五强溪电厂 1# 变形体稳定性计算及评价

刘阿妮 ，袁会林 ，郁珂平

（1. 五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2. 河海大学水利水电工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

变形体稳定性在工程中是十分普遍且重要的问题，一旦变形体发生失稳破坏，将会带来巨大的经济损失，甚至会造成大量人员的伤亡，因此研究变形体稳定性的计算及评价具有重要的工程意义。

目前，国内外学者对变形体的稳定性分析已有较多的研究。曹廷等[1]采用刚体极限平衡法中的 Morgenstern-Price（M-P）法研究了郑家坪变形体的变形机制与稳定性；王敏等[2]通过对 FLAC 3D（连续三维的快速拉格朗日分析） 二次开发，采用饱和－非饱和强度系数折减法研究了三峡库区西沱滑坡体的稳定性；肖华波等[3]采用二维极限平衡法和 FLAC 3D 三维数值模拟方法研究了楞古水电站岸坡的稳定性；徐开民等[4]采用离散元与极限平衡分析方法研究了库区水位变动下白沙碉变形体的稳定性；杨正刚等[5]采用极限平衡理论传递系数法研究了都江堰红梅村不稳定斜坡的稳定性。这些研究主要从变形体的局部或整体考虑变形体的稳定性，未同时考虑变形体的局部和整体稳定性。而在实际工程中，变形体既可能发生整体失稳，也可能发生局部失稳，因此同时考虑变形体的整体和局部稳定性具有重大意义。

五强溪电厂 1# 变形体位于电站枢纽区的近坝库区内，紧靠电站大坝，下方为电站上游引航道，三级船闸紧临变形体前缘，呈直线型，长轴方位约为 65°，与坝轴线交角为 88°。变形体处于大坝上游 3 号冲沟与 4 及 5 号冲沟交汇处之间的山脊地带，前缘深入水库正常蓄水位以下，后缘高程在 200.0 m 以上，变形体面积约为 0.31 km2，总体积约为 66 万 m3。电站施工期坡脚地带 95.0 和 115.0 m 高程一带各布置有施工道路，现高程约 150.0 m 一带分布民居，1# 变形体分布位置较为特殊且极为重要。

电站施工期间，1# 变形体边坡曾出现下部局部失稳、上部开裂变形现象。据长期的监测资料分析，电站建成 20 多 a 来，1# 变形体的变形仍在持续，尚未收敛。鉴于该边坡所处位置及其重要，需在电站已有勘察成果的基础上，对该变形体进一步开展针对性补充勘察和稳定性分析研究工作，并加强监测，必要时须采取适当的工程防治措施。

根据五强溪电厂 1# 变形体边坡具有的特点，采用刚体极限平衡法对 1# 变形体的整体和局部稳定性进行分析，综合评价变形体的稳定性。

1 稳定性分析

1.1 计算方法

五强溪电厂 1# 变形体边坡具有以下特点：1）边坡为散体结构；2）可能滑移面、地下水位等边界条件较清晰；3）边坡已经发生一定量的变形。综合考虑该边坡的特点，本次计算采用传递系数法计算边坡的整体稳定性，采用 Slide 模块，通过 Bishop法、Janbu 修正法、Spencer 法、M-P 法计算局部稳定性。各计算方法特点及适应条件如表1 所示。

表1 各计算方法特点及适应条件

1.2 计算模型

根据 GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查规范》[6]要求，边坡计算至少需要 3 个 或 3 个以上剖面作为安全控制，本次计算，选取 3 个典型剖面，分别是剖面 2-2′，3-3′，4-4′，具体计算剖面平面分布图如图1 所示，典型剖面 3-3′ 模型图（纵剖面图）如图2 所示。

图1 计算剖面平面分布图

1.3 计算工况及参数选择

按照 DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》[7]7-8中的规定，水利水电工程边坡类别和级别划分如表2 所示，根据五强溪电厂 1# 变形体边坡特点，1# 变形体边坡属于 A 类 I 级边坡。《水电水利工程边坡设计规范》规定，A 类 I 级边坡，持久工况下安全系数为 1.30～1.25，短暂工况下安全系数为 1.20～1.15，偶然工况下安全系数为 1.10～1.05。

变形区地震基本烈度为 VI 度，故不考虑地震工况，计算工况共分为 3 种，各计算工况及其荷载组合如下：

1）工况 1，对应持久工况，荷载组合为自重 + 正常蓄水位（108.0 m），考虑地下水作用；

2）工况 2，对应短暂工况，荷载组合为自重 + 暴雨 + 正常蓄水位（108.0 m），考虑地下水作用；

3）工况 3，对应偶然工况，荷载组合为自重 + 暴雨 + 库水位骤降至汛限水位 98.0 m，考虑地下水作用。

在计算中，潜在的滑移破坏面采用最危险滑弧搜索技术确定。基于极限平衡分析方法的最危险滑弧搜索技术，以一定半径在一定范围内设定虚拟滑动面，再计算所有虚拟滑动面的安全系数，并找出最小值对应的最危险滑面。

1# 变形体 3 种岩体稳定性计算物理力学参数建议值如表3 所示，其中地下水位以下部分采用饱和状态的容重和抗剪强度指标（土的黏聚力 c，内摩擦角 φ），地下水位以上部分采用天然状态的容重和 c，φ 值。

图2 典型剖面 3-3′ 计算模型（工程地质纵剖面图）

表2 水利水电工程边坡类别和级别划分表

表3 稳定性分析参数建议表

2 稳定性评价

2.1 整体稳定性

采用传递系数法对倾倒松动带 + 断层 F115（界面 1）、松动区底界面（界面 2）和变形区底界面（界面 3）的稳定性进行分析计算，图3～5 为典型剖面 3-3′ 的传递系数法稳定性分析计算示意图，分析成果如表4 所示。

图3 剖面 3-3′（界面 1）稳定性分析示意图

图4 剖面 3-3′（界面 2）稳定性分析示意图

表4 五强溪 1# 变形体稳定性分析成果（传递系数法）

从表4 可以看出：

1）工况 1 下，剖面 2-2′ 在假定界面 1 的情况下，稳定系数为 1.354，处于稳定状态；3-3′，4-4′在假定界面 1 的情况下，稳定系数分别为 1.101，1.236，处于不稳定状态，不满足规范规定的安全系数要求；剖面 2-2′，3-3′，4-4′ 在假定界面 2 的情况下，稳定系数分别为 1.564，1.416，1.339，处于稳定状态；剖面 2-2′，3-3′，4-4′ 在假定界面 3 的情况下，稳定系数分别为 1.161，1.148，1.191，处于不稳定状态，不满足规范规定的安全系数要求。

2）工况 2 下，剖面 2-2′，4-4′ 在假定界面 1 和 2 的情况下，稳定系数均大于 1.20，处于稳定状态；在假定界面 3 的情况下，稳定系数分别为 1.095，1.120，处于不稳定状态，不满足规范规定的安全系数要求。剖面 3-3′ 在假定界面 1，2，3 的情况下，稳定系数分别为 1.027，1.145，1.092，处于不稳定状态，不满足规范规定的安全系数要求。

3）工况 3 下，除剖面 3-3′ 在假定界面 1 的情况 以外，其余界面安全系数都在 1.05 以上，其中剖面 2-2′ 在假定界面 1 和 2，3-3′ 在假定界面 2，以及 4-4′ 在所有假定界面，稳定系数都大于 1.10，基本稳定，满足规范要求。

综上分析，处于山脊部位的 3-3′ 剖面稳定性相对较差，这与变形体目前的实际变形情况相吻合。且计算结果反映，各剖面在假定界面 3 的情况下，稳定系数均偏低，有待进一步分析论证。

2.2 局部稳定性

考虑到本工程的重要性，采用规范规定的各工况上限值对典型剖面 3-3′ 进行校核。校核采用刚体极限平衡方法对典型剖面 3-3′ 进行计算，局部滑弧采用搜索安全系数最小的滑面。采用 Slide 模块进行计算，并将稳定性计算结果与 DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》[7]7-8要求进行对比统计，统计结果如表5 所示。

表5 3-3′ 剖面不同工况 1# 变形体安全系数计算结果统计表

由表5 可知：

1）变形体在 3 种工况下，安全系数平均值依次为 1.213，1.195，1.032，均不满足规范上限要求。

2）库水位从正常蓄水位骤降到汛限水位，变形体的安全系数显著降低，局部的安全系数平均值为1.032，不满足规范要求（偶然工况 Fs≥ 1.10）。

综上所述，除“2-2′ + 界面 3 + 工况 1”“3-3′ +界面 1 + 工况 1”“3-3′ + 界面 1 + 工况 2”“3-3′ +界面 2 + 工况 2”“3-3′ + 界面 3 + 工况 3”“2-2′ + 界面 3 + 工况 2”“3-3′ + 界面 1 + 工况 3”“4-4′ + 界面 1 + 工况 1”“4-4′ + 界面 3 + 工况 1”组合外，其它各工况下 1# 变形体边坡整体基本是稳定的，但因为边坡岩体属于互间层状、层状碎裂和散体结构等组合类型，岩体强度不均一，有的甚至很低，结构面复杂，表部又多处蠕变松动，因而从岩体结构上看边坡稳定性条件是较差的，尤以 3-3′ 计算剖面显示安全稳定性更差。另外，稳定性计算结果显示局部搜索最危险滑面的安全系数均不满足规范要求，说明变形区稍有破坏稳定平衡的事件发生，局部的失稳是极其可能的。

3 结语

基于五强溪电厂 1# 变形体的工程地质特征及变形现象，采用刚体极限平衡法对变形体的整体和局部稳定性进行分析，可为今后的类似工程提供理论参考。

对于五强溪电厂 1# 变形体的整体稳定性，处于山脊部位的 3-3′ 剖面稳定性相对较差，与实际情况相一致，且各个剖面在假定界面 3 的情况下，安全系数均偏低。对于变形体的局部稳定性，典型剖面3-3′ 在 3 种工况下，变形体的安全系数平均值均不满足规范要求，局部稳定显然不满足要求，故变形体边坡整体基本稳定，但仍存在失稳可能。变形体的局部稳定性较差，有可能发生局部失稳。因此实际工程中的变形体既可能发生整体失稳，也可能发生局部失稳，所以应根据工程实际情况在必要时同时对变形体的整体和局部稳定性进行分析。

考虑到变形体是一个复杂的三维结构，采用二维刚体极限平衡法对变形体的稳定性进行分析必定存在局限性，若要获得更加精准的计算结果，在后续的研究中可以采用三维分析方法对变形体稳定性进行分析。