西南地區(qū)水電工程庫區(qū)邊坡的數(shù)值分析研究

游顯云，李青春，宋書志，趙小平

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

西南地區(qū)水電工程庫區(qū)邊坡的數(shù)值分析研究

游顯云，李青春，宋書志，趙小平

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

本文依托西南某水電工程所遇到的邊坡問題，根據(jù)勘查成果及工程地質(zhì)測繪，將變形體的復(fù)雜地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)值計算模型，基于數(shù)值分析方法，從量值上去分析變形體的變形及應(yīng)力狀態(tài)，從而更有針對性的去分析該邊坡變形體的應(yīng)力-應(yīng)變特征，探討變形體在不同水位及暴雨條件下的變形及應(yīng)力特征等。分析結(jié)果顯示：邊坡應(yīng)力狀態(tài)主要受重力場控制，總體上呈垂直—陡傾作用，邊坡淺表層最大主應(yīng)力方向近平行于坡面；在滑帶及附近，主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)受滑面的控制；在邊坡表層，巖體的最大主應(yīng)力量值較小，其最大剪應(yīng)力分布受滑帶的影響，其最大值出現(xiàn)在滑帶的底部剪出口附近；變形體邊坡的變形主要受重力場控制，在邊坡淺表層，邊坡前緣位移矢量朝著平行坡面的方向旋轉(zhuǎn)，而對于變形體后緣，以垂直變形為主，在變形體邊坡內(nèi)部，滑帶及滑帶土附近的巖體位移矢量方向明顯偏轉(zhuǎn)，且在四種工況分別影響下，蓄水水位的增加對邊坡變形的影響較小，而暴雨對邊坡變形的影響顯著。

水電工程；庫區(qū)邊坡；數(shù)值分析；計算工況；應(yīng)力-應(yīng)變場

1 概 述

數(shù)值方法作為近些年來研究邊坡工程的有效方法，能夠很好的計算邊坡的應(yīng)力-應(yīng)變場，為邊坡工程的未來發(fā)展趨勢提供判別，也為邊坡工程的支護(hù)設(shè)計提供參考。盡管如此，邊坡材料的不均勻性、材料參數(shù)獲取及過多的簡化條件和邊界條件等對數(shù)值計算的結(jié)果起著決定性的影響。近年來，在邊坡工程數(shù)值分析領(lǐng)域，依托有限元技術(shù)的發(fā)展，已取得較為豐碩的成果。諸如范文、俞茂宏等［1］通過數(shù)值分析手段，研究了層狀巖體邊坡變形破壞模式等。張宜虎、向文飛、張紅亮等［2-6］采用數(shù)值方法研究了邊坡裂隙巖體的變形特性、強(qiáng)度特性及尺寸效應(yīng)。Min K B等［7］采用二維UDEC分析了邊坡巖體的等效彈性性質(zhì)和滲透特性。Oda M、Long J C S和Witherspoon P A［8-10］利用邊坡裂隙巖體的分布特征，從數(shù)值和理論上研究了裂隙滲流及裂隙張量表達(dá)式。陳衛(wèi)忠等［11］利用邊坡裂隙統(tǒng)計分布規(guī)律及巖塊和結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性試驗成果，研究了不同尺寸、不同統(tǒng)計裂隙巖體的力學(xué)相應(yīng)特征、尺寸效應(yīng)、REV特征及各項異性特征等。

基于有限元數(shù)值分析，本文依托西南某水電工程所遇到的邊坡問題，根據(jù)勘查成果及工程地質(zhì)測繪，將變形體的復(fù)雜地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)值計算模型，從量值上去分析變形體的變形及應(yīng)力狀態(tài)，從而更有針對性地去分析該邊坡變形體的應(yīng)力-應(yīng)變特征，探討變形體在不同水位及暴雨條件下的變形及應(yīng)力特征等工程巖體力學(xué)問題。為邊坡的支護(hù)設(shè)計及穩(wěn)定性判斷提供依據(jù)。

2 地質(zhì)模型及介質(zhì)參數(shù)

2.1 地質(zhì)模型

圖1、2所示為變形體1-1剖面分別在原河水位1 235m及正常蓄水位1 330m時的地質(zhì)模型，根據(jù)勘查及測繪成果，邊坡的主要地層材料及分布位置：

（1）以灰?guī)r為主的塊碎石土，主要分布于邊坡中上部的覆蓋層上；

（2）鈣化物（溶塌角礫巖），主要分布于變形體下部；

（3）河流沖積物分布于河谷；

（4）變形體邊坡基巖由灰?guī)r及玄武巖構(gòu)成。此外，滑坡變形體的滑帶土由碎石土構(gòu)成。

2.2 地質(zhì)介質(zhì)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土體及巖體力學(xué)試驗成果，結(jié)合已有的工程實踐經(jīng)驗，確定數(shù)值計算邊坡介質(zhì)參數(shù)。此外，對于碎石土飽和狀態(tài)下的土體強(qiáng)度參數(shù)按0.9折減。本次數(shù)值分析介質(zhì)參數(shù)按表1取值。

3 數(shù)值計算模型及計算參數(shù)

3.1 數(shù)值計算模型

本次數(shù)值計算模型主要根據(jù)邊坡變形體主滑面1-1的工程地質(zhì)測繪成果而建立的二維有限元計算模型，建立的模型如圖3、4所示。

圖1 原河水位1 235m地質(zhì)模型

圖2 蓄水水位1 330 m地質(zhì)模型

圖3 1 235 m水位線計算模型

表1 西南某水電站庫區(qū)邊坡地質(zhì)介質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)

由于河谷巖體在新近地質(zhì)時期持續(xù)處于應(yīng)力卸荷松弛狀態(tài)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力量級水平較低，巖體變形主要為受重力場作用而產(chǎn)生的淺表層改造，因而計算時不考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用，即本次計算模型僅考慮重力場。為了重點反映滑坡變形體在重力場下所產(chǎn)生的變形及應(yīng)力特征，模型邊界未施加構(gòu)造應(yīng)力，水平方向采取X方向約束，垂直方向采取Y方向約束，約束邊界上的位移為零，邊坡表面為自由面。

計算模型的模型單元數(shù)：15 755；

模型分析容差：0.001。

3.2 計算工況

本次針對該邊坡變形體的數(shù)值計算分析的目的在于分析邊坡變形體在不同水位以及暴雨條件下的應(yīng)力及變形特征。因此，本次計算工況主要包括以下四種計算工況：

（1）1 235 m水位線＋天然工況；

（2）1 235 m水位線＋暴雨工況；

（3）1 330 m水位線＋天然工況；

（4）1 330 m水位線＋暴雨工況。

4 計算結(jié)果及分析

通過數(shù)值計算變形體邊坡應(yīng)力及應(yīng)變分布特征，其目的在于分析變形體應(yīng)力及應(yīng)變分布規(guī)律，從而更好的分析變形體邊坡的破壞模式及狀態(tài)。

4.1 計算邊坡應(yīng)力場特征

4.1.1 主應(yīng)力矢量圖

圖5所示為變形體的主應(yīng)力矢量計算結(jié)果，計算結(jié)果顯示：邊坡應(yīng)力狀態(tài)主要受重力場控制，總體上呈垂直—陡傾作用；邊坡淺表層最大主應(yīng)力方向近平行于坡面；在滑帶及附近，主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)受滑面的控制，在邊坡中上部與最大主應(yīng)力呈小角度相交，在邊坡底部主應(yīng)力方向與滑面近平行；在斜坡底部（河谷）部位巖體的最大主應(yīng)力呈水平分布。此外，在原河水位1 235 m＋天然工況、原河水位1 235 m＋暴雨工況、蓄水位1 330 m＋天然工況及蓄水位1 330 m＋暴雨工況四種工況條件下的變形體邊坡的主應(yīng)力矢量分布是相似的。

圖5 邊坡變形體主應(yīng)力矢量

4.1.2 最大主應(yīng)力σ1分布特征

原河水位1 235 m＋天然工況下，變形體邊坡最大主應(yīng)力σ1的分布特征如圖6（a）所示。計算結(jié)果顯示變形體邊坡內(nèi)部主應(yīng)力分布總體上受重力場控制，隨著邊坡橫縱深度越大，其最大主應(yīng)力在量值上呈增加的趨勢。在邊坡表層，巖體的最大主應(yīng)力量值較小，量值約0～0.46 MPa，明顯小于邊坡底部的最大主應(yīng)力量值。在變形體邊坡內(nèi)部，其最大主應(yīng)力分布受滑帶的影響。如在滑帶及周邊其最大主應(yīng)力的量值較高，約0～6.02 MPa，其最大值出現(xiàn)在滑帶的底部剪出口附近，量值可達(dá)6.02 MPa。從最大主應(yīng)力分布云圖上看，總體上滑帶下部的主應(yīng)力在量值上要高于中上部。

圖6（b）、6（c）及6（d）分別為原河水位1 235 m＋暴雨工況、蓄水水位1 330 m＋天然工況及蓄水水位1 330 m＋暴雨工況條件下的最大主應(yīng)力分布云圖。計算結(jié)果顯示，這三種工況下的主應(yīng)力分布特征與天然工況一致，均受重力場控制，差異在于量值的分布。如在邊坡淺表層，最大主應(yīng)力量值均呈低量值分布；在滑帶范圍內(nèi)，其最大主應(yīng)力分布區(qū)間分別為0.46～6.48 MPa、0～7.8 MPa及0.46～8.82 MPa；在底部剪出口，最大主應(yīng)力均達(dá)到最大，分別為6.48 MPa、7.8 MPa及8.82 MPa。計算結(jié)果表明，較天然工況，暴雨工況下的最大主應(yīng)力增加明顯，且蓄水后，位于蓄水水位以下的剪出口，其最大主應(yīng)力增加更為顯著。

圖6 邊坡變形體最大主應(yīng)力σ1分布特征

4.1.3 最大剪應(yīng)力τmax分布特征

原河水位1 235 m＋天然工況條件下變形體邊坡的最大剪應(yīng)力τmax分布特征如圖7（a）所示。計算結(jié)果顯示，在邊坡淺表層，巖體最大剪應(yīng)力呈低量值分布狀態(tài)，總體上在0～0.417 MPa區(qū)間內(nèi)分布。對于滑帶及周邊巖體，其最大剪應(yīng)力大于邊坡淺表部，約在0.417～2.91 MPa區(qū)間內(nèi)分布；在變形體滑帶上部，其量值約為0.417 MPa，而在變形體底部剪出口，其量值增加到2.917 MPa。

圖7 邊坡變形體最大剪應(yīng)力τmax分布特征

圖7（b）、7（c）及7（d）分別為原河水位1 235 m＋暴雨工況、蓄水水位1 330 m＋天然工況及蓄水位1 330 m＋暴雨工況條件下的最大剪應(yīng)力分布圖。計算結(jié)果顯示，這三種工況的最大剪應(yīng)力分布與前一工況的分布特征一致，區(qū)別在于其量值的差異。如在邊坡淺表部，都呈低量值分布；對于滑帶及周邊巖體，其量值區(qū)間分別為0.417～3.3 MPa、0.417～3.75 MPa及0.417～4.1 MPa；在邊坡底部剪出口，其量值依次為3.3 MPa、3.75 MPa及4.16 MPa。計算結(jié)果表明：暴雨工況下，邊坡體內(nèi)最大剪應(yīng)力增加顯著，且對比蓄水工況與暴雨工況，蓄水工況下的最大剪應(yīng)力增加更為明顯。

4.2 計算邊坡應(yīng)變場特征

主要通過分析計算模型的位移矢量圖及位移云圖分析變形體邊坡的變形特征，計算結(jié)果如圖8、9所示。

圖8為變形體邊坡的位移矢量圖，變形體邊坡的變形主要受重力場控制。在邊坡淺表層，受邊坡地形條件的影響，邊坡前緣位移矢量朝著平行坡面的方向旋轉(zhuǎn)，表明水平運(yùn)動趨勢呈增加趨勢，而對于變形體后緣，其位移矢量呈豎直方向特征，表明變形體后緣淺表層土體的變形以垂直變形為主。在變形體邊坡內(nèi)部，滑帶及滑帶周邊，巖土體的位移矢量方向受控于滑帶的影響顯著，體現(xiàn)為滑帶及滑帶土附近的巖體位移矢量方向明顯偏轉(zhuǎn)，呈近平行于滑面。此外，四種工況下，位于變形體前緣的滑體位移變形量明顯大于變形體后部的滑坡體變形，表明金廠壩滑坡變形體的滑移機(jī)制為前部變形大于后部，這與變形體的應(yīng)力分布特征是一致的。

圖8 變形體邊坡位移矢量

圖9 變形體邊坡位移云圖

圖9所示為變形體邊坡的位移云圖，計算結(jié)果顯示，變形體邊坡的變形部位主要集中于邊坡淺表層，其中前緣的變形主要受控于滑面的影響，而對于邊坡后緣，其變形主要在于變形體的垂直壓縮變形。且在四種工況分別影響下，蓄水水位的增加對邊坡變形的影響較小，而暴雨對邊坡變形的影響顯著。

5 結(jié) 論

根據(jù)勘查測繪成果，根據(jù)邊坡變形體主滑面的1-1斷面建立有限元數(shù)值計算模型，采用有限元數(shù)值計算方法，分析庫區(qū)邊坡在四種工況下的應(yīng)力及應(yīng)變特征。其主要結(jié)論有以下幾點：

（1）邊坡應(yīng)力狀態(tài)主要受重力場控制，總體上呈垂直—陡傾作用；邊坡淺表層最大主應(yīng)力方向近平行于坡面；在滑帶及附近，主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)受滑面的控制，在邊坡中上部與最大主應(yīng)力呈小角度相交，而且在邊坡底部主應(yīng)力方向與滑面近平行。

（2）通過對變形體邊坡的最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力的分析，表明在邊坡表層，巖體的最大主應(yīng)力量值較小。在變形體邊坡內(nèi)部，其最大剪應(yīng)力分布受滑帶的影響，其最大值出現(xiàn)在滑帶的底部剪出口附近。在蓄水及暴雨工況條件下，其量值均有所增加，且蓄水因素較暴雨因素影響顯著。

（3）位移矢量計算結(jié)果顯示，變形體邊坡的變形主要受重力場控制，在邊坡淺表層，受邊坡地形條件的影響，邊坡前緣位移矢量朝著平行坡面的方向旋轉(zhuǎn)，表明水平運(yùn)動趨勢呈增加趨勢，而對于變形體后緣，其位移矢量呈豎直方向特征，以垂直變形為主。在變形體邊坡內(nèi)部，滑帶及滑帶土附近的巖體位移矢量方向明顯偏轉(zhuǎn)，呈近平行于滑面。且在四種工況分別影響下，蓄水水位的增加對邊坡變形的影響較小，而暴雨對邊坡變形的影響顯著。

因此，通過上述四種工況下的邊坡變形的數(shù)值分析結(jié)果，可以獲取邊坡的應(yīng)力及應(yīng)變場的分布特征，進(jìn)而對邊坡的穩(wěn)定判斷、治理設(shè)計等提供依據(jù)，這也對節(jié)約水電工程投資具有重要的意義。

［1]范文，俞茂宏，李同錄.層狀巖體邊坡變形破壞模式及滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000（04）.

［2]張宜虎.巖體等效水力學(xué)參數(shù)研究［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2006.

［3]唐輝明，張宜虎，孫云志.巖體等效變形參數(shù)研究［J］.地球科學(xué)—中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2007，32（3）：389-396.

［4]張紅亮.節(jié)理巖體變形與強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)及REV問題研究［D］.武漢：中國科學(xué)武漢巖土力學(xué)研究所，2007.

［5]向文飛.裂隙巖體表征單元體積力學(xué)特性尺寸效應(yīng)研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

［6]Min K B，Jing L R.Numerical determination of the equivalent elastic compliance tensor for fractured rock masses using the distinct elementmethod［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40（6）：795-816.

［7]Min KB，Rutqvist J，Tsang CF，etal.Stress-dependentpermeability of fractured rock masses：a numerical study［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，2004，41（7）：1191-1210.

［8]Oda M.Permeability tensor for discontinuous rock masses［J］. Geotechnique，1985，35（4）：483-495.

［9]Long L C S，Witherspoon PA.The relationship of the degree of interconnection to permeability in fractured networks［J］.Journal of Geophysical Research，1985，90（B4）：3087-3097.

［10]Witherspoon P A，Wang JC Y，Iway K，et al.Validity of cubic law for fluid flow in a deformable rock fracture［J］.Water Resources Research，1980，16（6）：1016-1024.

［11]陳衛(wèi)忠，楊建平，鄒喜德，等.裂隙巖體宏觀力學(xué)參數(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（8）：1569-1575.

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1003-9805（2015）04-0031-05

2015-6-29

游顯云（1961-），男，四川領(lǐng)水人，高級工程師，從事水電工程地質(zhì)勘察工作。