錦屏一級(jí)水電站降雨入滲條件下左岸邊坡穩(wěn)定性分析

李楊鵬，薛新華，楊興國(guó)，李洪濤

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065）

錦屏一級(jí)水電站降雨入滲條件下左岸邊坡穩(wěn)定性分析

李楊鵬，薛新華，楊興國(guó)，李洪濤

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065）

依托錦屏一級(jí)水電站左岸高邊坡工程，選取典型計(jì)算剖面進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，分析了邊坡在自然條件和開挖完成時(shí)的應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性。結(jié)合Mohr－Coulomb準(zhǔn)則和Fredlund強(qiáng)度理論分暴雨和久雨工況對(duì)比分析了邊坡在加固與不加固情形下安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明，坡面防水及坡體排水對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有明顯作用；隨著降雨的持續(xù)，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，降雨結(jié)束一段時(shí)間后穩(wěn)定系數(shù)降至極低點(diǎn)，隨后再緩慢回升。

邊坡穩(wěn)定性；降雨入滲；數(shù)值計(jì)算；錦屏一級(jí)水電站

1 概 述

邊坡穩(wěn)定問題在實(shí)際工程中的地位一直非常重要，近年來國(guó)內(nèi)外時(shí)常有因邊坡失穩(wěn)造成人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失的事故發(fā)生。在我國(guó)，由于降雨入滲引起的邊坡失穩(wěn)造成的損失也非常大，降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定問題得到許多學(xué)者的關(guān)注和研究。如徐全、譚曉慧［1］等對(duì)降雨作用下的土質(zhì)邊坡進(jìn)行了固體和流體的耦合及不耦合分析，研究了飽和滲透系數(shù)及降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)及滑動(dòng)面位置的影響；付宏淵、曾鈴［2］等運(yùn)用二維滲流數(shù)值計(jì)算方法，模擬降雨條件下邊坡孔隙水壓力等，并結(jié)合滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)室得到的物理力學(xué)參數(shù)，分析軟巖邊坡在降雨入滲下的穩(wěn)定性；李宏偉［3］采用非飽和土壤水滲流模型，對(duì)不同降雨強(qiáng)度作用下土質(zhì)邊坡水滲流規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，得出控制邊坡滲透系數(shù)是防止土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵的結(jié)論。此外，還有許多圍繞降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定問題的研究［4－14］，在此不一一贅述。

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)規(guī)劃的“控制性”水庫梯級(jí)，在雅礱江梯級(jí)滾動(dòng)開發(fā)中具有“承上啟下”重要作用。錦屏一級(jí)水電站為下游河段控制性水庫，具有年調(diào)節(jié)能力，對(duì)下游梯級(jí)補(bǔ)償調(diào)節(jié)效益顯著。壩址地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候，受高空西氣環(huán)流和西南季風(fēng)影響，干、濕季分明，每年11月至次年4月為旱季，旱季降水少、日照多、濕度小、日溫差大；5月至10月為雨季，雨季氣溫高、濕度大、日照少、日溫差小。根據(jù)雅礱江錦屏大河灣地區(qū)降雨資料，該地區(qū)年平均降雨量為792.8mm，降雨主要集中在6—8月份，其中歷年一日最大降雨量為87.7 mm，因此有必要針對(duì)降雨入滲條件考慮錦屏一級(jí)水電站高邊坡的穩(wěn)定問題?；诖?，本文依托錦屏一級(jí)水電站左岸高邊坡工程，選取典型計(jì)算剖面進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，在自然條件下分析了邊坡的應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合Mohr－Coulomb準(zhǔn)則與Fredlund的非飽和巖土強(qiáng)度理論，分暴雨和久雨工況對(duì)比分析了在邊坡加固與不加固兩種情形下安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化情況，可以為類似工程提供參考和借鑒。

2 邊坡施工過程模型

2.1 典型計(jì)算剖面選取

錦屏一級(jí)水電站左岸高邊坡巖體地下水主要為基巖裂隙水，1 850 m高程以下分布大理巖，巖溶程度微弱，屬巖溶裂隙含水地質(zhì)體，1 850 m高程以上分布變質(zhì)砂巖和粉砂質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬基巖裂隙含水地質(zhì)體。邊坡巖體透水性受風(fēng)化、卸荷程度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的影響較大。大理巖段水平深度150m～200m以外、砂板巖段200m～330m以外的新鮮巖體透水性具中強(qiáng)透水與弱透水相間特點(diǎn)。強(qiáng)卸荷帶和深部裂縫區(qū)巖體具有強(qiáng)透水性特征，隨著卸荷程度的減弱，巖體滲透性明顯減弱。兩岸地下水位埋藏深，水力坡降平緩。左岸570 m水平深度以內(nèi)地下水位與江水位基本一致，地下水位保持與江水同步變化。地下水接受降雨入滲補(bǔ)給，巖體以垂直補(bǔ)給的非飽和滲流為主，總體上為地下水補(bǔ)給河水?；谝陨系刭|(zhì)條件，本文選取V－V剖面為典型計(jì)算剖面，其二維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，其中自然狀態(tài)下的模型如圖1（a）所示，開挖完成之后如圖1（b）所示，V－V剖面位置示意如圖1（c）所示。

2.2 施工過程模擬

2.2.1 不考慮降雨

在不考慮降雨條件下，分析邊坡施工過程中應(yīng)力和變形等的變化情況。

（1）邊坡應(yīng)力

V－V剖面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖1 V－V剖面二維數(shù)值計(jì)算模型及位置示意

圖2 V－V剖面自然工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

邊坡在自然狀態(tài)下，基本處于受壓狀態(tài)，隨著開挖的不斷進(jìn)行，邊坡也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力在斷層處會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：處于斷層和結(jié)構(gòu)面處的第一主應(yīng)力偏小，第三主應(yīng)力比較大。

（2）邊坡位移

錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡V－V剖面自然工況下位移矢量分布如圖4所示。

圖3 V－V剖面開挖完成工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

圖4 V－V剖面自然工況條件下的位移矢量分布情況

由于邊坡受到f42－9斷層的影響，沿結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)變形比較大，導(dǎo)致豎直方向的位移有部分指向臨空區(qū)域，水平位移均指向坡外。邊坡開挖完成之后，由于開挖卸荷回彈和開挖臨空面的形成，邊坡的位移明顯增大，水平位移明顯增大，開挖面有卸荷回彈變形。V－V剖面開挖完成之后的位移矢量分布如圖5所示。

從圖5可以看出，由于邊坡的開挖，由X煌斑巖脈和f42－9組合成的塊體位移迅速增大，塊體穩(wěn)定性較差。

2.2.2 降雨入滲條件下

在模擬降雨入滲條件時(shí)，考慮兩種工況：（1）1 d暴雨工況，200 mm／d；（2）3 d久雨工況，50 mm／d。通過數(shù)值計(jì)算可知，暴雨條件下滲流場(chǎng)分布規(guī)律為：前12 h為天然降雨過程，坡面含水率逐漸升高，壓力水頭同時(shí)也在升高，非飽和區(qū)的大部分地方壓力水頭在－2m～－4m之間，斜坡上部較平緩及滲透系數(shù)較大的地方接近飽和。壓力水頭一般未達(dá)飽和狀態(tài)，坡腳逸出面附近自由面變化不明顯。

圖5 V－V剖面開挖完成時(shí)位移矢量分布

經(jīng)過下文中方法及結(jié)果分析，得到久雨條件下滲流場(chǎng)分布規(guī)律為：與暴雨工況過程類似，只是考慮邊坡存在表面防滲排水的措施。第3天邊坡上部坡面壓力水頭在－10m左右。壓力水頭變化較小，一般在－10m～－14 m左右，整個(gè)坡面未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。降雨24 h時(shí)邊坡上部坡面及霧化區(qū)大部分坡面壓力水頭緩慢升高，邊坡上部壓力水頭在－10 m～－8m左右，自由面上升到1 730m高程左右，局部上升幅度在90m左右，飽和區(qū)的水平范圍在15m～30m之間。

降雨量及入滲量關(guān)系：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)整個(gè)邊坡來說，久雨工況3天的累計(jì)入滲率為35.8%，暴雨工況1天的累計(jì)入滲率為32.1%。見表1所示。

表1 左岸邊坡Ⅴ－Ⅴ剖面降雨入滲量統(tǒng)計(jì)表

暴雨工況邊坡初始滲流場(chǎng)和降雨完成條件下的滲流場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 暴雨條件下不同時(shí)刻邊坡滲流場(chǎng)分布情況

從邊坡降雨入滲數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，在降雨初期，由于入滲量較小，邊坡淺部部分飽和，大部分處于未飽和狀態(tài)，隨著降雨入滲的不斷進(jìn)行，邊坡的飽和區(qū)逐漸增大，非飽和區(qū)逐漸減小，但是由于邊坡排水措施的作用，因此邊坡的飽和區(qū)始終位于坡體表面，飽和區(qū)的最大深度小于20 m。同時(shí)，由于降雨入滲的作用，邊坡淺層的應(yīng)力增大較為明顯，應(yīng)力的增大主要是由于孔隙水壓的增大而引起的，巖體內(nèi)部應(yīng)力的不斷增大，會(huì)給邊坡的穩(wěn)定性帶來不利作用。并且，降雨入滲會(huì)對(duì)主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生弱化作用，這對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響更為明顯。在左岸邊坡施工過程中，要及時(shí)做好排水措施以保證雨季邊坡施工過程的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。

2.3 降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性分析

2.3.1 計(jì)算方法［15］

土體通?？梢钥醋骶鶆虻亩嗫捉橘|(zhì)，而裂隙發(fā)育的節(jié)理巖體不能簡(jiǎn)單地看作多孔介質(zhì)，因?yàn)楦馏w相比節(jié)理巖體具有顯著的區(qū)別，造成這種區(qū)別的根本原因是節(jié)理面的存在和兩種介質(zhì)滲透機(jī)制的不同。如圖7所示，對(duì)于裂隙巖體來說裂隙是水流的主要通道。

圖7 裂隙巖體滲透機(jī)制示意圖

（1）孔隙水壓力和飽和度的關(guān)系

巖質(zhì)邊坡降雨入滲時(shí)，有兩組內(nèi)變量之間的關(guān)系需要引起足夠的關(guān)注，它們直接控制著邊坡降雨入滲的特征。這兩組內(nèi)變量關(guān)系分別是毛細(xì)壓力（孔隙水壓力和氣壓的差值）與飽和度之間的關(guān)系、滲透系數(shù)和飽和度之間的關(guān)系，在非飽和的裂隙中氣體通常是連續(xù)的并且與外界大氣是連通的，如果取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為參考零點(diǎn)則第一個(gè)內(nèi)變量關(guān)系可以用孔隙水壓力和飽和度來表示，如圖8所示。

圖8 非飽和介質(zhì)孔隙水壓力與飽和度之間關(guān)系

非飽和介質(zhì)在吸水和干燥過程中孔隙水壓力和飽和度的關(guān)系略有不同，但對(duì)于巖石介質(zhì)這種差別不是很明顯，而且對(duì)于錦屏一級(jí)左岸高邊坡，重要的是邊坡在降雨下的響應(yīng)，干燥過程并不是研究的重點(diǎn)，因此本次計(jì)算中采用單一曲線描述的孔隙水壓力和飽和度。

（2）滲透系數(shù)和飽和度的關(guān)系

在實(shí)際巖土介質(zhì)中，滲透系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，它與飽和度、裂隙張開度、裂隙貫通程度、溫度等因素都有關(guān)系。一般來說滲透系數(shù)可以表示為：

式中：S為飽和度；T為溫度；εij是應(yīng)變。錦屏一級(jí)左岸高邊坡問題，需要抓住影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，可以認(rèn)為在降雨的過程中整個(gè)邊坡的應(yīng)變沒有太大的改變，并且溫度變化幅度不大，因此飽和度是影響滲透系數(shù)的主要原因，公式（1）可以簡(jiǎn)化為：

K0是完全飽和時(shí)的滲透系數(shù)；k（S）表示飽和度的函數(shù)。k（S）有多種取法，對(duì)于土體常取做：

上式適合描述干燥時(shí)滲透系數(shù)很?。ń咏诹悖┑慕橘|(zhì)，土這類介質(zhì)完全可以采用（3）的關(guān)系式。錦屏一級(jí)左岸高邊坡平洞勘測(cè)資料表明，風(fēng)化層裂隙開度較大（統(tǒng)計(jì)所得到的滲透系數(shù)達(dá)到1 m／d數(shù)量級(jí)），因此可以認(rèn)為即使在飽和度很低甚至完全干燥的情況下，左岸高邊坡也能維持一定的滲透系數(shù)，而不是像土一樣直接降低到零。

降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵就是計(jì)算邊坡巖體地下水自由面的變化及非飽和區(qū)壓力水頭變化。計(jì)算降雨條件下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)需要確定地下水位，對(duì)飽和巖土一般采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算抗剪強(qiáng)度，而對(duì)于地下水位以上的巖土體通常不考慮由負(fù)壓水頭提供的抗剪強(qiáng)度的變化。根據(jù)降雨入滲條件下邊坡巖體滲流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，可采用Fredlund的非飽和巖土強(qiáng)度理論來計(jì)算地下水位以上的非飽和帶強(qiáng)度的定量變化，對(duì)于飽和帶（包括原飽和區(qū)域和暫態(tài)飽和區(qū)）則按常規(guī)方法處理。

式中：τf為剪應(yīng)力；c′為有效粘聚力；σn為法向總應(yīng)力；uw為孔隙水壓力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角。

基于數(shù)值計(jì)算得到的單元應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓計(jì)算結(jié)果，結(jié)合極限平衡原理對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

滑動(dòng)模式分為以下兩種：（a）淺部滑動(dòng)模式：從1 970m高程至1 750 m高程沿f5，再弧形剪切Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1類巖體，在1720高程處剪出；（b）深部滑動(dòng)模式：從2 043m高程沿煌斑巖脈（部分地方通過深部裂縫），到1 720m處剪切Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1類巖體（其中切過f5，f2，g），在1 666 m高程處剪出。邊坡降雨入滲條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

表2 左岸邊坡V－V 剖面不加固情況下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 左岸邊坡V－V 剖面加固情況下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從上降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）降雨對(duì)邊坡淺部、深層巖體穩(wěn)定性具有重要影響；（2）邊坡的加固措施（坡面防水及坡體排水等）對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有明顯作用；（3）隨著降雨的持續(xù)，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；（4）暴雨條件下邊坡的安全系數(shù)下降非常迅速，久雨條件下邊坡的安全系數(shù)下降比前者要慢。表明暴雨對(duì)坡體表面的擊打?qū)ζ麦w的穩(wěn)定性影響較大，比如洪水或泥石流從坡角經(jīng)過，侵蝕坡體，改變坡體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)坡體滑動(dòng)。

3 結(jié) 語

依托錦屏一級(jí)水電站左岸高邊坡工程，選取典型計(jì)算剖面進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，在不降雨條件下分析了邊坡的應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性，結(jié)合Mohr－Coulomb準(zhǔn)則與Fredlund的非飽和巖土強(qiáng)度理論，分暴雨和久雨工況對(duì)比分析了在邊坡加固與不加固兩種情形下安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明：

（1）左岸邊坡V－V剖面開挖支護(hù)完成之后塑性區(qū)基本很小，可見邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索等支護(hù)措施對(duì)邊坡的穩(wěn)定起到很大的有利影響。

（2）由于邊坡的開挖，由X煌斑巖脈和f42－9組合成的塊體位移迅速增大，塊體穩(wěn)定性較差。

（3）降雨對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性具有重要影響。降雨條件下邊坡穩(wěn)定性情況一般具有如下特性：隨著降雨的持續(xù)，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。坡面防水及坡體排水等加固措施對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有明顯作用。

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Stability Analysis for Left Bank Slope of JinpingⅠHydropower Station under Rainfall Infiltration

LIYang-peng，XUE Xin-hua，YANG Xing-guo，LIHong-tao
（College ofWater Resources＆Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China）

Relying on the projectof the high slope at the leftbank of JinpingⅠHydropower Station，the typical calculation sections are selected to do the 2D numerical simulation calculation so as to analyze the stress，displacementand stability of the slope under natural conditions and when the excavation is completed.Meanwhile，the safety factor variations with rainfall time under both rainstorm and long-lasting rainfall are analyzed based on the combination of Mohr-Coulomb criterion and Fredlund strength theory.The results indicate that the slope surface waterproof and slope drainage could play an obvious role in improving the slope stability；as the rain continued，the stability coefficientwould be decreased gradually and itwould be decreased to theminimum point in some time after the rainfall，then itwould be risen slowly after that.

slope stability；rainfall infiltration；numerical calculation；JinpingⅠHydropower Station

TV54；TU457

A

1672—1144（2014）01—0016—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.004

2013-08-10

2013-09-25

中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)公司資助重大項(xiàng)目（JIZX－3）

李楊鵬（1990—），男，四川攀枝花人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。