林金洪，張俊林，王磊，鞏貴彥，賴亞光，張津銘,3

(1.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司，福州，350003；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都，610059；3.青島市即墨區(qū)自然資源局，山東青島，266200)

引言

隨著大規(guī)模基建工程的建設(shè)，邊坡穩(wěn)定問題不斷突出，造成巨大的人員傷亡及財產(chǎn)損失，成為亟需解決的問題[1-3]。大渡河下游某水電站壩址左岸邊坡坡度較陡，物質(zhì)組成較為復(fù)雜，鐵路路基與大壩之間發(fā)育F10斷層。在水電站施工建設(shè)和后期蓄水期間，均會對左岸邊坡原始的地質(zhì)平衡產(chǎn)生較大的擾動，改變邊坡的幾何邊界、滲流場和應(yīng)力場等，左岸邊坡必然會對這一系列的擾動產(chǎn)生響應(yīng)，產(chǎn)生變形和改變穩(wěn)定性等。目前各種邊坡穩(wěn)定性評價方法得到廣泛應(yīng)用[4]，數(shù)值仿真軟件主要為GeoStudio、ANSYS、ABAQUS以及FLAC3D[5-7]等，用于邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要為極限平衡條分法和有限元法。雖然有限元極限平衡法近年來已經(jīng)能成功應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析[8-10]，但極限平衡法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，并且能準(zhǔn)確快速求解出最小安全系數(shù)，確定最危險滑動面。

1 壩址區(qū)左岸邊坡地質(zhì)簡介

1.1 左岸邊坡概況

研究邊坡位于壩址左岸(圖1)，邊坡中下部建有成昆鐵路，在鐵路地面以下的自然坡度為35°～45°。高程598m以下為由人工堆積物和沖洪積物組成的土質(zhì)邊坡，位于上部的人工堆積層厚度約4m～5m；下部為沖洪積層漂卵石層，呈中密～密實狀，在壩肩附近的厚度為2.3m～5.0m，在壩軸線至壩前厚度為19m～25m；下伏基巖為白云巖和蝕變輝綠巖，淺表層巖體強(qiáng)風(fēng)化，厚2m～3m。區(qū)域斷層F10發(fā)育在鐵路路基與大壩之間，斷層組成物以全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖、碎粉巖為主，夾少量角礫巖及黃色斷層泥。受F10斷層的影響，左岸邊坡巖體處于較破碎～破碎，自然邊坡總體性狀較差。

圖1 壩址左岸邊坡位置

1.2 計算模型、計算工況及巖土體參數(shù)選取

1.2.1 計算模型

根據(jù)圖2所示的工程地質(zhì)模型，可概化出11個巖土體單元：1-覆蓋層、2-強(qiáng)風(fēng)化白云巖、3-弱風(fēng)化及以下白云巖、4-斷層影響帶、5-斷層帶(巖)、6-斷層帶(土)、7-強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖、8-弱風(fēng)化及以下輝綠巖、9-強(qiáng)風(fēng)化蝕變輝綠巖、10-弱風(fēng)化及以下蝕變輝綠巖和11-人工構(gòu)筑物，共概化出11個巖土體單元。

圖2 壩軸線Ⅰ-Ⅰ′剖面工程地質(zhì)模型

1.2.2 計算工況

在水電站的建設(shè)過程中，主要經(jīng)歷3個施工階段：一期導(dǎo)流階段、二期導(dǎo)流階段和正常蓄水階段。一期導(dǎo)流階段施工時，將右岸圍堰合攏，導(dǎo)致河流過流寬度減少，將壅高左岸過流水位。二期導(dǎo)流段施工時，將左岸圍堰合攏并開挖基坑，水位逐步降低至532m，施工工序為左岸邊坡自上而下分五級開挖：一級開挖至571.5m高程；二級開挖至557m高程；三級開挖至551m高程；四級開挖至541.5m高程；五級開挖至532m高程。正常蓄水階段將大幅提高壩軸線上游范圍的河水位至577m高程。在這3個施工階段，由于河水位的動態(tài)調(diào)整，將引起邊坡體內(nèi)滲流場的動態(tài)變化，影響邊坡的穩(wěn)定性。概化后的計算工況見表1。

表1 壩軸線Ⅰ-Ⅰ′剖面計算工況 單位：m

1.2.3 強(qiáng)度參數(shù)選取

邊坡的滲流及穩(wěn)定性分析計算中，巖土物理力學(xué)參數(shù)選擇合理與否至關(guān)重要。左岸邊坡各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，通過3個步驟確定：

(1)基于物理力學(xué)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范和手冊等初步確定大部分巖土體單元的物理力學(xué)參數(shù)；

(2)其中部分巖土體單元缺乏有效的物理力學(xué)參數(shù)試驗成果，針對這部分巖土體單元開展工程地質(zhì)類比法研究，通過參考《工程地質(zhì)手冊》(第五版)、《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》、以及相關(guān)的規(guī)范[11-13]及學(xué)術(shù)論文等，初步確定物理力學(xué)參數(shù)；

(3)在上述兩步的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場的工程地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)綜合判斷，開展物理力學(xué)參數(shù)反演分析，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整各巖土體單元的物理力學(xué)參數(shù)。

最終確定的各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各巖土體單元物理力學(xué)參數(shù)

2 滲流場計算結(jié)果分析

根據(jù)壩軸線Ⅰ-Ⅰ′剖面工程地質(zhì)模型，在GeoStudio中建立滲流計算模型，見圖3。

圖3 壩軸線左岸滲流計算模型

根據(jù)表1所示的計算工況，分析水電站在建設(shè)過程中地下水滲流場的變化，對初始狀態(tài)、一期導(dǎo)流、二期導(dǎo)流一級開挖、二期導(dǎo)流二級開挖、二期導(dǎo)流三級開挖、二期導(dǎo)流四級開挖、二期導(dǎo)流五級開挖以及正常蓄水等8個狀態(tài)的滲流場分別進(jìn)行計算，以孔隙水壓力作為表征地下水滲流場的特征。計算結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 開挖前壩軸線左岸邊坡滲流計算結(jié)果

圖5 開挖后壩軸線左岸邊坡滲流計算結(jié)果

由圖4(a)可知，在初始狀態(tài)的地下水滲流場中，浸潤線與前期勘察的推測水位線幾乎吻合；在斷層帶中，滲流線有明顯的跌落現(xiàn)象，斷層帶內(nèi)外兩側(cè)存在一定的水頭差，實際勘察中也發(fā)現(xiàn)了滲流水具有一定的承壓現(xiàn)象。上述兩個現(xiàn)象驗證計算模型與計算參數(shù)的準(zhǔn)確性。在一期導(dǎo)流階段(圖4(b))，隨著左岸邊坡前緣河水位的上漲，邊坡體內(nèi)部的浸潤線也隨之提高，對水平方向的影響深度在50m左右。

在二期導(dǎo)流階段(圖5(a)～(e))，隨著逐步降水并開挖基坑，邊坡體內(nèi)部的浸潤線逐步降低，斷層內(nèi)外兩側(cè)的水位差增加，當(dāng)水位降低至基坑底部532.0m時，斷層前后的水位差達(dá)到15m左右，斷層帶后側(cè)承壓水水頭達(dá)到15m。正常蓄水之后(圖5(f))，隨著蓄水位逐步增加至正常蓄水位，邊坡體內(nèi)的浸潤線也逐漸抬升，超越初始狀態(tài)的浸潤線，對水平方向的影響深度約150m。

3 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

按照施工工序，在滲流場分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，開展動態(tài)穩(wěn)定性計算，計算壩軸線Ⅰ-Ⅰ′剖面左岸邊坡整體穩(wěn)定性。左岸邊坡整體穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3，繪制成左岸邊坡整體穩(wěn)定性趨勢見圖6。

圖6 壩軸線左岸邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)

表3 壩軸線左岸邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)

壩軸線Ⅰ-Ⅰ′剖面在整個施工過程中，各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律基本一致，且隨著施工步驟呈先增加后降低的趨勢。在一期導(dǎo)流和一級開挖階段，各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)有一定程度的增加；在二級開挖至五級開挖過程中，穩(wěn)定性系數(shù)均逐步降低；在正常蓄水階段，自然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)有一定程度提高，但是地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)有所下降。

在整個施工過程中，左岸邊坡最小的穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)在五級開挖階段的暴雨工況，穩(wěn)定性系數(shù)為2.535。因此，根據(jù)表3所示的穩(wěn)定性系數(shù)判定，在整個施工過程中，左岸邊坡整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

對大渡河下游某水電站壩址左岸邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，主要有以下結(jié)論：

(1)在各施工階段，邊坡體內(nèi)部的浸潤線隨河水位變化而變化，在二期導(dǎo)流階段由于降水開挖，浸潤線逐步降低，F(xiàn)10斷層內(nèi)外兩側(cè)的水位差逐步增加至15m左右。

(2)在整個施工過程中，各工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的總體變化規(guī)律基本一致，隨著施工步驟呈先增加后降低的趨勢。在整個施工過程中，最小的穩(wěn)定性系數(shù)為2.535，左岸邊坡整體穩(wěn)定。