上，为Ⅲ等工程，为双曲抛物线拱坝，最大坝高94.0 m，正常蓄水位1 370.00 m，水库总库容约2 510万m3.

距离坝址上游1.2 km处有一大型崩塌堆积体，堆积体分布高程1 300～1 800 m，在平面上呈不规则的椭圆形，其长轴方向为NE-SW向，纵向(NE-SW向)长约2 500 m，中上部最宽处约1 130 m.堆积体后缘地形较陡峻，坡度40°～60°，中部地形较平缓，坡度10°～15°，其中发育多级陡坎，局部陡坎处坡度大于35°，前缘地形较陡峻，坡度35°～45°，总体形态上呈上陡中缓下陡的折线状.北东侧高程1 810 m以上的陡崖为堆积体后缘，南东侧边缘为陡崖，陡崖下即为库区支流底拉河，北西侧边缘为陡崖，前缘止于可渡河河床高程1 300～1 320 m，分布面积为2.5 km2.表部覆盖层厚度11～102 m，高程1 600 m以下厚度大多在40～80 m，按其分布范围，估算总方量约1亿m3.因此该堆积体是成库条件的重大工程地质问题.

2水库边坡稳定分析

根据《水电水利工程边坡设计规范》相关规定，该边坡工程安全等级为B类Ⅱ级边坡，持久状况设计安全系数为1.15～1.05，短暂状况设计安全系数为1.10～1.05.

2.1边坡稳定分析方法

本文采用摩根斯顿—普莱斯[1](Morgenstern-Price)对边坡进行稳定分析，该方法是所有极限平衡方法中理论最严密的，全面考虑了力与力矩的平衡，且该方法适用于任意形状的滑动面，也是边坡设计规范[2]推荐的方法之一.

GeoStudio是一套功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，它包括八种专业分析模块，其中SLOPE/W模块用于边坡稳定性分析，该模块应用极限平衡方法，能对复杂的土层和滑动面形状及多种孔隙水压力状况建立2D计算模型,对边坡进行稳定性分析.SLFDOPE/W模块[3]可以考虑地下水、土体裂缝、坡顶堆载等影响边坡稳定性的因素，SLOPE/W模块囊括现行绝大部分的极限平衡方法，而且同一计算模型可采用各类极限平衡方法进行计算和对比，既可采用总应力法也可采用采用有效应力法.本文采用了有效应力方法.

2.2分析思路

(1)堆积体整体深层稳定正分析.根据相关地质参数，对各个典型剖面四种工况的整体深层安全系数进行计算，判定堆积体整体稳定性.

(2)整体深层稳定敏感性及可靠度分析.对相对不利的典型剖面(I-I′剖面)整体深层稳定进行敏感性分析；对影响整体深层稳定的地下水位线进行可靠度分析，进一步复核边坡最不利剖面稳定性.

(3)堆积体岸坡段的稳定性反演分析.根据堆积体岸坡段最不利剖面在建库前短暂工况下安全系数为1.05反算边坡岸坡段的综合强度指标[4]c′、φ′，然后根据反算而得的综合强度参数c′、φ′，计算堆积体岸坡段其余工况的安全系数及其余剖面各工况安全系数.

2.3边坡稳定分析工况

工况1：建库前持久工况，该工况的地下水位线根据地质钻孔长时间观测资料确定的地下水位线确定；

工况2：建库前短暂工况，该工况的地下水位线取建库前持续性降雨时的地下水位线；

工况3：蓄水后持久工况，由于蓄水对边坡稳定有利，因而以蓄水至1 363.00 m(发电死水位)的地下水位作为该工况的地下水位线；

工况4：蓄水后短暂工况，该工况取库水位由1 370.00 m(正常蓄水位，坡内地下水位线取持续性降雨时的情况)的状态骤降至1 363.00 m(发电死水位)的状态.

2.4整体深层稳定正分析

整体深层稳定计算中的地质参数采用表1中所列数值，地下水位线根据地质勘探资料确定，对各典型剖面建库前后的工况稳定性进行计算，成果(见表2).

表1　整体深层稳定计算采用物理力学参数表

表2　堆积体典型剖面安全系数一览表

从上表数据可知，建库前边坡整体深层安全系数在1.20～1.49，可见该边坡在建库前整体稳定性较高.

蓄水后持久工况安全系数为1.15～1.48，蓄水后短暂工况安全系数为1.10～1.39，可见蓄水对边坡持久、短暂工况的稳定性影响较小，蓄水后边坡安全系数满足规范要求.

2.5整体深层稳定敏感性分析

(1)地质参数敏感性分析

地质参数取值对边坡稳定分析有很大的影响，而且地质参数具有一定的不确定性，因而有必要对边坡稳定性进行敏感性分析，本文对深层稳定系数相对较小的Ⅰ-Ⅰ′剖面建库蓄水后的两种工况进行敏感性分析(见图1，图2).图中：■—表示滑面的有效抗剪强度指标c′；□—表示滑面的有效抗剪强度指标φ′；▲—表示层状灰岩的有效抗剪强度指标c′；△—表示层状灰岩的有效抗剪强度指标φ′；◆—蓄水后持久工况地下水位线变幅，上下变幅各5 m；

图2　Ⅰ-Ⅰ′蓄水后短暂工况敏感性分析图

从图2可知，层状灰岩的有效抗剪强度指标对Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系数影响很小；滑面c′指标对Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系数影响也很小，但滑面φ′指标对Ⅰ-Ⅰ′剖面蓄水后的安全系数影响较大，随着φ′的增大，Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系数也增大；蓄水后持久工况地下水位线对Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系数影响不大，随着地下水位线上升Ⅰ-Ⅰ′剖面的安全系数略有下降.

蓄水后持久工况下，当滑面φ′指标降低20%，蓄水后短暂工况下，当滑面φ′指标降低10%，Ⅰ-Ⅰ′剖面仍然能到规范规定的边坡安全系数下限值1.05；而实际上滑面饱和状态下的φ′在12.4°～14.6°之间，可见Ⅰ-Ⅰ′剖面安全系数具有一定的裕度，此外Ⅰ-Ⅰ′剖面是所有剖面中相对不利的，因而可进一步说明蓄水对该边坡整体深层稳定影响较小.

(2)地下水位线可靠度分析

可靠度分析采用Mont Carlo(蒙特卡洛法)，对Ⅰ-Ⅰ′剖面建库蓄水后的地下水位线高程上下浮动5 m范围内进行5 000次的试算，安全系数分布(见图3，图4).

图3　蓄水后持久工况安全系数概率分布图

图4　蓄水后短暂工况安全系数概率分布图

由计算成果可以看出，Ⅰ-Ⅰ′剖面持久工况下95%的概率安全系数为1.13；短暂工况下95%的概率安全系数为1.09，安全系数靠近规范要求的设计安全系数上限.可见蓄水后地下水位变幅对Ⅰ-Ⅰ′剖面稳定性影响比较小，这也同样可以说明蓄水后边坡的整体深层稳定安全系数具有一定的裕度.

2.6边坡库岸段稳定反演分析

1-1′剖面岸坡段主要由块石及碎石土组成，取现状边坡建库前短暂工况的安全系数为1.05，根据地质提供的土层材料参数范围和反演分析，可知块石及碎石土的有效抗剪强度参数c′=16 kPa，φ′=28.8°，3-3′剖面、2-2′剖面、5-5′剖面中根据初步计算3-3′剖面最为不利，因而取Ⅲ-Ⅲ′剖面岸坡段建库前短暂工况下安全系数为1.05，反算Ⅲ-Ⅲ′剖面岸坡段的综合强度指标c′=30 kPa，φ′=28.4°，各典型剖面库岸段根据反算地质参数计算边坡稳定系数(见表3).

表3　典型剖面边坡岸坡段稳定安全系数汇总表

从表3可知，建库蓄水后对该边坡库岸稳定有一定的影响，蓄水可能造成部分岸坡发生浅层滑动或塌方.

3边坡加固方案

考虑该边坡规模巨大，地质条件及成因复杂，在靠近B区Ⅰ段1 372 m高程附近设置纵横的排水平洞，排水平洞不仅可以降低地下水位，可提高堆积体整体深层稳定的安全系数裕度，而且利用平洞布置内部变形监测仪器.

提高边坡安全系数的措施不主要有：边坡头部减载，坡脚锚固及堆载，坡面排水系统，深部排水系统，或多项措施联合处理.水库蓄水后，靠近库岸边坡1 370 m高程以下区域长期处于水下，排水平洞对提高库岸边坡稳定性的作用有限；该边坡地处喀斯特地区，而且边坡范围较大，坡面排水系统作用不大；根据分析计算表明坡脚锚固措施发挥的作用有限，而且施工难度大，造价高，也不宜采用；由于岸坡附近有居民和耕地，实施削坡减载方案政策处理难度较大.因而根据本工程的实际情况，库岸加固采用坡脚堆载加固(见图5).

图5　库岸加固后稳定分析图

坡脚堆载采用护坡形式，堆载料来源于主体工程的弃渣、河床疏浚的卵石及料场开采的石料，护坡坡顶高程为1 370.00 m，坡顶宽度约25 m，坡度为1∶2，采用该加固措施后，库岸边坡蓄水后持久工况安全系数由原来的0.98提升至1.10，蓄水后短暂工况安全系数由0.93提升至1.06；此外该河段泥沙含量较高，水库蓄水后，泥沙淤积于库前死水位以下高程区域，这样相当于继续给库岸进行坡脚堆载，从而可进一步提高库岸边坡的稳定性.

4涌浪计算

水库蓄水后，堆积体整体稳定，B区Ⅰ段库岸采用堆载加固措施，稳定安全系数也满足规范要求，但是边坡地质条件复杂性，库岸边坡局部存在滑塌的可能，此外该堆积体距离坝址较近，因而考虑库岸局部失稳后滑入水库产生的涌浪对大坝的影响也是必要的，工程上的滑坡涌浪计算采用“潘家铮方法”经验公式[5-8].

影响水库滑坡涌浪计算的因素十分复杂，滑坡涌浪计算的边界条件及初始条件也难以准确取值，本文涌浪计算边界条件和初始条件参考类似工程涌浪计算的条件和对堆积体地质条件分析的基础上确定的，滑坡范围考虑L=300 m，平均厚度λ取26 m，河床宽度取B=220 m，滑坡中心至大坝距离x取1 800 m，滑坡下滑历时T取10 s，库水坡脚深度h取50 m，本堆积库岸滑坡的综合坡脚约27°，根据类似工程经验可以作为垂直变形类型滑坡来计算涌浪.

滑坡产生涌浪与滑坡下滑速度有关，速度越快，产生的涌浪就越高，对下游大坝影响就越大，但是滑坡下滑速度难以估算，按照10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s分别计算库岸滑坡对大坝涌浪影响，各滑坡速度对应的涌浪高度(见表4).