庫岸邊坡研究方法

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710021)

庫岸邊坡研究方法

李珅熠賈二帥

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院陜西西安710021)

水庫庫岸失穩(wěn)是水利水電工程中常見的邊坡變形方式，水電站庫岸邊坡穩(wěn)定性問題與樞紐建筑，水庫淤積等直接相關(guān)。水巖作用對岸坡穩(wěn)定性有重大影響，水位上升及下降過程中，岸坡破壞概率較大。數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡問題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過程模擬以及穩(wěn)定性分析方面發(fā)揮了重要作用。對于邊坡穩(wěn)定性的研究可以分為地質(zhì)分析、數(shù)值模擬和物理模擬三種。

庫岸穩(wěn)定性;水位升降;水巖作用;數(shù)值模擬

一、邊坡研究的歷史發(fā)展

人們對邊坡穩(wěn)定性的關(guān)注和研究最早是從滑坡現(xiàn)象開始的。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初期,伴隨歐美資本主義國家的工業(yè)化而興起的大規(guī)模土木工程建設(shè)，出現(xiàn)了較多的人工邊坡，誘發(fā)了大量滑坡和崩塌，造成了很大的損失。這時，人們才開始重視邊坡失穩(wěn)對人類造成的威脅，并開始借用一般材料分析中的工程力學(xué)理論對滑坡進(jìn)行半經(jīng)驗、半理論的研究。早期對邊坡穩(wěn)定性的研究主要從兩個方面進(jìn)行，一是借用土力學(xué)中極限平衡的概念，由靜力平衡條件計算邊坡極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性；二是從邊坡所處的地質(zhì)條件、影響因素和失穩(wěn)現(xiàn)象上進(jìn)行對比分析[1]。

對岸坡穩(wěn)定性的重要性的認(rèn)識是隨著工程實踐逐步提高的。20世紀(jì)60年代以前，主要側(cè)重于土質(zhì)庫岸的塌岸研究。直到60年代初，法國60m高的馬爾帕塞薄拱壩，于1959年(蓄水后5年)，由于左壩頭沿片麻巖中的絹云母頁巖發(fā)生滑動，最終導(dǎo)致壩體破裂而失事；1963年瓦依昂滑坡引起涌浪超過壩頂150-250m，致使一村莊被毀，2600多人死亡，整個水庫變成一座石庫。這兩件駭人聽聞的災(zāi)難，向全世界的水庫建設(shè)者們敲響了警鐘：在高山峽谷區(qū)修建大壩時，必須十分小心岸坡的穩(wěn)定性。

20世紀(jì)70年代，邊坡研究者從大量的工程實踐和斜坡失穩(wěn)事件中，逐漸認(rèn)識到邊坡穩(wěn)定性研究必須重視其變形破壞過程和機(jī)制的研究，提出了累進(jìn)性破壞的觀點以及邊坡變形破壞的機(jī)制模式，使邊坡穩(wěn)定問題的研究工作步入了地質(zhì)分析和巖石力學(xué)分析相結(jié)合的時代。這期間，國內(nèi)學(xué)者通過國內(nèi)外大量的現(xiàn)場調(diào)研，深入研究了斜坡變形破壞演化機(jī)制的一般規(guī)律，提出了斜坡變形的6種主要模式，即蠕滑—拉裂、滑移—壓致拉裂、滑移—拉裂、彎曲—拉裂、塑流—拉裂和滑移—彎曲，以及斜坡失穩(wěn)的3種基本破壞方式，即崩落(塌)、滑落(坡)、(側(cè)向)擴(kuò)離[2]。

20世紀(jì)80年代,邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入了一個新的階段。這期間，在系統(tǒng)科學(xué)方法論的指導(dǎo)下，對邊坡巖體的賦存環(huán)境、坡體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、變形破壞機(jī)制、影響穩(wěn)定性的因素等進(jìn)行系統(tǒng)研究，形成了較為系統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性研究思路；邊坡變形破壞的地質(zhì)模式得到了進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，針對不同的地質(zhì)模式提出了一些相應(yīng)的穩(wěn)定性計算方法；數(shù)值和物理模擬手段被引入邊坡研究中，人們借助有限元法、離散元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗等再現(xiàn)邊坡變形破壞的全過程，從整體上、內(nèi)部作用機(jī)理等方面對邊坡進(jìn)行全面的認(rèn)識和評價；

近幾十年來，我國大興水利水電工程，長江三峽工程、金沙江溪洛渡水電站和龍羊峽水電站等重大工程的建設(shè)或論證遇到了前所未有的岸坡穩(wěn)定性問題。人們對岸坡問題也越來越重視，國家專門立項開展了工程邊坡穩(wěn)定性及其加固配套技術(shù)的研究。

二、岸坡研究的現(xiàn)狀

Gorbushina(1997)討論了水庫修建和運營對庫區(qū)滑坡的影響。Abam等對尼日爾Orashi河岸坡失穩(wěn)概率與河水位的變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，水位上升及下降過程中，岸坡破壞概率較大。

王士天等認(rèn)為水巖作用對岸坡穩(wěn)定性有重大影響[3]。水庫的修建，會引起地表水和地下水環(huán)境及其動力作用系統(tǒng)的重大變化，庫內(nèi)水力坡度和流速的顯著降低，使原有的河流侵蝕作用為庫底淤積和庫岸的浪蝕作用所代替。水環(huán)境的重大變化，不僅會加劇原有水巖作用的進(jìn)程，而且往往會引起一些新形式水巖作用的發(fā)展。這些作用，不是通過改變巖土體的狀態(tài)，就是通過改變其結(jié)構(gòu)或成分，不斷惡化巖土體的性質(zhì),最終導(dǎo)致巖土體因不能繼續(xù)保持與周圍環(huán)境的原有平衡態(tài)而使岸坡發(fā)生突躍式的災(zāi)變，從而達(dá)到與周圍環(huán)境的新平衡態(tài)[4]。

李天斌以金沙江溪洛渡水電站進(jìn)水口岸坡為研究對象，認(rèn)為巖體的淺表生改造是地質(zhì)體演化的一個重要階段。它以巖體的地質(zhì)建造和構(gòu)造改造為基礎(chǔ)，在區(qū)域性剝蝕和河谷深切過程中形成的淺表生結(jié)構(gòu)，又對邊坡巖體在重力場作用下的進(jìn)一步演化起著重要的控制作用。

數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡問題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過程模擬以及穩(wěn)定性分析方面發(fā)揮了重要作用。近年來,在計算方法、計算模型、軟件編制和巖土力學(xué)參數(shù)確定等方面都有了很大的進(jìn)展。目前，常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、流形元法、非連續(xù)變形分析法(DDA)以及各種耦合計算方法等。

巖土力學(xué)參數(shù)由過去的主要由實驗室試驗和現(xiàn)場試驗確定，發(fā)展到采用多種方法綜合確定，如數(shù)值反分析法、野外抽樣與統(tǒng)計推斷技術(shù)等。有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)特性研究的進(jìn)展，使得巖質(zhì)邊坡的數(shù)值計算結(jié)果更為可靠。目前，可以在計算機(jī)上模擬巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)，確定裂隙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，定量評價巖體的質(zhì)量、力學(xué)參數(shù),仿真模擬邊坡的應(yīng)力場、位移場、形成演化過程、人工開挖過程以及加固結(jié)構(gòu)的作用等。引入損傷、斷裂力學(xué)理論及大變形理論使數(shù)值計算結(jié)果更接近實際?？焖倮窭嗜詹罘址?Flac)、離散單元法(Dem)和非連續(xù)變形分析法(DDA)讓我們能夠考慮邊坡的大變形問題，在計算機(jī)上模擬邊坡運動的特征與失穩(wěn)過程等。

三、岸坡穩(wěn)定性研究方法

國內(nèi)外學(xué)者對于斜坡穩(wěn)定性的研究提出了各種不同的方法。歸納起來，對于斜坡穩(wěn)定性的研究可以分為地質(zhì)分析、數(shù)值模擬和物理模擬三種。

(1)地質(zhì)分析屬于反分析方法類。根據(jù)斜坡當(dāng)前狀態(tài)，所處的地質(zhì)環(huán)境以及當(dāng)前的變形破壞跡象來研究其變形破壞機(jī)制。

(2)數(shù)值模擬是依靠現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，將地質(zhì)學(xué)與數(shù)學(xué)結(jié)合起來，通過數(shù)值計算來解決地質(zhì)問題[5]。八十年代以來，隨著對材料性態(tài)、本構(gòu)模型研究的深入，數(shù)值計算理論水平的提高以及計算機(jī)軟硬件和圖形處理技術(shù)的長足發(fā)展，使得數(shù)值模擬技術(shù)更加完備、成熟和實用，得以廣泛采用。尤其是有限元法、邊界單元法、有限差分法、離散單元法和快速拉個郎日差分分析等。

(3)物理模擬是在實驗室按照一定的比例建造研究斜坡的物理模型，在相似規(guī)律條件下，研究模型的破壞機(jī)理及過程，進(jìn)而反推其破壞機(jī)理及過程。

[1]劉朋輝，王小非，劉利，滑坡演化過程分析[J].西部探礦工程.2007,(10):20～22

[2]張楠,許模.水庫庫岸滑坡成因機(jī)制研究[J].甘肅水利水電技術(shù).2011,47(1):19～22

[3]周保.黃河上游拉干峽一寺溝峽段特大型滑坡發(fā)育特征與群發(fā)機(jī)理研究[D].西安:長安大學(xué)，2010

[4]朱冬林,任光明,聶德新,葛修潤.庫水位變化下對水庫滑坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002(3):43～46

[5]余仁福.黃河上游岸坡穩(wěn)定與水電建設(shè)[J].地質(zhì)災(zāi)害與防治.1991,2(2):20～26

李珅熠(1991-)，男，碩士研究生，研究方向巖土工程。