黃藏寺水利樞紐工程某松散堆積體穩(wěn)定性評價(jià)

韓 嘯，李日運(yùn)，黃銀偉

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

黃藏寺水利樞紐工程某松散堆積體穩(wěn)定性評價(jià)

韓 嘯，李日運(yùn)，黃銀偉

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

以黃藏寺水利樞紐工程某松散堆積體為例，從地質(zhì)宏觀判斷、極限平衡理論計(jì)算和數(shù)值模擬3種途徑分析堆積體的穩(wěn)定性，確定該堆積體整體穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，但有可能局部失穩(wěn).對數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行了對比，確定數(shù)值模擬得出的堆積體變形現(xiàn)象和規(guī)律與實(shí)際情況相吻合.

松散堆積體;穩(wěn)定性;地質(zhì)宏觀判斷;極限平衡理論;數(shù)值模擬

黃藏寺水利樞紐工程位于青海省祁連縣西北約19 km的黑河干流上游，左岸為甘肅省肅南縣，右岸為青海省祁連縣.該工程正常蓄水位2 624 m，水庫總庫容3.52億 m3，調(diào)節(jié)庫容2.86億 m3，裝機(jī)容量36 MW，年發(fā)電1.428億kW·h，干流中游區(qū)灌溉面積289.93萬畝.該工程近壩庫岸松散堆積體規(guī)模較大，且對工程造成較大影響.為合理選取工程設(shè)計(jì)方案，確保工程施工期和運(yùn)行期安全，須深入分析近壩庫岸松散堆積體的穩(wěn)定性.

1 區(qū)域地質(zhì)條件

黃藏寺水利樞紐工程地處青藏高原東北側(cè)的祁連山脈，托勒山與走廊南山之間，其間斷陷盆地和谷地相間分布.地勢北低南高，山脈多呈NWW—SEE向展布，與區(qū)域構(gòu)造線基本吻合.該區(qū)以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，并受強(qiáng)烈的構(gòu)造侵蝕、剝蝕作用，河流下切，水系發(fā)育，屬融凍蝕高山、侵蝕構(gòu)造中山、丘陵、堆積侵蝕階地和河谷沖洪積平原等地貌.

區(qū)內(nèi)地層巖性復(fù)雜，自古生界至新生界，各系均有不同程度出露，其中以古生界寒武系、奧陶系最為發(fā)育.不同時(shí)代的地層均為不整合接觸.

志留紀(jì)末的加里東運(yùn)動(dòng)是該區(qū)最主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，奠定了該區(qū)的構(gòu)造格局，以后的燕山、華力西、印支和喜山運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為斷塊差異運(yùn)動(dòng)，使前期形成的斷層發(fā)生了不同程度的復(fù)活，同時(shí)也形成了新的褶皺和斷裂.該區(qū)斷裂發(fā)育，以NWW向的縱向斷裂為主，橫向斷裂有NNW和NE向兩組［1］.

2 松散堆積體基本特征

該松散堆積體位于黑河右岸，潘家河壩址壩下引水發(fā)電洞出水口處，距壩線最近處僅50余m.堆積體平面形態(tài)整體呈圈椅狀，前寬后窄，前緣左右寬280 m，中部寬220 m;中前部厚度10～15 m，后部厚度3～6 m;分布面積約6.4萬 m2，初步估計(jì)方量57萬m3.岸坡整體屬于折線坡，地形上緩下陡.上段高程2 550～2 670 m，平均坡角25°;下段高程2 513～2 550 m，平均坡角38°;前后長 400 m，平均長度300 m.在地貌形態(tài)上為平緩的山間斜坡.

該堆積體處地層巖性總體可以分為兩層.表層為碎石類土覆蓋層，2 570 m高程以下為第二層，岸坡主要為第四系地滑堆積物，以上岸坡為崩坡積和殘坡積的碎石類土，平均厚度約8.5 m，下伏寒武系綠泥石石英片巖.

堆積體內(nèi)及附近未見地表水存在，潮濕現(xiàn)象僅在后部斷層部位偶見，水文地質(zhì)條件簡單.

3 松散堆積體穩(wěn)定性分析與評價(jià)

3.1 地質(zhì)宏觀判斷

從堆積體的破壞變形現(xiàn)象分析，堆積體并未發(fā)生明顯的變形跡象，拉張裂縫和塌滑僅發(fā)生于前部陡坎處，規(guī)模和范圍都較小.在暴雨期，堆積體前緣發(fā)生過小型塌滑，規(guī)模也較小.堆積體地處構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，在經(jīng)歷近期強(qiáng)震時(shí)，未出現(xiàn)明顯的變形和滑動(dòng)，保持穩(wěn)定.因堆積體前緣直達(dá)河床，發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞時(shí)，滑動(dòng)勢能較小，所以不會(huì)產(chǎn)生高速整體滑動(dòng)，破壞后果輕微.在后期即使堆積體產(chǎn)生整體滑動(dòng)，也不至于對大壩產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，對工程影響不大.綜合分析表明，考慮現(xiàn)狀及特殊條件工況，該堆積體可以初步判斷為整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，有可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞.若要最終斷定其整體穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究.

3.2 理論分析計(jì)算

根據(jù)岸坡地形地貌及地層巖性等特征，堆積體可能沿基覆接觸界面發(fā)生滑移破壞.由于堆積體整體規(guī)模較大，前后厚度差異大，所以需要對岸坡的整體和局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)，以最終確定堆積體整體穩(wěn)定性和可能的失穩(wěn)邊界［2］.

計(jì)算時(shí)沿主滑方向綜合考慮整體和局部兩種破壞方式，分別選取整體和局部兩個(gè)剖面進(jìn)行分析評價(jià).

3.2.1 計(jì)算方法及參數(shù)的選取

根據(jù)滑坡體的破壞類型，滑面為圓弧型和折線型，此次采用摩根斯頓－普賴斯法和不平衡推力傳遞法兩種方法進(jìn)行計(jì)算［3］.

滑帶土體物理力學(xué)指標(biāo)主要采取試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)值相結(jié)合的方法選取，堆積體和滑帶土的物理參數(shù)取值相同.選取的計(jì)算參數(shù)見表1［4］.計(jì)算區(qū)域?yàn)榈卣鸹玖叶娶鞫葏^(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g.

表1 滑體及滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值

3.2.2 局部及整體穩(wěn)定性評價(jià)

地震和暴雨作用是自然界中引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞的兩種極端工況，邊坡在這兩種工況下穩(wěn)定系數(shù)最小，穩(wěn)定性最差.因此，采用這兩種工況對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，即暴雨工況與地震工況.沿基覆界面折線型滑面的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，在這兩種工況下，局部穩(wěn)定系數(shù)為1.027 ～1.077，整體穩(wěn)定系數(shù)為 1.035 ～1.081，二者基本一致，堆積體處于欠穩(wěn)定狀態(tài).

3.3 數(shù)值法分析計(jì)算

3.3.1 本構(gòu)模型

此次模擬選用有限元法［5］(ANSYS軟件)計(jì)算，該方法適用于巖土體應(yīng)力－應(yīng)變分析.采用德魯克－普拉格(Drucker-Prager)巖石屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型［6］.此次摸擬計(jì)算的二維模型共有6 694個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 145個(gè)單元，模型劃分為八節(jié)點(diǎn)四邊形單元(PLANE82單元)［7］.離散化時(shí)，在基覆界線和覆蓋層部位進(jìn)行單元細(xì)分，以便對邊坡實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確地模擬.所建立的模型如圖1所示.

圖1 有限元離散化模型

3.3.2 計(jì)算方法

計(jì)算模型X軸沿主滑方向，指向岸坡;Y軸為豎直方向，方向向上.前后長400 m，前端為黑河溝谷，高程2 515 m，離散化深度為80 m;后部為山體基巖，高程2 705 m，離散化深度為270 m.

邊界條件:左右邊界受橫向約束(X向)，無水平位移;底部受橫向(X向)和垂向(Y向)雙向約束，無水平和豎直位移.地表荷載計(jì)算時(shí)考慮地面實(shí)際情況，道路荷載按20 kN/m靜荷載計(jì)，河水壓力取單寬水壓力，按靜力等效原則移置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上.

堆積體現(xiàn)狀為天然狀態(tài)，雨季受暴雨和河水影響較小，不受施工期水位和蓄水后的影響，因此僅選取天然工況+暴雨工況進(jìn)行計(jì)算分析.

根據(jù)前期勘查資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和類比其他工程，綜合給出了滑坡各組成巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，見表3.

表3 各巖土體物理力學(xué)參數(shù)

由圖2—4可知，邊坡應(yīng)力場的主要影響因素為重力場，在遠(yuǎn)離地表部位，最大主應(yīng)力值與重力接近，方向與重力場一致，最小主應(yīng)力近水平向;而在臨近坡面部位，主應(yīng)力的方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力與坡面近平行，最小主應(yīng)力趨于0 MPa，與坡面近垂直，并在坡體表層局部產(chǎn)生拉應(yīng)力.

基覆界面對應(yīng)力場的影響比較明顯.應(yīng)力場在其附近出現(xiàn)比較明顯的分異現(xiàn)象，分異的結(jié)果使得界面部位出現(xiàn)比較明顯的應(yīng)力集中或應(yīng)力增高帶(圖4)，同時(shí)在這些部位的附近區(qū)域相應(yīng)地出現(xiàn)比

3.3.3 結(jié)果分析

1)應(yīng)力分析.此處引入應(yīng)力狀態(tài)比用于分析單元的受力狀態(tài)，即試算應(yīng)力與屈服面應(yīng)力之比.當(dāng)此比值小于1時(shí)，材料處于彈性階段;當(dāng)此比值大于或等于1時(shí)，材料已經(jīng)屈服產(chǎn)生塑性應(yīng)變.單元應(yīng)力情況如圖2—5所示.較明顯的應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象.

由圖5可知，分析單元的應(yīng)力狀態(tài)比值可知，在覆蓋層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)比值較大，基本在0.75以上，其中最大比值可達(dá)3.50，出現(xiàn)在靠近基覆界面部位，并向外逐步擴(kuò)散;應(yīng)力狀態(tài)比值在基巖中不足0.30，數(shù)值較小.說明整個(gè)模型上部覆蓋層土體整體上都處于彈塑性變形階段，并以塑性變形為主.其中明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在前陡基覆界面較陡部位，下部巖體并未發(fā)生塑性變形，處于彈性變形階段.

2)應(yīng)變分析.各節(jié)點(diǎn)位移如圖6—8所示.

圖8 節(jié)點(diǎn)總體位移(單位:m)

由圖6—8可以看出，邊坡體的土體是發(fā)生變形的主要集中部位，而坡體的前端陡坎是發(fā)生顯著變形的主要部位，下伏基巖基本沒有發(fā)生水平向和豎向變形.其中，橫向變形量(水平位移)和縱向變形量(豎向位移)最大值發(fā)生在坡體的前端陡坎部位，最大變形量分別為9.9 mm和17.1 mm，并向四周發(fā)展形成一貫通區(qū)域.邊坡體的總位移量沿潛在底滑面由前向后逐漸減小.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在坡體的前端陡坎部位出現(xiàn)變形跡象，裂縫寬度為5～20 mm，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致.

4 結(jié)語

1)地質(zhì)宏觀判斷考慮現(xiàn)狀及極端工況，可初步判斷該堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，有可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞.

2)極限平衡理論分析計(jì)算結(jié)果顯示，從整體和局部兩個(gè)方面得出該堆積體在暴雨和地震兩種極端工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài).

3)數(shù)值法計(jì)算和分析得出邊坡體上覆土體處于彈塑性變形階段，以塑性變形為主，下部巖體處于彈性變形階段，并未發(fā)生塑性變形.顯著變形和應(yīng)力集中主要發(fā)生在前端陡坎部位，變形量與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)論基本一致.

4)從數(shù)值模擬得出的堆積體的變形現(xiàn)象和規(guī)律來看，模型的建立和計(jì)算分析基本反映出真實(shí)條件下堆積體的變形特征及分布規(guī)律，與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合.這說明數(shù)值計(jì)算模型能夠比較真實(shí)地反映堆積體實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果可靠、合理，能夠在此基礎(chǔ)上對堆積體的整體穩(wěn)定性及長期穩(wěn)定性做出較好的判斷和預(yù)測.

［1］黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.黃藏寺工程地質(zhì)專題報(bào)告［R］.鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2010.

［2］蘭雁，李日運(yùn)，樊敬亮，等.田灣核電站引水隧洞邊坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(22)，3818 －3823.

［3］施建勇.Soil Mechanics［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］盧廷浩.土力學(xué)［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2002.

［5］何滿潮.工程地質(zhì)數(shù)值法［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［6］王新榮，陳永波.有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［7］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

Stability Assessment on a Landslide Deposit Body in Huangzangsi Water Conservancy Project

HAN Xiao，LI Ri-yun，HUANG Yin-wei
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Taking a landslide deposit body in Huangzangsi water conservancy project for an example，the stability of landslide deposit body is analyzed in three ways，i.e.geological macro-judgment，stability calculation of limit equilibrium theory and numerical simulation.The results show the body has a good overall stability，and does not suffer overall instability，but possible to suffer the partial instability.Through comparing the numerical simulation results with the actual situation on site，the distortion phenomenon and rule of landslide deposit body numerically simulated is identical to the actual situation.

landslide deposit body;stability;geological macro-judgment;limit equilibrium theory;numerical simulation

1002－5634(2012)03－0086－04

2012－01－05

韓 嘯(1988—)，男，貴州安順人，碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性方面的研究.

李日運(yùn)(1963—)，男，山東招遠(yuǎn)人，副教授，碩士，主要從事工程地質(zhì)方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)