大渡河下游某水电站坝址左岸边坡稳定性分析

林金洪，张俊林，王磊，巩贵彦，赖亚光，张津铭,3

(1.华东勘测设计院(福建)有限公司，福州，350003；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都，610059；3.青岛市即墨区自然资源局，山东青岛，266200)

引言

随着大规模基建工程的建设，边坡稳定问题不断突出，造成巨大的人员伤亡及财产损失，成为亟需解决的问题[1-3]。大渡河下游某水电站坝址左岸边坡坡度较陡，物质组成较为复杂，铁路路基与大坝之间发育F10断层。在水电站施工建设和后期蓄水期间，均会对左岸边坡原始的地质平衡产生较大的扰动，改变边坡的几何边界、渗流场和应力场等，左岸边坡必然会对这一系列的扰动产生响应，产生变形和改变稳定性等。目前各种边坡稳定性评价方法得到广泛应用[4]，数值仿真软件主要为GeoStudio、ANSYS、ABAQUS以及FLAC3D[5-7]等，用于边坡稳定性分析的方法主要为极限平衡条分法和有限元法。虽然有限元极限平衡法近年来已经能成功应用于边坡稳定性分析[8-10]，但极限平衡法已经被广泛的应用，并且能准确快速求解出最小安全系数，确定最危险滑动面。

1 坝址区左岸边坡地质简介

1.1 左岸边坡概况

研究边坡位于坝址左岸(图1)，边坡中下部建有成昆铁路，在铁路地面以下的自然坡度为35°～45°。高程598m以下为由人工堆积物和冲洪积物组成的土质边坡，位于上部的人工堆积层厚度约4m～5m；下部为冲洪积层漂卵石层，呈中密～密实状，在坝肩附近的厚度为2.3m～5.0m，在坝轴线至坝前厚度为19m～25m；下伏基岩为白云岩和蚀变辉绿岩，浅表层岩体强风化，厚2m～3m。区域断层F10发育在铁路路基与大坝之间，断层组成物以全风化～强风化碎裂岩、碎粉岩为主，夹少量角砾岩及黄色断层泥。受F10断层的影响，左岸边坡岩体处于较破碎～破碎，自然边坡总体性状较差。

图1 坝址左岸边坡位置

1.2 计算模型、计算工况及岩土体参数选取

1.2.1 计算模型

根据图2所示的工程地质模型，可概化出11个岩土体单元：1-覆盖层、2-强风化白云岩、3-弱风化及以下白云岩、4-断层影响带、5-断层带(岩)、6-断层带(土)、7-强风化辉绿岩、8-弱风化及以下辉绿岩、9-强风化蚀变辉绿岩、10-弱风化及以下蚀变辉绿岩和11-人工构筑物，共概化出11个岩土体单元。

图2 坝轴线Ⅰ-Ⅰ′剖面工程地质模型

1.2.2 计算工况

在水电站的建设过程中，主要经历3个施工阶段：一期导流阶段、二期导流阶段和正常蓄水阶段。一期导流阶段施工时，将右岸围堰合拢，导致河流过流宽度减少，将壅高左岸过流水位。二期导流段施工时，将左岸围堰合拢并开挖基坑，水位逐步降低至532m，施工工序为左岸边坡自上而下分五级开挖：一级开挖至571.5m高程；二级开挖至557m高程；三级开挖至551m高程；四级开挖至541.5m高程；五级开挖至532m高程。正常蓄水阶段将大幅提高坝轴线上游范围的河水位至577m高程。在这3个施工阶段，由于河水位的动态调整，将引起边坡体内渗流场的动态变化，影响边坡的稳定性。概化后的计算工况见表1。

表1 坝轴线Ⅰ-Ⅰ′剖面计算工况 单位：m

1.2.3 强度参数选取

边坡的渗流及稳定性分析计算中，岩土物理力学参数选择合理与否至关重要。左岸边坡各岩土体的物理力学参数，通过3个步骤确定：

(1)基于物理力学试验数据，结合规范和手册等初步确定大部分岩土体单元的物理力学参数；

(2)其中部分岩土体单元缺乏有效的物理力学参数试验成果，针对这部分岩土体单元开展工程地质类比法研究，通过参考《工程地质手册》(第五版)、《水力发电工程地质手册》、以及相关的规范[11-13]及学术论文等，初步确定物理力学参数；

(3)在上述两步的基础上，结合现场的工程地质调查和工程地质综合判断，开展物理力学参数反演分析，进一步优化调整各岩土体单元的物理力学参数。

最终确定的各岩土体物理力学参数见表2。

表2 各岩土体单元物理力学参数

2 渗流场计算结果分析

根据坝轴线Ⅰ-Ⅰ′剖面工程地质模型，在GeoStudio中建立渗流计算模型，见图3。

图3 坝轴线左岸渗流计算模型

根据表1所示的计算工况，分析水电站在建设过程中地下水渗流场的变化，对初始状态、一期导流、二期导流一级开挖、二期导流二级开挖、二期导流三级开挖、二期导流四级开挖、二期导流五级开挖以及正常蓄水等8个状态的渗流场分别进行计算，以孔隙水压力作为表征地下水渗流场的特征。计算结果见图4和图5。

图4 开挖前坝轴线左岸边坡渗流计算结果

图5 开挖后坝轴线左岸边坡渗流计算结果

由图4(a)可知，在初始状态的地下水渗流场中，浸润线与前期勘察的推测水位线几乎吻合；在断层带中，渗流线有明显的跌落现象，断层带内外两侧存在一定的水头差，实际勘察中也发现了渗流水具有一定的承压现象。上述两个现象验证计算模型与计算参数的准确性。在一期导流阶段(图4(b))，随着左岸边坡前缘河水位的上涨，边坡体内部的浸润线也随之提高，对水平方向的影响深度在50m左右。

在二期导流阶段(图5(a)～(e))，随着逐步降水并开挖基坑，边坡体内部的浸润线逐步降低，断层内外两侧的水位差增加，当水位降低至基坑底部532.0m时，断层前后的水位差达到15m左右，断层带后侧承压水水头达到15m。正常蓄水之后(图5(f))，随着蓄水位逐步增加至正常蓄水位，边坡体内的浸润线也逐渐抬升，超越初始状态的浸润线，对水平方向的影响深度约150m。

3 稳定性计算结果分析

按照施工工序，在渗流场分析结果的基础上，开展动态稳定性计算，计算坝轴线Ⅰ-Ⅰ′剖面左岸边坡整体稳定性。左岸边坡整体稳定性计算结果见表3，绘制成左岸边坡整体稳定性趋势见图6。

图6 坝轴线左岸边坡整体稳定性系数

表3 坝轴线左岸边坡整体稳定性系数

坝轴线Ⅰ-Ⅰ′剖面在整个施工过程中，各工况下的稳定性系数变化规律基本一致，且随着施工步骤呈先增加后降低的趋势。在一期导流和一级开挖阶段，各工况下的稳定性系数有一定程度的增加；在二级开挖至五级开挖过程中，稳定性系数均逐步降低；在正常蓄水阶段，自然工况和暴雨工况下的稳定性系数有一定程度提高，但是地震工况下的稳定性系数有所下降。

在整个施工过程中，左岸边坡最小的稳定性系数出现在五级开挖阶段的暴雨工况，稳定性系数为2.535。因此，根据表3所示的稳定性系数判定，在整个施工过程中，左岸边坡整体稳定。

4 结论

对大渡河下游某水电站坝址左岸边坡进行边坡稳定性分析，主要有以下结论：

(1)在各施工阶段，边坡体内部的浸润线随河水位变化而变化，在二期导流阶段由于降水开挖，浸润线逐步降低，F10断层内外两侧的水位差逐步增加至15m左右。

(2)在整个施工过程中，各工况下的边坡稳定性系数的总体变化规律基本一致，随着施工步骤呈先增加后降低的趋势。在整个施工过程中，最小的稳定性系数为2.535，左岸边坡整体稳定。