新龍水電站庫區(qū)傾倒變形體數(shù)值模擬分析

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(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司水工處，成都 610072;

2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031)

1 工程概況

新龍水電站位于四川省甘孜州新龍縣境內(nèi)的雅礱江上游河段干流上，是雅礱江上游梯級電站開發(fā)甘孜—新龍段4級開發(fā)中第4級，裝機(jī)容量240 MW，為二等大(2)型工程。本工程初擬采用瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程3 112.00 m，地面廠房位于右岸。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪(放空)建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。

受早期地殼抬升及巖體卸荷作用，在右岸近壩庫段存在傾倒變形體，分布范圍為順河長約1.4 km，橫河寬約170 m。根據(jù)傾倒變形強(qiáng)弱，可分為強(qiáng)傾倒變形和弱傾倒變形體。其中強(qiáng)變形巖體水平深度約30～50 m，初估方量約630萬 m3；弱變形體則約1 055 萬 m3；兩者合計約1 685 萬 m3。

在圍堰形成和水庫蓄水后，受地下水位升高、浸泡影響，變形體巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低，極易導(dǎo)致變形體邊坡失穩(wěn)，從而對大壩、泄洪(放空)洞、電站引水口等建筑物安全構(gòu)成威脅。因此基于新龍水電站上游右岸傾倒變形體現(xiàn)狀，研究變形體變形破壞特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、潛在滑面位置及失穩(wěn)模式，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算分析是非常必要的。

2 傾倒變形體基本特征

2.1 傾倒變形體地質(zhì)特征

新龍壩前傾倒變形體位于雅礱江右岸(見圖1)，下游側(cè)緣位于新龍水電站壩址Ⅱ勘探線上游約90 m，上游側(cè)緣位于相堆溝溝口；該傾倒變形體前緣位于河水面與公路之間，高程約3 060～3 070 m，緊鄰泄洪(放空)洞口及右岸渣場(Ⅰ級階地)；后緣覆于V級階地之下，分布高程約3 360～3 370 m；該傾倒變形體大部基巖裸露，地形上具有上緩下陡的特征，前后緣高差約300～310 m，水平分布深度20～80 m，一般40～60 m。

圖1 新龍右岸庫區(qū)傾倒變形體

該變形體由地表及里可分為強(qiáng)傾倒變形和弱傾倒變形。強(qiáng)、弱變形的最大特點是：地表明顯可見巖層傾倒變形現(xiàn)象，傾角變緩直至近水平(圖2(a))，勘探平洞內(nèi)明顯可見巖層彎曲、折斷現(xiàn)象，楔形縫發(fā)育，局部貫通(圖2(b))。從傾倒角度等特征看，強(qiáng)變形傾倒嚴(yán)重，強(qiáng)變形區(qū)又靠近斜坡表部，其松弛更為嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差。

變形彎曲、折斷現(xiàn)象變形體所在部位以砂、板巖為主，板巖板理極為發(fā)育，巖性較為軟弱，岸坡巖體陡立，且河谷走向多與巖層走向小角度相交，隨著雅礱江下切、地殼相應(yīng)抬升，使得岸坡巖體向臨空面方向發(fā)生傾倒—彎曲—拉裂—折斷，折斷面形逐漸形成潛在底滑面的過程。

傾倒變形體現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定，部分區(qū)域由于坡度較陡，后緣楔形縫普遍貫通，穩(wěn)定性較差，局部存在小規(guī)模失穩(wěn)可能。其穩(wěn)定性還受降雨、地震等因素影響，特別是新龍水電站水庫正常蓄水以及水庫水位升降導(dǎo)致巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)降低，對傾倒變形體穩(wěn)定性影響較大。

2.2 傾倒變形體分區(qū)

根據(jù)傾倒變形體發(fā)育特點及岸坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性，可分為A1,A2及B三個區(qū)，詳見圖3。

圖3 傾倒變形體分區(qū)圖

A1區(qū)分布于變形體下游段，順河長度約330 m，總體呈三角形狀分布，其強(qiáng)變形分布于整個坡體表面，弱變形分布較少，地形相對稍緩，該區(qū)同時屬于泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖區(qū)；A2區(qū)分布于變形體中段，順河長度約470 m，其強(qiáng)變形分布于公路以上一定高度，未分布在整個坡體表面，弱變形巖體普遍分布，地形相對較陡；B區(qū)分布于變形體上游段，順河長度約620 m，其強(qiáng)變形基本分布于整個坡體表面，厚度薄，弱變形厚度普遍分布。B區(qū)表部強(qiáng)變形體整體穩(wěn)定性良好，只是坡腳局部穩(wěn)定性較差，水庫蓄水后，坡腳可能會有局部小規(guī)模坍岸，且距離大壩相對較遠(yuǎn)，水庫蓄水后的坍岸對大壩安全運(yùn)行構(gòu)成的威脅相對較小。因此，對庫區(qū)傾倒變形體穩(wěn)定性分析主要側(cè)重A1和A2區(qū)。

3 傾倒變形體穩(wěn)定性分析

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353—2006)規(guī)定，對于重要的或工程地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡，可假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)或非連續(xù)介質(zhì)，采用數(shù)值方法計算分析邊坡的變形、穩(wěn)定和運(yùn)動形式[1]。

通過上述傾倒變形體基本地質(zhì)特征及分區(qū)，建立傾倒變形體離散元模型，反演邊坡傾倒變形體破壞發(fā)展過程，進(jìn)一步分析傾倒變形體的形成機(jī)制。

3.1 離散單元法模型及力學(xué)參數(shù)

3.1.1 離散單元法原理

離散單元法是分析離散介質(zhì)變形和運(yùn)動趨勢的有力工具，可以對由不同塊體構(gòu)成的整體進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的分析計算，各不同塊體之間通過接觸點的耦合而互相連接在一起。通常假定各不同巖石塊體為剛性，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總位移僅僅是由各接觸點(面)的變形所引起。三維離散元軟件3DEC為美國ITASCA公司所發(fā)展的應(yīng)用性程式，用離散單元法(Distinct Element Method DEM)寫成的數(shù)值分析程式，可以模擬三維節(jié)理巖體的行為[2]，其最大的特點在于可以處理大量的結(jié)構(gòu)面，這一特點對于分析巖質(zhì)邊坡是非常合適的。

3DEC數(shù)值模擬軟件是將巖體視為由許多的完整的巖塊所組成，各完整的巖塊被巖體中的不連續(xù)面分割而成，這些不連續(xù)面被視為巖塊的邊界。完整的巖塊可被模擬成剛體和可變形體。3DEC在模擬可變形巖塊的時候，將巖塊自動分割成許多次級塊體，每個次級塊體可配合巖體的材料和外力作用情況，計算巖塊的受力及應(yīng)力分布情況。在節(jié)理的模擬方面，主要根據(jù)位移-作用力法則，計算巖塊在節(jié)理面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，作為巖塊的應(yīng)力邊界條件，因此可模擬巖塊的大位移和轉(zhuǎn)動情況[3]。

綜上所述，采用離散元分析方法模擬新龍水電站庫區(qū)傾倒變形體變形破壞機(jī)理及其其失穩(wěn)變化過程是可行的[4]。通過建立邊坡離散元的數(shù)值計算模型，分析巖體傾倒變形特征及其穩(wěn)定性，對于指導(dǎo)工程開挖施工具有重要的工程實踐意義。

3.1.2 計算模型及邊界條件

考慮到模型的復(fù)雜性和建模的可行性，本計算模型在建立過程中對地質(zhì)原模型(圖4)進(jìn)行了一定的簡化，邊坡由地表及里可分為強(qiáng)傾倒變形、弱傾倒變形及正?；鶐r。本模型的長寬分別為500 m和350 m，高程3 000～3 296 m。

圖4 地質(zhì)剖面圖

在離散元計算中，一般將塊體切割成大量的有限差分三角形網(wǎng)格單元，一般而言，網(wǎng)格單元的尺寸越小，計算精度越高，但會占用更多的內(nèi)存和消耗更多的計算時間。單元尺寸的選取與模擬的目標(biāo)要匹配，此次模擬主要是研究變形體變形破壞特點，因此對強(qiáng)傾倒、弱傾倒區(qū)域劃分較細(xì)，單元尺寸均選取10.0m，而對強(qiáng)卸荷、正常巖層及覆蓋層選取15.0 m(圖5)。

圖5 三維地質(zhì)模型及單元網(wǎng)格

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。模型的計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服條件的彈塑性模型。對于3DEC需要的體積模量(K)和剪切模量(G)，采用下面公式計算：

式中：E為彈性模量；μ為泊松比。

3.1.3 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)壩址區(qū)巖體質(zhì)量分級及其配套參數(shù)，對傾倒變形體底滑面內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角取值進(jìn)行反復(fù)試算，再進(jìn)行因素敏感性分析，提出了針對A1和A2兩個不同區(qū)域的強(qiáng)、弱變形體潛在底滑面綜合取值。從坡面到坡內(nèi)，按傾倒變形強(qiáng)、弱變化，巖體層理面逐漸由變形傾倒的緩傾角變陡(即趨于正常層理)，層面傾角變化在15°～80°，優(yōu)勢節(jié)理面傾向坡外，傾角為38°～82°。巖土體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)具體見表1、表2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

新龍水電站壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震設(shè)計加速度取基準(zhǔn)期50 a內(nèi)超越概率10 %，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為148 gal。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)及計算工況

根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353—2006)關(guān)于邊坡分級及設(shè)計安全系數(shù)的規(guī)定，結(jié)合本工程規(guī)模、特點，確定泄洪(放空)洞工程邊坡及庫區(qū)邊坡均為二級，相對應(yīng)變形體邊坡安全系數(shù)取值見表3，其中A1區(qū)為工程邊坡，A2區(qū)為庫區(qū)邊坡。

表3 變形體邊坡安全系數(shù)取值

3.2.2 計算結(jié)果及分析

本次三維離散元數(shù)值模擬計算分析，選取代表性剖面(JD1剖面代表A1區(qū)，JD4剖面代表A2區(qū))，模擬2條剖面分別在蓄水前天然、暴雨、地震及蓄水后天然、暴雨、地震、水位驟降共計7種工況下邊坡的變形情況，并分析了邊坡的穩(wěn)定性。2條剖面在不同工況下的變形特征及穩(wěn)定性如表4所示(表中y方向為豎直重力方向，z方向為垂直于水流方向)，蓄水后地震工況計算結(jié)果簡圖，如圖6。

表4 不同工況邊坡最大位移及穩(wěn)定性初判

圖6 蓄水后地震工況下計算位移結(jié)果

三維離散元數(shù)值模擬結(jié)果表明：傾倒變形體邊坡在蓄水前天然工況下位移較小，主要為強(qiáng)傾倒變形體的頂部發(fā)生淺表層變形破壞，以崩塌落石為特點；在蓄水前暴雨及蓄水后所有工況下，由于水的參與作用，強(qiáng)傾倒變形體變形破壞為沿著強(qiáng)～弱傾倒體分界線蠕動，表現(xiàn)為滑坡性質(zhì)。由于地形原因，A2區(qū)的變形較A1區(qū)大，穩(wěn)定性A2區(qū)較A1區(qū)略差一些。從變形部位看，不管是A1區(qū)、還是A2區(qū)，變形均主要發(fā)生在強(qiáng)傾倒變形體內(nèi)。

從傾倒變形體的變形特征上來看(以地震工況為例)，邊坡變形體破壞主要位于強(qiáng)傾倒變形體中，弱傾倒變形體破壞不明顯。強(qiáng)傾倒變形體主要表現(xiàn)為向臨空面方向發(fā)生傾倒—彎曲—拉裂—折斷的變形破壞模式，先在坡腳及頂部發(fā)生剪切破壞，中間形成鎖固段，后剪切貫通整體下滑，有滑坡特性；此外，地震振動作用下巖體發(fā)生潰屈，又有崩塌特點(圖7)。

圖7 地震工況下邊坡失穩(wěn)模式

4 結(jié) 論

如上所述，就整個變形體而言，靠上游段B區(qū)整體穩(wěn)定性最好，下游段A1區(qū)穩(wěn)定性次之，而中部段A2區(qū)穩(wěn)定性最差，需要對其重點進(jìn)行邊坡治理措施。考慮到下游段A1區(qū)變形體與泄洪洞開挖邊坡直接相關(guān)，在工程施工時可對傾倒變形體直接清除或部分清除，對B區(qū)邊坡應(yīng)做好庫岸防沖刷、淘蝕防護(hù)工程。

針對A2區(qū)變形體邊坡治理加固設(shè)計，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗可采用削坡、壓腳、錨固等方法綜合治理，確保水庫運(yùn)行期內(nèi)岸坡穩(wěn)定；防治工程應(yīng)選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便的成熟技術(shù)，便于維護(hù)和管理；防治工程應(yīng)盡可能的美化生態(tài)環(huán)境，與自然景觀相協(xié)調(diào)；防治工程盡可能地考慮利用邊坡巖體自然強(qiáng)度，盡量避免或減輕擾動巖土體，導(dǎo)致局部應(yīng)力的變化。

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