锦屏一级水电站降雨入渗条件下左岸边坡稳定性分析

李杨鹏，薛新华，杨兴国，李洪涛

（四川大学水利水电学院，四川成都610065）

锦屏一级水电站降雨入渗条件下左岸边坡稳定性分析

李杨鹏，薛新华，杨兴国，李洪涛

（四川大学水利水电学院，四川成都610065）

依托锦屏一级水电站左岸高边坡工程，选取典型计算剖面进行二维数值模拟计算，分析了边坡在自然条件和开挖完成时的应力、位移和稳定性。结合Mohr－Coulomb准则和Fredlund强度理论分暴雨和久雨工况对比分析了边坡在加固与不加固情形下安全系数随降雨时间的变化情况。结果表明，坡面防水及坡体排水对提高边坡稳定性具有明显作用；随着降雨的持续，稳定系数逐渐降低，降雨结束一段时间后稳定系数降至极低点，随后再缓慢回升。

边坡稳定性；降雨入渗；数值计算；锦屏一级水电站

1 概 述

边坡稳定问题在实际工程中的地位一直非常重要，近年来国内外时常有因边坡失稳造成人员伤亡和巨大经济损失的事故发生。在我国，由于降雨入渗引起的边坡失稳造成的损失也非常大，降雨入渗条件下边坡的稳定问题得到许多学者的关注和研究。如徐全、谭晓慧［1］等对降雨作用下的土质边坡进行了固体和流体的耦合及不耦合分析，研究了饱和渗透系数及降雨强度对边坡安全系数及滑动面位置的影响；付宏渊、曾铃［2］等运用二维渗流数值计算方法，模拟降雨条件下边坡孔隙水压力等，并结合渗流场计算结果和试验室得到的物理力学参数，分析软岩边坡在降雨入渗下的稳定性；李宏伟［3］采用非饱和土壤水渗流模型，对不同降雨强度作用下土质边坡水渗流规律进行了数值仿真研究，得出控制边坡渗透系数是防止土质边坡失稳的关键的结论。此外，还有许多围绕降雨入渗条件下边坡稳定问题的研究［4－14］，在此不一一赘述。

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级，在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用。锦屏一级水电站为下游河段控制性水库，具有年调节能力，对下游梯级补偿调节效益显著。坝址地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候，受高空西气环流和西南季风影响，干、湿季分明，每年11月至次年4月为旱季，旱季降水少、日照多、湿度小、日温差大；5月至10月为雨季，雨季气温高、湿度大、日照少、日温差小。根据雅砻江锦屏大河湾地区降雨资料，该地区年平均降雨量为792.8mm，降雨主要集中在6—8月份，其中历年一日最大降雨量为87.7 mm，因此有必要针对降雨入渗条件考虑锦屏一级水电站高边坡的稳定问题。基于此，本文依托锦屏一级水电站左岸高边坡工程，选取典型计算剖面进行二维数值模拟计算，在自然条件下分析了边坡的应力、位移和稳定性，同时结合Mohr－Coulomb准则与Fredlund的非饱和岩土强度理论，分暴雨和久雨工况对比分析了在边坡加固与不加固两种情形下安全系数随降雨时间的变化情况，可以为类似工程提供参考和借鉴。

2 边坡施工过程模型

2.1 典型计算剖面选取

锦屏一级水电站左岸高边坡岩体地下水主要为基岩裂隙水，1 850 m高程以下分布大理岩，岩溶程度微弱，属岩溶裂隙含水地质体，1 850 m高程以上分布变质砂岩和粉砂质板岩，节理裂隙较发育，属基岩裂隙含水地质体。边坡岩体透水性受风化、卸荷程度和结构面发育程度的影响较大。大理岩段水平深度150m～200m以外、砂板岩段200m～330m以外的新鲜岩体透水性具中强透水与弱透水相间特点。强卸荷带和深部裂缝区岩体具有强透水性特征，随着卸荷程度的减弱，岩体渗透性明显减弱。两岸地下水位埋藏深，水力坡降平缓。左岸570 m水平深度以内地下水位与江水位基本一致，地下水位保持与江水同步变化。地下水接受降雨入渗补给，岩体以垂直补给的非饱和渗流为主，总体上为地下水补给河水。基于以上地质条件，本文选取V－V剖面为典型计算剖面，其二维数值计算模型如图1所示，其中自然状态下的模型如图1（a）所示，开挖完成之后如图1（b）所示，V－V剖面位置示意如图1（c）所示。

2.2 施工过程模拟

2.2.1 不考虑降雨

在不考虑降雨条件下，分析边坡施工过程中应力和变形等的变化情况。

（1）边坡应力

V－V剖面应力计算结果如图2、图3所示。

图1 V－V剖面二维数值计算模型及位置示意

图2 V－V剖面自然工况应力计算结果（单位：MPa）

边坡在自然状态下，基本处于受压状态，随着开挖的不断进行，边坡也没有出现拉应力集中现象。应力在断层处会产生错动和集中现象，主要表现为：处于断层和结构面处的第一主应力偏小，第三主应力比较大。

（2）边坡位移

锦屏一级水电站左岸边坡V－V剖面自然工况下位移矢量分布如图4所示。

图3 V－V剖面开挖完成工况应力计算结果（单位：MPa）

图4 V－V剖面自然工况条件下的位移矢量分布情况

由于边坡受到f42－9断层的影响，沿结构面的错动变形比较大，导致竖直方向的位移有部分指向临空区域，水平位移均指向坡外。边坡开挖完成之后，由于开挖卸荷回弹和开挖临空面的形成，边坡的位移明显增大，水平位移明显增大，开挖面有卸荷回弹变形。V－V剖面开挖完成之后的位移矢量分布如图5所示。

从图5可以看出，由于边坡的开挖，由X煌斑岩脉和f42－9组合成的块体位移迅速增大，块体稳定性较差。

2.2.2 降雨入渗条件下

在模拟降雨入渗条件时，考虑两种工况：（1）1 d暴雨工况，200 mm／d；（2）3 d久雨工况，50 mm／d。通过数值计算可知，暴雨条件下渗流场分布规律为：前12 h为天然降雨过程，坡面含水率逐渐升高，压力水头同时也在升高，非饱和区的大部分地方压力水头在－2m～－4m之间，斜坡上部较平缓及渗透系数较大的地方接近饱和。压力水头一般未达饱和状态，坡脚逸出面附近自由面变化不明显。

图5 V－V剖面开挖完成时位移矢量分布

经过下文中方法及结果分析，得到久雨条件下渗流场分布规律为：与暴雨工况过程类似，只是考虑边坡存在表面防渗排水的措施。第3天边坡上部坡面压力水头在－10m左右。压力水头变化较小，一般在－10m～－14 m左右，整个坡面未出现暂态饱和区。降雨24 h时边坡上部坡面及雾化区大部分坡面压力水头缓慢升高，边坡上部压力水头在－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，饱和区的水平范围在15m～30m之间。

降雨量及入渗量关系：根据计算结果，对整个边坡来说，久雨工况3天的累计入渗率为35.8%，暴雨工况1天的累计入渗率为32.1%。见表1所示。

表1 左岸边坡Ⅴ－Ⅴ剖面降雨入渗量统计表

暴雨工况边坡初始渗流场和降雨完成条件下的渗流场分布如图6所示。

图6 暴雨条件下不同时刻边坡渗流场分布情况

从边坡降雨入渗数值计算结果可以看出，在降雨初期，由于入渗量较小，边坡浅部部分饱和，大部分处于未饱和状态，随着降雨入渗的不断进行，边坡的饱和区逐渐增大，非饱和区逐渐减小，但是由于边坡排水措施的作用，因此边坡的饱和区始终位于坡体表面，饱和区的最大深度小于20 m。同时，由于降雨入渗的作用，边坡浅层的应力增大较为明显，应力的增大主要是由于孔隙水压的增大而引起的，岩体内部应力的不断增大，会给边坡的稳定性带来不利作用。并且，降雨入渗会对主要结构面产生弱化作用，这对边坡的稳定性影响更为明显。在左岸边坡施工过程中，要及时做好排水措施以保证雨季边坡施工过程的整体稳定性和局部稳定性。

2.3 降雨入渗条件下边坡稳定性分析

2.3.1 计算方法［15］

土体通常可以看作均匀的多孔介质，而裂隙发育的节理岩体不能简单地看作多孔介质，因为跟土体相比节理岩体具有显著的区别，造成这种区别的根本原因是节理面的存在和两种介质渗透机制的不同。如图7所示，对于裂隙岩体来说裂隙是水流的主要通道。

图7 裂隙岩体渗透机制示意图

（1）孔隙水压力和饱和度的关系

岩质边坡降雨入渗时，有两组内变量之间的关系需要引起足够的关注，它们直接控制着边坡降雨入渗的特征。这两组内变量关系分别是毛细压力（孔隙水压力和气压的差值）与饱和度之间的关系、渗透系数和饱和度之间的关系，在非饱和的裂隙中气体通常是连续的并且与外界大气是连通的，如果取标准大气压为参考零点则第一个内变量关系可以用孔隙水压力和饱和度来表示，如图8所示。

图8 非饱和介质孔隙水压力与饱和度之间关系

非饱和介质在吸水和干燥过程中孔隙水压力和饱和度的关系略有不同，但对于岩石介质这种差别不是很明显，而且对于锦屏一级左岸高边坡，重要的是边坡在降雨下的响应，干燥过程并不是研究的重点，因此本次计算中采用单一曲线描述的孔隙水压力和饱和度。

（2）渗透系数和饱和度的关系

在实际岩土介质中，渗透系数并不是一个常数，它与饱和度、裂隙张开度、裂隙贯通程度、温度等因素都有关系。一般来说渗透系数可以表示为：

式中：S为饱和度；T为温度；εij是应变。锦屏一级左岸高边坡问题，需要抓住影响边坡稳定的主要因素，可以认为在降雨的过程中整个边坡的应变没有太大的改变，并且温度变化幅度不大，因此饱和度是影响渗透系数的主要原因，公式（1）可以简化为：

K0是完全饱和时的渗透系数；k（S）表示饱和度的函数。k（S）有多种取法，对于土体常取做：

上式适合描述干燥时渗透系数很小（接近于零）的介质，土这类介质完全可以采用（3）的关系式。锦屏一级左岸高边坡平洞勘测资料表明，风化层裂隙开度较大（统计所得到的渗透系数达到1 m／d数量级），因此可以认为即使在饱和度很低甚至完全干燥的情况下，左岸高边坡也能维持一定的渗透系数，而不是像土一样直接降低到零。

降雨条件下边坡稳定性分析的关键就是计算边坡岩体地下水自由面的变化及非饱和区压力水头变化。计算降雨条件下边坡稳定性状态需要确定地下水位，对饱和岩土一般采用Mohr－Coulomb准则计算抗剪强度，而对于地下水位以上的岩土体通常不考虑由负压水头提供的抗剪强度的变化。根据降雨入渗条件下边坡岩体渗流场的计算结果，可采用Fredlund的非饱和岩土强度理论来计算地下水位以上的非饱和带强度的定量变化，对于饱和带（包括原饱和区域和暂态饱和区）则按常规方法处理。

式中：τf为剪应力；c′为有效粘聚力；σn为法向总应力；uw为孔隙水压力；φ′为有效内摩擦角；φb为随基质吸力变化的内摩擦角。

基于数值计算得到的单元应力、应变和孔隙水压计算结果，结合极限平衡原理对边坡的稳定性进行分析。

2.3.2 稳定性计算结果

滑动模式分为以下两种：（a）浅部滑动模式：从1 970m高程至1 750 m高程沿f5，再弧形剪切Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1类岩体，在1720高程处剪出；（b）深部滑动模式：从2 043m高程沿煌斑岩脉（部分地方通过深部裂缝），到1 720m处剪切Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1类岩体（其中切过f5，f2，g），在1 666 m高程处剪出。边坡降雨入渗条件下稳定性计算结果如表2和表3所示。

表2 左岸边坡V－V 剖面不加固情况下稳定系数计算结果

表3 左岸边坡V－V 剖面加固情况下稳定系数计算结果

从上降雨入渗条件下边坡的稳定性计算结果可以看出：（1）降雨对边坡浅部、深层岩体稳定性具有重要影响；（2）边坡的加固措施（坡面防水及坡体排水等）对提高边坡稳定性具有明显作用；（3）随着降雨的持续，稳定系数逐渐降低；（4）暴雨条件下边坡的安全系数下降非常迅速，久雨条件下边坡的安全系数下降比前者要慢。表明暴雨对坡体表面的击打对坡体的稳定性影响较大，比如洪水或泥石流从坡角经过，侵蚀坡体，改变坡体结构，促进坡体滑动。

3 结 语

依托锦屏一级水电站左岸高边坡工程，选取典型计算剖面进行二维数值模拟计算，在不降雨条件下分析了边坡的应力、位移和稳定性，结合Mohr－Coulomb准则与Fredlund的非饱和岩土强度理论，分暴雨和久雨工况对比分析了在边坡加固与不加固两种情形下安全系数随降雨时间的变化情况。结果表明：

（1）左岸边坡V－V剖面开挖支护完成之后塑性区基本很小，可见边坡的预应力锚索等支护措施对边坡的稳定起到很大的有利影响。

（2）由于边坡的开挖，由X煌斑岩脉和f42－9组合成的块体位移迅速增大，块体稳定性较差。

（3）降雨对边坡岩体稳定性具有重要影响。降雨条件下边坡稳定性情况一般具有如下特性：随着降雨的持续，稳定系数逐渐降低。坡面防水及坡体排水等加固措施对提高边坡稳定性具有明显作用。

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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

中国电力建设集团公司资助重大项目（JIZX－3）

李杨鹏（1990—），男，四川攀枝花人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。