动态水位诱导下临库边坡稳定性分析

杨金林，符新阁，王玉川，王勇鑫

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

水利水电工程建成蓄水后，库岸边坡受水浸泡、侵蚀，出现变形破坏，可能引发不同规模的滑坡、塌岸等地质灾害，库水变化是诱发库岸边坡失稳的主要因素之一[1-3]。据文献统计[4-5]，40%～49%的失稳岸坡发生在水位上升期间，30%发生在水位消落期。其中，库区较大的滑坡或岸坡破坏多数发生在库区最高水位消落期。因此，研究库水变化条件下的库岸稳定对保障水库安全运行具有重要的意义。

1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽项目[6]位于几内亚孔库雷河上，是西非目前在建的最大水利工程。该电站总库容63.17亿m3，装机容量450 MW，最大坝高120 m，工程规模为Ⅰ等大(1)型。大坝正常蓄水位210 m，死水位185 m，为碾压混凝土重力坝。前期地质勘察资料显示，右岸坝轴线上游50 m处存在一处松散堆积体(潜在不稳定边坡体)。工程开挖过程中，该处受断层F1影响，断层两侧岩体差异风化明显。受岩石边坡与土石边坡的坡比过渡区的影响，过渡区一定范围内的土质边坡较陡。为确保开挖边坡在施工期和运行期的稳定与安全，以大坝右岸坝肩岩石与土坡过渡区域的土坡为研究对象，分析该处边坡在动态水位诱导下的稳定性演化规律。本文拟采用定性和定量相结合的方法，对该边坡进行稳定性分析，为工程设计和边坡防护提供理论依据。

2 边坡基本特征

2.1 分布特征

大坝上游50 m开挖形成的潜在不稳定边坡前缘高程约190～210 m，后缘最高高程约258 m，原始地形坡度约23°，开挖后形成综合坡比为1∶0.8(约51.3°)的陡坡，沿高程线200 m附近延伸长度约280 m，面积约2.1×104m2，体积约8.4×105m3。根据钻孔资料，地下水位位于边坡下部基岩层中，且地下水位随季节变化，雨季水位抬高，旱季水位下降。右岸坝前潜在不稳定边坡见图1。图中，1—1′为计算剖面。

图1 右岸坝前潜在不稳定边坡

2.2 地层岩性

根据钻孔及开挖资料，该处边坡岩性自上而下依次为粘土质砾或含砾粘土、粘土、含碎石粘土、强风化基岩。

(1)粘土质砾或含砾粘土层。棕红色，稍湿，稍密～密实，透水性中等。砾为铁质结核，砾径一般为0.2～1.5 cm，含量一般为20%～70%，土以粘土或粉质粘土为主。该层中含有较多的孤石，孤石岩性主要为辉绿岩，粒径一般为0.5～1.0 m。该层位于铁帽层下部，钻孔揭露最大层厚24 m，最小层厚2.2 m，平均层厚9.15 m。

(2)粉质粘土或粘土层。土质均匀，透水性较小，为辉绿岩全风化残积土，颜色较杂，一般厚度为2.1～16.5 m。

(3)含碎石粘土层。碎石主要为全风化砂岩和风化残块，透水性较好，多出现在砂岩区，钻孔揭露最大厚度为22.4 m，最小厚度为2.0 m，平均厚度为9.45 m。

(4)基岩。碎石层下部为强风化泥质粉砂岩，呈极薄层状～薄层状，泥质粉砂岩物理力学性质较差，遇水软化。

3 边坡稳定性定性分析

3.1 定性分析

3.1.1形成机制分析

根据区域地质资料并结合勘察资料，该边坡在形成过程中经历2次大的事件，形成现在的地貌格局：

(1)早期。受区域构造活动，辉绿岩岩体发育NE向裂隙，地形地貌经后期改造(主要是河流改造)后，一方面，延伸较长的优势裂隙经风化卸荷作用形成宽大裂隙，宽大裂隙沿裂隙走向发生深部卸荷风化；另一方面，断层F1两侧发生差异卸荷风化作用，临河侧形成深厚边坡体。

(2)在其后的漫长的历史时期，F1断层上游侧岩体沿节理裂隙发生深部风化蚀变，岩体卸荷和崩塌作用持续发展，导致上部岩块孤立脱离母岩；再受物理风化的持续作用，形成残积土和孤石。

3.1.2稳定性分析

根据地质测绘成果，边坡周围未发现裂缝，边坡处于基本稳定状态。边坡开挖后，形成综合坡比为1∶0.8的陡坡，正常蓄水位210 m时，坡脚约10 m淹没在水中。在水位210～185 m周而复始上下波动的诱导下，前缘坡脚粉质粘土、粘土或泥质粉砂岩遇水后强度参数变低，可能产生变形破坏，在库水冲刷下可能产生局部坍塌，坍塌物质被库水携带走，小规模坍塌持续发生并慢慢扩展，并牵引后部岩土体的蠕动变形，边坡后缘可能会出现张裂缝，产生弧形滑动。初步分析，边坡可能局部滑塌，但整体滑动的可能性不大。

3.2 定量分析

3.2.1计算方法及模型

采用Rocscience-Slide软件模拟分析，计算理论采用Bishop simplified法、Janbu simplified法，这种方法将滑动土体划分为多条块模式，然后基于M-C破坏准则进行边坡稳定分析。根据开挖情况勘测，断层上游20 m且平行断层剖面潜在危险性较大(主滑动方向)，即图1中1—1′剖面作为计算剖面。地质剖面见图2。计算模型见图3。

图2 堆积体工程地质剖面

图3 Slide计算模型

3.2.2计算参数

前期地质勘察过程中，在工程区取土样进行了现场和室内物理力学试验。根据试验物理力学指标，结合现场施工开挖情况，综合提出该处边坡组成物质的岩土体物理力学参数建议值指标，见表1。

3.2.3稳定安全系数标准

水利水电工程边坡的最小安全系数应综合考虑边坡的级别、运用条件、治理和加固费用等因素，在SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》规定的范围内选定。采用极限平衡方法计算的边坡抗滑稳定最小安全系数应满足表2的规定。

表1 岩土体物理力学参数

表2 抗滑稳定安全系数标准

注：非常运用条件Ⅱ为正常运用条件下遭遇地震。

结合苏阿皮蒂水利枢纽项目运营方式，为全面分析研究边坡在动态水位诱导下库岸边坡稳定性演化规律，设置了2种工况：①工况A，动态水位(死水位-正常蓄水位-死水位)；②工况B，动态水位(死水位-正常蓄水位-死水位)+地震作用(0.1g)。对于失稳风险度大的边坡或稳定分析中不确定因素较多的边坡，设计安全系数宜取上限值，反之取下限值。边坡设计安全系数标准见表3。

表3 边坡安全系数控制标准

3.3.3稳定性分析

(1)工况A岸坡稳定性分析。图4为水库水位从185 m升至210 m再下降至185 m过程中边坡安全系数随水位升降的变化规律过程(升降速率0.5 m/d)。以Bishop simplified法为例，当蓄水至185 m时，安全系数为1.93；升至210 m时，安全系数为1.39，降低28%。库水位运行100 d内，边坡安全系数维持在1.39，表明此时岸坡处于稳定状态。水位由210 m降至185 m，安全系数由1.39升至1.63，增大17%，表明边坡安全系数随着库水位下降安全系数逐渐增大。图5为安全系数随库水位变化规律。从图5可知，边坡安全系数最小值为1.39，对应着正常蓄水位为210 m。正常运用条件下，库水从正常蓄水位降至死水位，允许安全系数为1.15，满足规范要求。边坡在动态水位诱导下，整体呈现出随库水位升高安全系数较小、随库水位回落呈增大的规律，且边坡安全系数下降的速率略高于上升的速率。边坡安全系数变化规律与变动带内库岸边坡安全系数随水位上升增大、随水位下降降低的规律[7-9]不一致。究其原因，一是，边坡仅坡脚部位位于水位变动带内，水对其影响不大；二是，库水变动坡脚处水位提供的抗滑力(水压力)小于坡脚物质减小的抗滑力。

图4 安全系数随库水位变化规律

图5 边坡稳定安全系数分布

(2)工况B岸坡稳定性分析。图6为基于地震工况下库水位从185 m升至210 m再下降至185 m过程中，岸坡的安全系数随库水位升降的演化规律变化过程。从图6可知，地震工况下动态水位诱导下岸坡安全系数呈现的规律性与工况A基本一致，随着库水位的升高而减小，随着库水位的回落而增大，且边坡安全系数下降的速率略高于上升的速率。在库水位升降的过程中，边坡安全系数减小30%，下降过程增大19%，高于工况A，表明边坡在扰动强度高的情况下，安全系数变化大。图7为边坡稳定安全系数分布。从图7可知，正常蓄水位210 m时，边坡安全系数为1.15，基本满足非常运用条件Ⅱ允许安全系数1.10，边坡基本上处于极限平衡状态。

图6 安全系数随库水位变化

4 结论与建议

4.1 结论

图7 边坡稳定安全系数分布

本文采用定性和定量相结合的方法对苏阿皮蒂水利枢纽项目右岸边坡的稳定性进行了分析，利用极限平衡分析法，结合该项目运营方式，模拟了动态水位诱导下边坡稳定性变化规律，分析结果如下：

(1)根据边坡的形成机制，边坡坡脚部位在动态水位诱导下可能存在局部滑塌现象，但整体滑动的可能性较小。

(2)动态水位诱导下，边坡安全系数整体上与库水位升降呈反线性关系。库水位上升时，安全系数减小；库水位下降时，安全系数增大。水位升降速率对边坡安全系数影响较小。

(3)正常蓄水位运行时，边坡安全系数最低。基于地震工况条件下，边坡安全系数接近规范允许安全系数，基本上处于临界状态。

4.2 建议

(1)现状下边坡整体上是稳定的，但上部粘土质砾层中含有较多粒径较大的孤石，在施工开挖过程中应避免该层孤石出露，以免在雨水冲刷作用下孤石滚落或坠落。

(2)坡脚处物质主要为含碎石粘土和强风化泥质粉砂岩，特别是泥质粉砂岩遇水软化，在库水反复冲刷掏蚀的作用下，坡脚物质被河水带走，易造成上部物质蠕动变形，出现小规模的滑塌，应加强边坡防冲刷工作。