肯斯瓦特水库边坡稳定性综合分析

宋 军，张敬东

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，新疆乌鲁木齐 830002)

水库边坡施工过程中坝肩开挖边坡的失稳，可能危及施工人员的生命安全。正常运营后，失稳岩土体滑入水库中，减小了水库库容，甚至造成水库的废弃。库岸滑坡直接危及水工建筑的安全，高速滑坡造成巨大的涌浪，可能造成溃坝。因此，水库库岸边坡稳定性的研究对确保水电工程的建设、运行具有重大意义。

1 水库边坡稳定性评价方法概述

边坡稳定性评价方法可分为两类，即定性分析方法和定量分析方法。定性分析方法是通过对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。而定量方法则是通过室内试验或现场测试取得岩土体的物理力学参数后，采用一定的计算理论和计算方法，对边坡的稳定性进行定量分析和评估。

水库边坡中常用到的定性方法有CSMR法［1-2］。CSMR法能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价，但在参数的具体取值过程中还带有很大的经验性，常会因人而异。赤平极射投影法常与刚体极限平衡法相结合［3］，用于分析浅表层边坡岩体结构的稳定性。由于赤平极射投影法只考虑了岩体结构(结构面产状)这一单一条件，因此该方法常局限于对局部楔形块体的稳定性分析中。

边坡的定量评价，目前常用的方法是刚体极限平衡分析法和应力应变分析法。刚体极限平衡法，如Fellenius法、Bishop法、Jaubu法和Sarma法等，假设边坡岩土体为刚性，刚性块体本身不产生变形，且可以传递应力，只研究滑动面上的受力大小，不研究滑体及滑床内部的应力状态。刚体极限平衡法由于做了较大的简化，容易手算出安全系数，目前依然为广大工程技术人员青睐。但刚体极限平衡法最大的问题是需要预先人为假定滑裂面，容易出现和客观实际相悖的情况。应力应变分析法，如目前常见的非连续变形分析法(DDA)［4］、快速拉格朗日差分法(FLAC)［5］和有限元强度折减法［6］等。其最大的优点是不需对滑面的形态事先作任何假定，而是直接计算边坡内部岩体各点的应力值，从而分析确定滑面的形式和边坡变形破坏机制，在计算边坡的整体稳定性上有很大的优越性。但对浅表层的破碎岩土体的分析结果，则不如赤平极射投影法精确。

本文将定性方法和定量方法综合应用到新疆肯斯瓦特水库边坡稳定性的研究中，以做到扬长补短，更好的评判边坡的稳定性。

2 工程实例

新疆肯斯瓦特水利枢纽工程处于玛纳斯河中游河段，是玛纳斯河流域规划中最大的控制性水利枢纽工程。枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水系统及电站厂房组成，水库设计蓄水位990.0 m，库容为1.88亿m3，电站装机容量100 MW。坝型选择为钢筋混凝土面板砂砾石坝，坝顶高程996.6 m，最大坝高129.40 m，坝顶长475 m。发电洞、泄洪洞、溢洪道及联合进水口均布置于右岸，右岸工程边坡安全是本工程重点之一，因此对右岸边坡稳定性研究是很有必要的。

图1 右岸边坡典型剖面

本文采用CSMR法对右岸边坡进行整体定性评价，用赤平极射投影法对潜在的楔形块体进行稳定性评估，并用有限元强度折减法对边坡的整体稳定性进行定量分析。

3 CSMR法

Romana在Bieniawskizt提出的RMR岩体质量评价方法的基础上，综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系，以及边坡的开挖方式等，提出了SMR(Slope Mass Rating)法［7］，如式(1)所示。这种方法可直接根据岩体质量分级结果来评价边坡的宏观稳定性，确定边坡的破坏形式及加固方法。中国水利水电边坡工程登记小组于1997年在RMR-SMR体系的基础上引入高度修正系数ζ和结构面条件修正系数λ，提出了具有中国特色的 CSMR分类体系［1］，如式(2)所示。

式中:RMR是Bieniawskizt提出的岩体质量得分，其评分标准见表1;ζ指高度修正系数，ζ=0.57+(34.4/H)，其中H为边坡高度，m;F1为与边坡和结构面走向间平行度有关的系数，取值决定于不连续面与边坡面走向的相近程度，它的值域为1.00(当两者近于一致时)到0.15(当两者夹角 ＞30°时，破坏的可能性很小);F2为与结构面倾角有关的系数，平面破坏模式中F2由不连续面倾角大小确定，其值由1.00(当不连续面倾角＞45°时)变化到0.15(当不连续面倾角＜20°时)，若为倾倒模式，则F2的值始终为1.0;F3反映了不连续面倾角与边坡面倾角间的关系。F1，F2和F3的具体修正方法见表2。F4是通过工程经验获得的边坡开挖方法的调整参数，见表3。λ是结构面条件系数，当结构面为断层或夹泥层时取1.0，当层面贯穿裂隙时取0.8～0.9，节理取0.7。

表1 边坡岩体质量RMR法评分标准

表2 结构面方位修正

表3 边坡开挖方法修正

右岸边坡的RMR法最终评分为44，属于Ⅲ级岩体，质量一般。右岸边坡的CSMR法的最终评分是36.54(见表4)，为Ⅳ类岩体，岩体稳定性差。CSMR法Ⅳ类岩体可能存在的破坏形式为节理，可构成平面并产生大型楔形块体滑动，威胁工程的安全。这种破坏形式，需要在重要的水工建筑物附近，对潜在的楔形块体加设预应力长锚杆锚固，对浅表层破碎岩体系统喷射混凝土加固，并做好边坡深部排水工作。

表4 右岸边坡CSMR体系岩体分类评价

4 赤平极射投影法

肯斯瓦特水库右岸岸坡岩性以白垩系下统呼图壁河组泥质粉砂岩为主，岩层产状282°NE∠53°，岸坡自然坡度45°～50°。主要节理裂隙发育有3组:①340°～350°SW∠60°～70°;②0°～10°SE∠40°～50°;③80°～90°SE∠80°～90°。通过赤平投影对其稳定性进行分析，如图2所示。

图2 右岸岸坡赤平极射投影

依据图示结构面与坡面的关系，结构面单一判定以及结构面组合判定，其中节理组1和节理组2以及岩层层面和节理组3所构成的结构块体可能不稳定。其交线与坡向相同，交线倾角缓于边坡倾角，结构面组合倾向与坡面倾向相同，结构面倾角小于坡面倾角，以此初判右岸岸坡为不稳定边坡，可能发生岩层斜向倾倒滑坡或局部块体的楔形体滑动。这一判断与用CSMR法得出的结论一致。在该水库边坡进行道路施工开挖时，部分楔形块体在暴雨后出现滑动，且部分区域出现沿单一结构面(走向340°～350°陡倾，由节理组1控制)滑动破坏。施工中发生的岸坡失稳验证了CSMR法和赤平极射投影的判断是基本准确的。

5 有限元强度折减法

有限元强度折减法就是不断地调整边坡岩土体的抗剪强度参数，把岩土体中的黏聚力c和内摩擦角φ的正切值tanφ同时除以折减系数Fs，如式3所示，折减后的参数再代入有限元中进行计算。随着折减系数Fs的增大，边坡岩土体的抗剪强度逐渐降低，逐渐由安全状态进入极限平衡状态，并最终发生失稳破坏，此时的折减系数即为边坡的安全系数。

依据图1中的边坡横剖面和纵剖面图建立几何模型。根据郑颖人等［8-10］的研究，岩体及软弱结构面可采用平面应变实体单元模拟。本文采用了ANSYS软件自带的plane 82单元来模拟边坡中的卵砾石层、强风化岩体、弱风化岩体、微风化岩体及断层，材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则为Druck-Prager准则，岩体的物理力学参数如表5所示。

从图3(a)中可看出，当折减系数Fs为1.14时，横剖面中的上部漂卵砾石层(高程985～1 020 m)已基本形成塑性贯通面。而当折减系数Fs为1.34时，纵剖面中的上部漂卵砾石层(高程980～1 020 m)也已基本形成塑性贯通面，如图3(b)所示。从相应特征点水平方向的位移随折减系数的变化曲线图(图4)中也可看出，在折减系数为1.14和1.34前后，横剖面和纵剖面中的坡体均出现位移突变，即坡体中的岩土体此时已处于临界破坏状态。因此，可认为横剖面边坡和纵剖面边坡的边坡安全系数分别为1.14和1.34。由于稳定系数较小，不满足工程要求，上部的漂卵砾石边坡需进行适当的削坡处理。下部的泥质粉砂岩稳定性很好，基本上没有塑性变形。根据计算，当Fs为4.0时，下部的砂岩层依然塑性变形不大。因此可判断下部岩质边坡的整体稳定性很好。

表5 物理力学参数计算取值

图3 边坡临界状态的塑性贯通面

图4 特征点水平方向位移随折减系数的变化曲线

6 结论

1)简要回顾了在边坡稳定性分析中常用的定性和定量方法，介绍了目前在水库中常用的CSMR法、赤平极射投影法及应力应变分析法，并分析了各自的利弊。并将CSMR法、赤平极射投影法和有限元强度折减法应用到肯斯瓦特水库边坡稳定性的分析中。

2)肯斯瓦特水库右岸边坡的 CSMR得分为36.54，属于Ⅳ级，岩体质量偏差，节理面可构成大型楔形体滑动。通过赤平极射投影法分析，验证了CSMR法的判断。工程施工中也印证了这一判断的准确性。

3)有限元强度折减法计算结果表明，横剖面和纵剖面的上部漂卵砾石边坡的稳定性较差，不满足工程边坡的稳定性要求，需要进行适当的削坡处理。下部的岩质边坡整体稳定性很好，只需对水工建筑物附近潜在的楔形块体用预应力锚杆锚固，并对破碎岩体系统喷射混凝土加固，做好边坡深部的防水工作。

4)本文采用CSMR法和赤平极射投影法对肯斯瓦特水库边坡的稳定性进行定性评价，同时又通过有限元强度折减法对边坡的整体稳定性进行定量分析，充分发挥了定性和定量方法的优越性，并扬长避短，对类似工程有一定的借鉴意义。

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