调查潜在的水库滑坡并使用极限平衡法和数值计算法提出治理措施外文翻译资料

调查潜在的水库滑坡并使用极限平衡法和数值计算法提出治理措施

Nima Babanouri，Hesam Dehghani

（哈马丹科技大学 采矿工程系，伊朗，哈马丹，6516913733）

摘要：水库滑坡不仅减少了水库蓄水能力，而且对坝体，水/电输送线路，道路和其他基础设施造成了广泛的损坏。位于德黑兰（伊朗）东北35公里处的拉提亚大坝是因为其岩石坝肩不稳定而遇到严重问题的案例之一。本文利用极限平衡法和数值分析法论述了拉提亚大坝右侧坝肩的稳定性分析。首先基于岩体工程分类估算出岩石坝肩的地质力学特征。结合普遍极限平衡法检验不同的搜索方法定位临界圆形/非圆形滑动面。研究了岩体性质，水位和地震荷载等对安全系数（FS）和失效概率（PF）的影响。在水库水位快速下降的情况下，极限平衡分析计算出FS = 1.067，PF = 21.1％，数值分析法得到FS = 1.01。分析结果表明拉提亚大坝的右侧坝肩很容易出现滑坡，需要进行治理。调查表明，即使在最坏的情况下（FS = 1.297和PF = 2.07％），如果坝肩上部边坡坡度减小15°也会达到稳定状态。

关键词：水库滑坡；极限平衡；数值模拟；可靠性；边坡稳定

引言

水坝在水资源管理和能源生产中发挥重要作用；因此，这些基础设施的投资随着人口增长而增加。然而，在选择坝址时，对岩石坝肩的稳定性缺乏认真的关注可能会导致灾难性的水库滑坡(Wang et al. 2004；Genevois and Ghirotti 2005；Panizzo et al. 2005；Ataie-Ashtiani and Malek-Mohammadi 2008；Bai et al. 2008；Macfarlane 2009；Cojean and Caiuml; 2011)。1963年在意大利发生的瓦依昂滑坡的灾难是一个因判岩石坝肩性质而造成致命后果的典型例子。由于大量岩石块滑入水库中，涌浪超过了大坝，造成约2500人死亡(Genevois and Ghirotti 2005)。500万立方米的物质滑入庞塞里斯大坝的水库中，减少了其约50％的流域容量(Panizzo et al. 2005)。三峡大坝首次蓄水后，由于层面剪切的运动而发生了水库滑坡(Wang et al. 2004)。山体滑坡的危险不断威胁着沙法鲁德大坝(Ataie-Ashtiani and Malek-Mohammadi 2008)和李家峡大坝的稳定(Bai et al. 2008)。在蓄水前沿克莱德大坝水库边缘发生的几次大型滑坡被常规监测和检查(Macfarlane 2009)。

通常有两种评估滑坡的方法：连续分析和不连续分析。土壤和非常接合的岩体通常被视为连续的(Kanungo et al. 2013；Garciacute;a Loacute;pez-Davalillo et al.2014；Shamekhi and Tannant 2015)。在连续模型中，位移场将始终是连续的。另一方面，需要使用不连续方法来研究大量被主要节理分割的完整岩体(Babanouri et al. 2013；Canal and Akin 2016；Faramarzi et al. 2016；Guo et al. 2016；Li and Ju 2016)。

位于德黑兰附近的拉提亚大坝是在施工后不久就出现边坡稳定性问题的案例(Mahab Ghods Inc 1999；IIEES 2006)。虽然大坝建成时间已经很久，但对其稳定状况的研究可以为该地区未来的项目提供一个模板，并为补救措施制定合适的计划。在这项研究中，首先俯瞰拉提亚大坝水库，根据岩体的工程分类和可用的经验关系估计岩体的地质力学特征。然后，使用普遍极限平衡法（GLE）来分析岩石坝肩的稳定性(Fredlund and Krahn 1977)。检验不同的搜索方法定位临界圆形/非圆形滑动面。除了安全系数的计算外，还进行了可靠性分析以获得不确定度。考虑到水位和地震荷载的影响，研究了不同的情况。与极限平衡分析同步，采用数值模拟大坝坝肩，并将结果与通过条分法获得的进行比较。这两项分析显示，拉提亚大坝的右侧坝肩处于脆弱的稳定状态，需要稳定。最后，考虑到使用限制，提出了一种合适的稳定性解决方案。

1.研究区域

拉提亚大坝距德黑兰东北35公里，位于北纬，东经（表1）。拉提亚大坝是在Jajrood河上建造的，目的是供水和发电。研究区域位于阿尔波兹山脉最具构造的地区之一，具有高度断裂的性质，被以前滑坡的碎石残渣所覆盖。拉提亚坝大右侧坝肩的岩石类型几乎完全是卡拉伊岩层的凝灰质砂岩(IIEES 2006)。

图1 拉提亚大坝位置

由于缺乏详细的施工前研究，拉提亚大坝自建设和蓄水以来一直出现与其坝肩稳定性有关的问题。如今，右侧坝肩滑坡的风险正在严重威胁着下游设施的安全。目前在整个地区都观察到了很多张力裂缝；在水库岸边建成的道路和大多数别墅的墙壁都产生裂隙，有完全崩溃的风险（表2）。

（a）道路附近的张力裂缝和位移图 （b）高度接合的岩体图

（c）水库附近建筑物损坏图 （d）水库库岸结构物的损害图

图2 研究区域问题的照片描述

由于在下游地区安置有供应德黑兰水的管道和水力发电厂，因此必须提出适当的稳定计划。考虑到碎石残渣体积的增加，现有的由一系列混凝土和石笼挡土墙构成的支护结构已经显示是无效的。挡土墙的损坏和失效引起了对拉提亚大坝右侧坝肩稳定性的担忧(Mahab Ghods Inc 1999)。

2.岩体特性

迪尔介绍了岩石质量指标（RQD）作为衡量岩体不连续性的量度。RQD参数被定义为10厘米及以上的钻进岩芯段的回收率(Deere 1962)。在没有钻芯的情况下（Palmstrouml;m 1982），建议RQD可以按以下估计取值：

（1）

其中，Jv是单位体积的节理数，通过节理组频率的总和确定。裂隙的扫描线调查结果确定了该区域的四个节理组(Mortezaie 2004)。节理组的特征见表1。根据该表可知，岩石节理的平均间隙达到0.3-0.4m。

接着，拉提亚大坝岩石坝肩的Jv值计算如下：

（2）

计算所获得的Jv值属于表2所示的“强节理”级别。将Jv值代入方程式（1）中：

（3）

表1 研究区域节理组的特性(Mortezaie 2004)

表2 单位体积节理数分类(Palmstrouml;m 1982)

Bieniawski（1989）在1972 -1973年提出了岩石质量评分（RMR）系统或岩体地质力学分类。此后，随着更多的案例被检验，它已经被相继地改进和完善了。RMR系统包含以下六个参数来对岩体进行分类（Bieniawski 1989）：完整岩石的单轴抗压强度（），RQD，节理间距，节理表面条件，地下水条件，与工程结构有关的节理取向。

引入地质强度指标（GSI），以便于确定工程应用中硬岩和弱岩体的岩体性质(Hoek et al.1992)。可以从RMR值间接估算出GSI的值(Hoek and Brown 1997)：

（4）

其中，是当地下水位设定为15（干燥条件）且节理方向的调整设置为0（非常有利情况）时的RMR值。

在研究区域中，完整岩石材料（凝灰质砂岩）的单轴抗压强度约为46 MPa，平均密度为。岩石节理面高度风化，略微粗糙(Mortezaie2004)。

根据RMR系统(Bieniawski1989)可得，，RQD，节理间距和节理条件的等级值分别确定为4,8,10和20。因此，RMR的值可得，所以GSI的值可以估算地。然后使用RocLab软件来估算出岩体的强度和变形性质。RocLab软件是基于广义Hoek-Brown失效标准开发的用于确定岩体强度/变形参数的程序(Hoek et al. 2002；Hoek and Diederichs 2006)。RocLab的输入参数设置如表3所示。由于该地区以前发生过山体滑坡(MahabGhods Inc 1999；IIEES 2006)，因此，RocLab中的干扰因子（D）设置为1。岩石碎片和高度破碎的岩石表现出很大程度的干扰。表4给出了岩体性质参数的近似值。

表3 RocLab的输入参数值

表4 岩体力学性质

斜坡中低应力条件下的常规假设表明如平面或楔形失效这样的结构控制故障在岩石边坡中占主导地位。然而，当岩体节理间距相对于斜坡高度非常小时，通过连续方法分析得到不稳定机制将是“岩体破坏”(Sjouml;berg 1999)。在拉提亚大坝地区的大型岩石边坡是高度结合地，因此可以被准确地视为连续介质处理。以前发生在该地区的滑坡的失效模式并没有得到结构上的控制，证实了上述假设。

3.普遍极限平衡法（GLE）分析

在条分法中提出的各种解决方案在考虑和满足静力平衡方程方面存在差异，其中包括条间法向力和/或剪切力，以及条间力之间的假设关系(Krahn 2003)。在这项研究中，极限平衡分析是使用GLE法进行的，它提供了力矩平衡和力平衡的解(Fredlund and Krahn 1977)。这里使用的GLE法也被称为条分里的Morgenstern-Price方法。GLE法假定条块之间的剪切力为零。在每个条块中，作用在条块上的剪切力和法向力的合力具有不同的倾角。通过条间力系统有序变化的迭代计算找到安全系数（FS）(Fredlund and Krahn 1977；Krahn 2003)。

3.1定位临界滑动面

虽然条分法最初是为了分析圆形滑动面而提出的，但它可以应用于运动学上可行的非圆形（分段线性）滑动面。已经提出了很多方法来寻找最小安全系数时的圆形/非圆形滑动面。在本研究中，研究了定位临界圆形滑动面（网格搜索法和自动精确搜索法）和非圆形滑动面（路径搜索法）的各种方法。搜索技术的结果之间的比较表明，路径搜索法结合优化能够定位出最小安全系数时的滑动面。因此，这

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