水電站高陡邊坡地震穩(wěn)定性分析

姜德全

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

某水電站邊坡于2008年“5.12”大地震時(shí)發(fā)生過(guò)一定規(guī)模的落石崩塌，大量的滾石崩落對(duì)坡下水電站引水隧洞的開(kāi)挖施工造成了巨大的影響。該邊坡為多組結(jié)構(gòu)面組合切割的高陡巖質(zhì)邊坡，確定對(duì)坡體穩(wěn)定性影響最大的結(jié)構(gòu)面組合形式，及地震作用下高陡邊坡的破壞模式對(duì)其防護(hù)治理具有重要的意義。

1 工程地質(zhì)條件

該區(qū)為橫斷山脈，系北段的高山曲流深切峽谷地貌，高陡邊坡位于東谷河左岸，坡高近300 m，坡度約70°，其崩塌破壞不穩(wěn)定區(qū)距河面高差約200 m。地層巖性主要以晉寧澄江期混合巖為主，區(qū)內(nèi)巖體卸荷強(qiáng)烈，巖體完整性差，呈塊裂到碎裂結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育四組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。山體地下水埋藏較深，除表面堆積層有少量滯水外，大部分水以基巖裂隙水形式存在。據(jù)查該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，基本烈度為Ⅷ度，地震加速度輸入曲線如圖1所示。

2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖 1地震加速度輸入曲線

對(duì)于該巖質(zhì)高陡邊坡的分析，重點(diǎn)針對(duì)其自身結(jié)構(gòu)面的特征進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)判，結(jié)構(gòu)面的空間分布位置、組合關(guān)系及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。首先用赤平投影法對(duì)邊坡進(jìn)行初步分析，之后用離散元法對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡在地震作用下的破壞模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，并深入分析不同結(jié)構(gòu)面組合類(lèi)型對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 赤平投影分析

該坡體主要發(fā)育四組結(jié)構(gòu)面，分別為J1（產(chǎn)狀350°∠10°）、J2 （產(chǎn)狀 190°∠80°）、J3 （產(chǎn)狀 305°∠55°）、J4（產(chǎn)狀 160°∠65°），坡面為 slope 表示（產(chǎn)狀232°∠70°）。據(jù)試塊結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)，取摩擦圓的φ角為22°，結(jié)構(gòu)面及坡面赤平投影圖如圖2所示。分析可知，J2與J3的交線、J3與J4的交線與坡面傾向相同，且位于坡面與摩擦圓組成的陰影區(qū)內(nèi)，形成危險(xiǎn)塊體，且該邊坡的主要破壞模式為楔形體破壞。

圖2 結(jié)構(gòu)面及坡面赤平投影圖

2.2 離散元穩(wěn)定性分析

2.2.1 模型建立

塊體離散元程序（UDEC）是一個(gè)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，非連續(xù)介質(zhì)通過(guò)離散的塊體集合體加以表示，不連續(xù)面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。為對(duì)比分析J2，J3結(jié)構(gòu)面組合與J3，J4結(jié)構(gòu)面組合對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，模型計(jì)算斷面分別取J2，J3結(jié)構(gòu)面交線地質(zhì)剖面及J3，J4結(jié)構(gòu)面交線地質(zhì)剖面，剖面傾向分別為268°及236°，沿各剖面結(jié)構(gòu)面視傾角如下表1、表2。結(jié)合野外勘察統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)面平均間距取為5 m。為消除邊界影響，邊坡后緣向后延伸21 m，坡腳向外延伸21 m，底邊向下延伸28 m。左右兩側(cè)水平位移約束，底邊界豎直位移約束。計(jì)算中在坡面選擇5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化，分析邊坡位移變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各剖面上的分布見(jiàn)圖3、圖4，其中c點(diǎn)為結(jié)構(gòu)面組合交線與坡面的交點(diǎn)，a點(diǎn)為結(jié)構(gòu)面組合交線的另一端點(diǎn)，b，d，e 為變坡點(diǎn)。

表1 J2，J3結(jié)構(gòu)面交線地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)面傾角換算表

表2 J3，J4結(jié)構(gòu)面交線地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)面視傾角換算表

模擬的地震波為施加在模型底面的余弦剪切應(yīng)力波，為減小動(dòng)荷載作用下邊界反射波的影響，采用黏滯邊界。在黏滯邊界條件中，速度與加速度不能直接作用在模型邊界上，而要轉(zhuǎn)換成應(yīng)力作用在模型邊界上，考慮0.2 g地震加速度，選取該區(qū)域地震加速度曲線（圖1）作為地震載荷輸入的參考。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，離散元中輸入地震波的最高頻率為20 Hz，振幅對(duì)應(yīng)Ⅷ度地震情況為2.5 m，持時(shí)40 s。數(shù)值模擬中采用與頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)阻尼，阻尼系數(shù)取為0.01。

計(jì)算模型主要分三類(lèi)，剖面傾向268°含J2J3結(jié)構(gòu)面模型（下稱(chēng)模型1）、剖面傾向236°含J3J4結(jié)構(gòu)面模型（下稱(chēng)模型2）、剖面傾向 236°含J1J2J3J4結(jié)構(gòu)面模型（下稱(chēng)模型3），各模型見(jiàn)圖3～5，模型計(jì)算所采用參數(shù)如下表3所示。

表3 參數(shù)取值表

圖3 模型1及坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4 模型2及坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖5 模型3

2.2.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)以上3種模型計(jì)算Ⅷ度地震作用下邊坡穩(wěn)定性，主要對(duì)比分析地震作用下邊坡位移破壞模式。圖6為地震作用下坡體位移矢量圖。

圖6 地震作用下坡體位移矢量圖

圖7 各模型坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震作用下最大位移對(duì)比曲線圖

分析圖6可見(jiàn)，地震作用使坡體表面產(chǎn)生大量位移，模型1中坡面塊體最大位移達(dá)247 mm，模型2中坡面塊體最大位移達(dá)161 mm，模型3中坡面塊體最大位移達(dá)126 mm。各坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震工況下最大位移對(duì)比曲線圖見(jiàn)圖7。

通過(guò)對(duì)比各模型坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震作用下最大位移曲線可知：坡面自上而下朝坡外方向位移量以減小為主，至下部坡腳點(diǎn)處近乎為零，即坡體不會(huì)產(chǎn)生整體破壞，僅會(huì)產(chǎn)生上部崩塌區(qū)局部破壞；模型1中坡面上部崩塌區(qū)坡體位移量最大，模型3位移最小，可見(jiàn)J2，J3結(jié)構(gòu)面組合對(duì)坡體穩(wěn)定性最不利；模型3中坡面上部坡體崩塌區(qū)位移量較模型2小，可見(jiàn)部分情況下當(dāng)坡體具有傾向坡內(nèi)的緩傾結(jié)構(gòu)面時(shí)對(duì)坡體穩(wěn)定性較為有利。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，該高陡邊坡在地震作用下的主要破壞模式為楔形體局部破壞，破壞范圍主要集中在原始崩塌區(qū)，但坡體不會(huì)發(fā)生大規(guī)模整體性失穩(wěn)破壞。在相同條件下組合結(jié)構(gòu)面交線傾角大小對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大，該高陡邊坡結(jié)構(gòu)面J2，J3的組合方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，對(duì)坡體的防護(hù)整治中應(yīng)予以重點(diǎn)治理。

[1]孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[2]侯克鵬，阮永芬.離散元法模擬邊坡穩(wěn)定性若干問(wèn)題探討[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25(1).

[3]劉禮領(lǐng)，殷坤龍.離散單元法在水庫(kù)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2003，4.

[4]Itasca Consulting Group Inc..Universal distinct element code(version 3.1)user′s manual[R].Minneapolis，USA：Itasca Consulting Group Inc，1999.