某水電站右壩肩傾倒變形邊坡三維離散元數(shù)值分析

胡亞東，肖燃，王劍梅

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610051）

1 引言

在國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略帶動(dòng)下，西南地區(qū)興起了一股水電開發(fā)的熱潮，同時(shí)，傾倒變形現(xiàn)象在小浪底、紫平鋪、錦屏、小灣、黃登、金川、苗家壩、虎跳峽等水電站的高陡邊坡工程建設(shè)中被揭露發(fā)現(xiàn)［1]，邊坡巖體傾倒變形的形成機(jī)制是陡傾坡內(nèi)的層狀、板狀巖體，在自重彎矩作用下，由前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，最終發(fā)生傾倒變形破壞［2－6]，其變形破壞過程一般為：卸荷回彈－傾倒蠕變、層內(nèi)拉張－切層張剪破裂、彎曲－折斷破裂、底部滑移－后緣深度折斷面貫通破壞4個(gè)階段［7]，由于傾倒變形邊坡一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞將會(huì)帶來巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡中的傾倒變形破壞研究就顯得尤為重要。

本文在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)測(cè)繪以及室內(nèi)巖體試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)右壩肩傾倒變形邊坡開挖后的大變形問題，采用三維離散元數(shù)值計(jì)算軟件3DEC，分析其位移變形特征，為后續(xù)支護(hù)措施的布置提供依據(jù)。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

該水電站右壩肩邊坡為傾坡內(nèi)層狀結(jié)構(gòu)邊坡，巖層走向與河谷走向近一致，受構(gòu)造作用影響，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶較為發(fā)育；受邊坡地形、巖體結(jié)構(gòu)組合關(guān)系、坡度、巖層傾角以及河流作用下，右壩肩邊坡表層巖體已產(chǎn)生了明顯的傾倒變形。

構(gòu)成邊坡的巖體主要為中侏羅系花開左組青灰色板巖、片巖，灰黑－灰黃色片巖及灰白－黃褐色變質(zhì)石英砂巖，在巖層面及裂隙中局部侵入石英脈，其中板巖、片巖主要表現(xiàn)為互層分布。板巖完整性較好，層厚約5～40 cm；片巖較破碎，手掰可斷，層厚約1～2 mm；變質(zhì)石英砂巖層間多充填白色全風(fēng)化石英脈，層厚約5～40 cm。邊坡正常巖體產(chǎn)狀為N15°W／SW∠80°～85°。

邊坡上游側(cè)發(fā)育有小溜槽溝，切割深度較深，溝內(nèi)巖體向臨空面卸荷變形強(qiáng)烈。高程1 360 m以上邊坡坡度約50°～60°，地形較陡，局部形成陡崖；高程1 360 m以下坡度約15°～35°，地形較緩（圖1）。

坡內(nèi)發(fā)育有空間延展性好且性狀差的F105、F102、F131、F145、F107、F161、F101、F146斷層。斷層寬度總體為0.2～1.0 m，F(xiàn)146斷層發(fā)育寬度較大，寬約5.0～6.0 m；斷層帶內(nèi)物質(zhì)組成主要為碎裂巖、泥、巖屑；斷層性質(zhì)除F107為緩傾坡內(nèi)張扭性斷層外，其余均為壓性（順層）斷層。

目前該邊坡坡腳部位局部已經(jīng)開挖至1 305 m，但在開挖過程中上部邊坡出現(xiàn)了較大變形，因而進(jìn)行了堆填壓腳處理，實(shí)際設(shè)計(jì)開挖至高程1 285 m（圖2）。

圖1 右壩肩邊坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 The engineering geological plan of right abutmentslope

圖2 右壩肩邊坡Ⅰ－Ⅰ′剖面圖Fig.2 Ⅰ－Ⅰ′cross－sectional view of right abutmentslope

3 邊坡模型建立與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型的建立

在三維離散元3DEC建模過程中，通過右壩肩邊坡Ⅰ－Ⅰ′剖面圖對(duì)應(yīng)的傾倒變形界限，將模型分為5個(gè)傾倒變形區(qū)，分別為A極強(qiáng)傾倒破裂區(qū)、B1強(qiáng)傾倒上段區(qū)、B2強(qiáng)傾倒下段區(qū)、C弱傾倒破裂區(qū)、未傾倒區(qū)，傾倒變形從極強(qiáng)傾倒破裂區(qū)到弱傾倒破裂區(qū)傾角逐漸變大，塊體大小逐漸變大；對(duì)于極強(qiáng)傾倒破裂區(qū)，本模型采用碎裂的塊體模擬。模型主要對(duì)邊坡開挖至下部堆填區(qū)的邊坡位移分析。本模型的長(zhǎng)寬分別為350 m、260 m，高程為1 250～1 650 m。本次計(jì)算所建立的模型如圖3，剖面如圖4，剖面走向67°。

圖3 三維離散元計(jì)算模型圖Fig.3 Three－dimensional discrete element model

圖4 三維離散元計(jì)算剖面圖Fig.4 Cross－sectional view based on three－dimensional DEM

3.2 邊界條件

模型的力學(xué)邊界條件采用前后（x方向）、兩側(cè)（z方向）和底面（y方向）約束。模型的計(jì)算采用莫爾－庫(kù)侖屈服條件的彈塑性模型。

3.3 巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)是影響邊坡坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是離散元軟件計(jì)算分析過程中最重要的內(nèi)容之一，在很大程度上決定了研究對(duì)象的變形破壞模式，同時(shí)也決定著邊坡位移變形量的大小。在本邊坡上，我們?cè)谝巴鈱?shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期勘查資料和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB50287－99）》以及對(duì)該邊坡巖體的大量的物理力學(xué)試驗(yàn)（包括攜剪、大剪等），通過總結(jié)分析與工程地質(zhì)類比，對(duì)巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行綜合取值。最后得到本文3DEC計(jì)算的巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值見表1、2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 2 Physical and mechanical parameters of the structural surface

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在上述邊界條件和巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)右壩肩邊坡3DEC模型進(jìn)行計(jì)算，得到邊坡開挖后總位移圖、邊坡開挖后剖面X方向位移圖、邊坡開挖后剖面Y方向位移圖、邊坡開挖后剖面Z方向位移圖、邊坡開挖后剖面位移矢量圖，可以很好的反映右壩肩邊坡在開挖后的位移變形特征，具體計(jì)算結(jié)果如圖5～圖9。

綜合分析以上位移變形計(jì)算結(jié)果，可以看出：

（1）如圖5所示，邊坡開挖后總位移自心墻邊坡到小溜槽溝逐漸增大，其位移值在1.0～7.0 m之間。而位于邊坡高程1 360 m開口線以上強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷區(qū)域內(nèi)的位移變形比較顯著，最大達(dá)到7.0～7.0 m的變形區(qū)域，該區(qū)域坡體易發(fā)生破壞。

圖5 邊坡開挖后總位移圖Fig.5 Total displacement after the slope excavation

圖6 邊坡開挖后剖面X方向位移圖Fig.6 Section displacement in X direction

圖7 邊坡開挖后剖面Y方向位移圖Fig.7 Section displacement in Y direction

圖8 邊坡開挖后剖面Z方向位移圖Fig.8 Section displacement in Z direction

圖9 邊坡開挖后剖面位移矢量圖Fig.9 Section displacement vector

（2）由圖6可以看出，邊坡開挖后剖面X方向位移值在1.25～4.77 m之間，坡表面的X方向位移指向坡外，說明該坡在X方向上的變形，其分布與傾倒變形界限密切相關(guān)，坡表面一定深度內(nèi)位移的突變都是沿著傾倒變形分區(qū)界面的，這與離散元中塊體變形運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性有關(guān)。總體而言，坡表位移相對(duì)較大，而內(nèi)部位移較小。從小圖①中可以看出，邊坡開挖后在重力作用下沿著強(qiáng)傾倒上段下覆界面向前剪切滑移，位移值約為1.75 m；小圖②反映極強(qiáng)傾倒區(qū)變形最為顯著，邊坡順傾倒界限向下滑移，部分巖塊在上部巖體擠壓作用下向坡外鼓出，最大位移達(dá)到4.77 m；小圖③可看出邊坡中上部高程1 450 m位置出現(xiàn)拉裂縫，拉裂縫豎直向下延伸。

（3）如圖7所示，邊坡開挖后剖面Y方向（豎直方向）位移主要受重力作用，位移值在0.25～4.21 m之間，最大位移值發(fā)生在極強(qiáng)傾倒區(qū)邊坡中上部位置，其相應(yīng)的位移值為4.21 m（紅色區(qū)域），Y方向邊坡變形破壞主要沿結(jié)構(gòu)面，臨空面處最為嚴(yán)重。隨著邊坡深度的增加，傾倒變形減弱，巖體質(zhì)量逐漸提高，邊坡位移也逐漸變小。

（4）如圖8所示，邊坡開挖后剖面Z方向（指向小溜槽溝）位移值在0.2～2.33 m之間，由于受小溜槽溝形成臨空面卸荷的影響局部發(fā)生突變，最大位移值在極強(qiáng)傾倒區(qū)底部坡腳處，位移為2.33 m，方向指向小溜槽溝，在此處有良好的臨空條件，Z方向位移由坡頂?shù)狡履_位移逐漸增大。

（5）圖9為邊坡開挖后剖面位移矢量圖，從位移矢量圖可以看出位移矢量方向沿傾倒界限，垂直巖層，在極強(qiáng)傾倒區(qū)前部位移矢量最大；邊坡開挖面位移矢量顯示淺表層變形運(yùn)動(dòng)明顯。

4 結(jié)論

運(yùn)用三維離散元數(shù)值計(jì)算軟件3DEC，對(duì)右壩肩邊坡的位移變形特征進(jìn)行分析，得到的主要結(jié)論如下：

（1）邊坡開挖后變形主要集中在開口線附近和坡體中上部。極強(qiáng)傾倒區(qū)變形最為顯著，最大位移發(fā)生在極強(qiáng)傾倒區(qū)前部，最大位移達(dá)到7.0 m，邊坡在該處易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（2）從剖面X、Y、Z方向位移圖可以看出，邊坡中上部高程1 450 m位置出現(xiàn)的拉裂縫，拉裂縫豎直向下延伸，極強(qiáng)傾倒區(qū)前部邊坡巖體有向下滑移趨勢(shì)，開挖面處邊坡在重力作用下沿結(jié)構(gòu)面向前鼓出。

（3）邊坡開挖后淺表層巖體變形位移較大，極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體可能發(fā)生剪切滑移破壞，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)采取相應(yīng)支護(hù)措施。

［1]李樹武.瀾滄江烏弄龍水電站壩址右岸大型傾倒體變形特征、成因機(jī)制及穩(wěn)定性研究［D].成都：成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

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