堆积体边坡稳定分析-西南地区深切河谷工程地质研究

堆积体边坡属特殊类型边坡，堆积体斜坡一般由强度较低、结构较松散的堆积体及下覆基岩组成，而针对堆积体而言，为非均质各向异性介质，其稳定性除受堆积体基覆界面、边界条件影响外，还与其斜坡结构等有关，如斜坡内的孤石、漂石一般能够增加滑体的强度和密度。目前这类斜坡的稳定性分析方法仍沿用土质斜坡的分析。

大型堆积体天然状态整体稳定性可根据其地质条件及空间形态特征进行初判，即在综合工程地质分类的基础上进行初步评价，详见表2.6。而工程边坡常采用综合方法进行分析评价(包括地质历史分析法、极限平衡法、概率分析法、极限分析法、基于数值计算的稳定性评价方法、物理模拟法、非线性方法等等)。如小湾左岸坝前饮水沟大型堆积体采取了工程地质类比法、图解法、模型分析法、极限平衡分析法及有限元等数值分析方法等方法进行系统分析评价；古水水电站争岗堆积体区分天然状态和采取加固治理措施两种状况，进行了各种工况的边坡稳定性分析计算工作。选择具有代表性的三个剖面采用Bishop法、Janbu修正法、Spencer法及Morgenstern-price法进行二维刚体极限平衡分析，采用三维Janbu法、三维Bishop法及三维Sarma法进行三维刚体极限平衡分析。计算分析成果显示，天然状态下，争岗滑坡体整体安全系数较低，各工况安全系数均不能满足规范要求，暴雨及地震工况下边坡容易失稳，需要进行必要工程处理，保证边坡的稳定性。对争岗滑坡堆积体进行加固处理后，各工况下的安全系数均满足规范要求。

下面以金沙江梨园水电站念生垦堆积体为例进行综合分析评价。

念生垦堆积体是在宽缓沟谷(念生垦沟)内由冲积、洪积、坡积、崩塌堆积、碎屑流堆积(包括泥石流堆积及远距离搬运的加积物)等综合成因形成的大型混合堆积体。天然状态下，堆积体地形平缓，植被发育，地表发育两条次级冲沟，地表水排泄较通畅，除前缘受河流侧蚀和冲刷产生小范围坍塌外，地表未发现任何变形迹象。

分析认为堆积体经长期改造，整体处于稳定状态。但从堆积体的物质组成、物理力学特性和地形地貌特征以及底界面形态分析判断，并结合稳定性计算成果，天然状态下稳定系数介于1.02～1.05之间，安全裕度不高，处于临界稳定状态。

由于堆积体物质组成复杂，结构极不均一，前缘长期受江水冲刷临空，部分地段不排除在堆积体内部或沿基覆界面曾产生过滑移、变形，存在软弱面，因此天然状态下安全裕度不大，稳定性较差。推测部分地段在遭遇连续降雨及暴雨，造成地表水下渗，致使土体力学性能降低和地下水壅高，或施工扰动破坏其平衡条件，尤其是堆积体前缘缓坡地段开挖，极易导致堆积体产生部分或整体滑移变形，甚至失稳破坏。

为确保施工期及运行期堆积体的稳定与安全，需对堆积体进行综合治理。为查明该堆积体变形滑移机制、分析评价稳定性并研究处理措施，进行了堆积体稳定性研究。

1.二维极限平衡法稳定分析

根据稳定性计算成果，就整体稳定性而言：天然、暴雨或地震工况，整体皆处于不稳定。稳定性系数在天然状态下0.95左右；暴雨工况下0.94左右；地震工况下0.92左右。天然状态下，取安全系数1.10，需抗滑力11000～12000k N/m；暴雨工况下，取安全系数1.075，需抗滑力14000～15000k N/m；地震工况下，取安全系数1.025，需抗滑力12000～13000k N/m。

2.三维数值模拟及非线性有限元稳定分析

为了研究梨园水电站念生垦堆积体原始、施工期间(导流明渠开挖等)坡体的应力、应变、变形、剪切滑移面等方面的物理力学状态和发展趋势，分析治理工程措施的防治效果，选择采用三维数值模拟软件FLAC3D，进行三维数值模拟分析评价。念生垦堆积体经历了一个相当复杂的施工过程，为了方便模拟和分析各施工阶段和过程的具体情况，按照念生垦堆积体的变形发展与施工阶段，建立了5个阶段数值模型，模拟了天然工况及暴雨工况。经过三维数值模拟分析，为提出有针对性的处理设计方案打下了基础。

前期研究中，念生垦堆积体一期、二期应急治理工程的实施是根据典型地质剖面的二维稳定性分析确定，经二维极限平衡和有限元计算检验，基本可满足导流洞运行期和水库蓄水后堆积体安全系数的规范要求。但是由于念生垦沟堆积体地质结构及空间分布复杂，岩土体力学强度较低，堆积体及周边区域水文地质条件异常。存在以下几个方面的问题需要解决：

一方面，已有分析认为无论是堆积体上段还是下段，滑坡推力受地下水或库水影响十分明显，堆积体剩余下滑力与地下水水力坡度或水位皆呈线性关系，而堆积体的稳定安全系数则呈线性下降趋势。因此受汛期暴雨、排水效果、库水变动等不确定因素的影响，念生垦堆积体地下水位将会波动；同时根据三峡工程水库等类似工程经验，水库蓄水堆积体下部浸没于水库中，产生悬浮减重效应，抗滑力减小，而上部堆积体地下水位也会随着整体抬高，库水涨落期间，在饱水加载和渗透力作用下，堆积体稳定性势必降低。

另一方面，根据勘探和调查资料，堆积体下伏基岩面似“勺状”，从金沙江边至后缘呈缓-陡-缓的起伏形态，堆积体空间上沿念生垦沟呈狭长形分布，空间三维效应显著，且物质组成存在不均一性。已开展的二维分析计算无法真实模拟堆积体的空间形态和物质组成，忽略了滑体的侧向摩阻力，据此尚难以准确分析和判断在导流洞运行期、水库蓄水运营期间各种典型工况下，堆积体整体和局部稳定性、安全储备、变形破坏部位、范围以及发展趋势和危险性。(www.xing528.com)

因此，在前期工作基础上，通过补充现场调查，治理前后不同阶段变形破坏全过程、变形破坏迹象、变形模式及分区工程地质分析，监测分析，基于极限平衡理论的二维渗流场和稳定性分析，以及念生垦堆积体二维和三维变形破坏全过程、渗流场及变形稳定性的精细数值模型分析，预测评价导流洞运行期和水库蓄水正常运行期念生垦堆积体的整体和局部稳定性、潜在失稳模式及范围，评估分析综合治理措施的实施效果。主要研究内容包括以下几方面：

(1)分析复核念生垦堆积体物质组成、空间分布及地下水特征。念生垦堆积体地质结构、空间分布及水文地质条件复杂。在前期调查、勘察的基础上，通过补充现场调查、施工地质揭露和治理前后变形破坏迹象的分析，复核查明念生垦堆积体的地质结构特征、岩土体空间分布及地下水情况，特别是不同工程阶段和不同变形演化阶段的变形破坏过程、变形模式及变形分区演化，构建念生垦堆积体的地质模型和概念模型，为数值分析提供地质基础。

(2)反演确定念生垦堆积体岩土体物理力学参数。以已有岩土体物理力学试验和二维稳定性分析反演参数为基础，结合同类大型工程岩土体物理力学参数经验取值，通过施工期念生垦堆积体变形演化全过程的二维和三维精细化模拟拟核，反演确定堆积体天然和饱水情况下的滑体、滑带和下伏基岩的岩土体物理力学参数和水文地质参数，为预测评价念生垦堆积体在导流洞运行期和水库蓄水运营期，各种不同工况条件下的变形稳定性及治理工程效果提供充分的依据。

(3)念生垦堆积体二维渗流及其极限平衡稳定性分析。按照念生垦堆积体的变形发展演化过程，分期分阶段开展念生垦堆积体的二维渗流及其极限平衡稳定性分析。

1)导流洞运行期。考虑不同工况(5年一遇洪水位1532.92m、30年一遇洪水位1552.67m、100年一遇洪水位1565.35m，1565.35m洪水位骤降20m)，分析预测地下水渗流场特征及其稳定性状况。

2)水库蓄水正常运行期。考虑各种水位工况(水库开始蓄水至正常运行水位1618.00m、正常运行水位至校核洪水位1623.21m、校核洪水位1623.21m回落至正常运行水位1618.00m、正常运行水位1618.00m骤降13m、正常运行水位1618.00m+暴雨)，分析水库蓄水正常运行期地下水渗流场特征及其稳定性状况。

(4)念生垦堆积体变形破坏全过程及其变形稳定性的二维和三维数值分析，严格遵循念生垦堆积体变形发展演化的地质历史过程，分期分阶段开展念生垦堆积体二维和三维有限元稳定分析。

1)原始状态阶段。分析确定念生垦堆积体的初始应力应变场。

2)施工期。分为三大阶段(第一阶段模型：明渠开挖至高程1515.00m左右+削方减载；第二阶段模型：明渠开挖至高程1497.00m+削方减载、局部回填压脚；第三阶段模型：第一、第二期分级支挡锚固过程+第三期分级支挡锚固工程)，通过模拟监测、变形量级、变形及塑性区发展、整体和局部变形稳定性等分析、验证和校核，一方面进一步明确变形破坏机理，另一方面验证校核地质模型、数值模型及其参数。

3)导流洞运行期。考虑典型工况条件(遭遇5年一遇洪水位1532.92m、遭遇30年一遇洪水位1552.67m、遭遇100年一遇洪水位1565.35m)，分析预测评价渗流场、变形及塑性区发展、整体和局部稳定性及治理工程效果。

4)水库蓄水正常运行期。考虑典型工况及最不利工况(正常运行水位1618m、正常运行水位1618m+暴雨、正常运行水位1618m骤降13m、校核洪水位1623.21m、正常运行水位1618m+地震工况)，分析预测评价渗流场、变形及塑性区发展、整体和局部稳定性及治理工程效果。

(5)综合分析论证研究。综合分析评价导流洞运行期和水库蓄水正常运行期堆积体的整体和局部稳定性、可能的失稳模式；进行综合治理措施的实施效果评估，为防治决策提供技术支撑。