黃河上游茨哈峽水電站4#傾倒體穩(wěn)定性研究

安曉凡, 李　寧,2

(1.西安理工大學 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048; 2.蘭州交通大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730070)

伴隨著我國水電站工程建設的發(fā)展,與其相關的邊坡工程對于水電站的安全施工和運行引起研究人員的廣泛關注。水電邊坡往往呈現(xiàn)出高、陡以及地質構造復雜的特征,邊坡的穩(wěn)定性和致災程度則主要受控于工程開挖、蓄水及滲透、泄洪雨霧等人為因素,特別是水的影響[1-2]。水電邊坡與其他工程(公路、鐵路、礦山等)邊坡的最大差別是有無庫水的影響,因此研究這類邊坡在與水相關的特定工況下的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

何滿潮等[3]按透水特性的不同將邊坡巖體分為透水體介質、隔水體介質和復合型介質,并分別討論了各介質的水力學作用方法。劉才華等[4]給出了考慮地下水影響的邊坡極限平衡計算方法。庫水位變化對岸坡的穩(wěn)定性產生直接影響,一些學者運用不同方法展開研究。郭志華[5]、廖紅建[6]、梁學戰(zhàn)[7]通過滲流計算研究庫水位變化和滲透系數(shù)對邊坡安全系數(shù)的影響。朱冬林等[8]基于實測資料預測滑坡在庫水位上升或下降的過程中,其穩(wěn)定性表現(xiàn)出先減小后增大的過程。董金玉等[9]考慮堆積體與基巖接觸帶介質的應變軟化,利用FLAC3D分析庫岸邊坡的變形破壞特征。劉曉麗等[10]將非連續(xù)變形分析(DDA)方法與離散裂隙網格(DNF)結合起來,提出一種用于研究滲流——應力共同作用下裂隙巖體的變形破壞特征的耦合模型。李邵軍等[11]基于離心模型試驗,模擬庫區(qū)邊坡在水位升降作用下的失穩(wěn)過程。李卓等[12]研制了降雨與庫水位共同作用下庫岸邊坡室內模型試驗裝置,對近壩庫岸邊坡進行了模型試驗。

本文從分析地下水對巖質高邊坡的影響機理入手,以茨哈峽水電站4#傾倒體為例,詳細剖析其工程地質條件。運用離散化的有限元方法分析水荷載作用下邊坡的變形特征,預測4#傾倒體在工程運行期可能發(fā)生的破壞模式。

1　地下水對巖質高邊坡影響機理

地下水對庫岸巖質邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為降雨和庫水位變化兩個方面。

1.1　降雨作用

降雨入滲對邊坡巖體的影響主要表現(xiàn)為:雨水對巖體的物理、化學作用和降雨入滲產生的力學效應。

雨水通過地表入滲到坡內抬高地下水位,使滑動帶巖土體發(fā)生飽水軟化,導致抗剪強度降低并促使滑移變形加劇。因此滑動帶巖土體的特性決定了降雨對坡體變形的影響程度。

層狀巖質邊坡的巖體強度主要由結構面控制,結構面在雨水條件下的物理性狀改變明顯,從而極大地降低了整個巖體的強度。同時,雨水的溶蝕作用也可能降低巖體的強度。在數(shù)值計算中,需要結合地質情況分析坡體不同類型巖石的軟化系數(shù),綜合考量對自然狀態(tài)下巖體強度參數(shù)的折減。例如:泥巖、頁巖的軟化系數(shù)可能小于0.5,甚至更低。

雨水在巖質邊坡內的滲透路徑通常沿結構面,滲流對巖體產生的力學作用表現(xiàn)為滲透壓力。如果坡體內結構面不貫通或長時間的強降雨導致巖體內部雨水無法順利排出,降雨入滲所產生的力學效應表現(xiàn)為雨水在結構面中的孔隙水壓力。這種力學作用對邊坡的穩(wěn)定往往是不利的,尤其是存在密集的、交錯的或者反傾向的結構面。

降雨對巖體的物理化學作用是不可逆的,而其力學效應是可逆的。本文通過對結構面巖土體的軟化(折減抗剪強度參數(shù)),以及考慮雨水在結構面中產生的孔隙水壓力(按照靜水壓力處理)兩方面,模擬降雨條件下邊坡的受力變形特征。

1.2　庫水位變化

庫水位升降過程中,巖體尤其裂隙發(fā)育的軟弱巖體受到水的擾動,強度普遍降低,且吸水性越強,強度降低越大。同時坡體內部的軟弱夾層、結構面、松散堆積體和基巖接觸帶巖體,受水浸泡時抗剪強度也會大幅度降低。此外,庫水位周期性的變化過程中,地下水滲流對邊坡巖體及滑面產生溶濾作用,使巖體及滑面的礦物成分發(fā)生變化,從而對巖土體的物理力學性質產生影響。

庫水位上升對邊坡巖體產生的力學效應主要表現(xiàn)為浮托力。浮托力對邊坡的穩(wěn)定性有正反兩方面的影響:一方面,庫水位上升導致坡體浸水體積增加,而且滑面上的有效應力減小使抗滑阻力減小,巖體飽水后部分滑體強度下降,對邊坡穩(wěn)定性產生不利影響;另一方面,浮托力使得滑體的有效重量減少,從而導致滑體的下滑力減小,反而有助于坡體的穩(wěn)定。因此,對于庫水位上升的影響不能一概而論,應針對具體工程的地質條件和巖體力學參數(shù)具體對待。數(shù)值計算中,浮托力的大小按公式(1)考慮。

F=γwAw

(1)

式中:γw為水的重度;Aw為浸潤線以下滑體飽水面積。

庫水位驟降對巖土體產生的力學效應主要表現(xiàn)為水頭差產生的滲透壓力。不同的滲透系數(shù)、浸潤線形狀、巖土體飽水面積所產生的滲透壓力對坡體穩(wěn)定性的影響都不盡相同。

因此,數(shù)值仿真分析中將水位以下巖體的抗剪強度值進行折減,容重采用浮容重。水位驟降時,通過在地下水位以下的巖體上施加體積力來模擬水對邊坡產生的滲透力,即動水壓力。本文采用平均水力坡降計算滲透力,平均水力坡降為浸潤線與滑體交點間連線的坡比,即圖1中的AB的斜率,滑體內部的總滲透力T為:

T=γwAwI

(2)

圖1　邊坡水力坡降示意圖Fig.1　Schematic diagram of hydraulic gradient

式中I為平均水力坡降。滲透力的作用方向沿平均水力坡降方向。本文在數(shù)值模擬分析中從簡化和安全的角度考慮,認為坡體的浸潤線為坡面線。然后再將滲透力分解到水平和鉛垂兩個方向以體積力的方式施加到滑體上,構建滲流——應力耦合數(shù)值分析。

2　工程地質特征

2.1　工程概況

擬建的茨哈峽水電站位于青海省海南州興?？h與同德縣交界處的茨哈峽峽谷,4#傾倒體位于大壩上游、黃河左岸。傾倒體前緣位于黃河水位以上,高程在2 785 m左右;傾倒體后緣位于左岸邊坡頂部,高程在3 050～3 100 m之間,整個傾倒體邊坡垂直高差在300 m左右,順黃河方向長近千米。在傾倒體中部發(fā)育多條規(guī)模不等的沖溝。整體地貌特征、傾倒體邊界及勘探洞位置見圖2。

圖2　4#傾倒體地形地貌特征Fig.2　Topography features of 4# toppling mass

該邊坡地層主要為三迭系中統(tǒng)第三巖組的一套巨厚的淺變質砂、泥質碎屑巖組成,巖性為薄層灰色板巖與灰綠色砂巖互層、局部為中～薄層砂巖夾板巖。在斜坡中上部出露少量印支期中酸性侵入巖脈(γ5)和第三系上新統(tǒng)(N2)地層,在斜坡頂部為第四系覆蓋。巖性統(tǒng)計結果:板巖占約48.5%,砂巖占約43.1%,砂板巖互層占約8.4%。

2.2　變形特征分析

4#傾倒體順河流方向長度大,邊坡的反傾層狀巖體存在偏向上游側傾倒變形的趨勢,由于歷時長因而變形程度明顯且差異性較大?？碧狡巾腺Y料顯示,坡體內部淺層巖體受不同程度傾倒變形以及風化卸荷的影響,大部分巖體拉裂、破碎成碎塊狀,穩(wěn)定性較差,多處發(fā)生小規(guī)模的垮塌變形。

除了表部發(fā)育多條沖溝以外,總體來說,該邊坡地形較為整齊,只有局部在暴雨情況下有小規(guī)模的滑動垮塌,整個邊坡并無明顯的大規(guī)模變形破壞跡象。坡頂?shù)匦纹骄?無拉裂縫發(fā)育,表明目前左岸4#傾倒體穩(wěn)定性較好。但是邊坡在施工開挖卸荷、后期庫水位上升(驟降)、暴雨等外荷載下,可能存在傾倒失穩(wěn)的可能。

見圖3,平硐內部巖體普遍拉裂變形,拉張裂隙張開寬度最大超過1 m,可以看到明顯的巖層折斷面,巖層產狀由NE55°NW∠70°～80°轉向NE55°NW∠35°～50°,但是未能觀察到明顯的滑動面。

圖3　PD54號平硐30 m處巖體呈碎裂-散體狀Fig.3　Fragmented rock mass at 30 m of PD54

以平洞和鉆孔中巖體傾倒深度為基礎,各剖面不同高程巖體傾倒水平深度見表1?？傮w來說,邊坡巖體的傾倒水平深度在70 m到160 m之間,并且隨著斜坡高程的增加,巖體的傾倒水平深度也逐漸增大,下游側巖體的水平傾倒深度略大于上游側。

表1　4#傾倒體不同高程傾倒水平深度Tab.1　Horizontal depth of toppling of 4# toppling mass at different heights

3　有限元穩(wěn)定性分析

3.1　離散化的有限元方法

傳統(tǒng)的有限元方法在分析巖體的大變形、不連續(xù)等特性時存在局限性。離散化的有限元是在傳統(tǒng)有限元程序FINAL[13]與ROCKS基礎上開發(fā)的,將傳統(tǒng)有限元與界面單元相結合,能夠模擬巖體的變形、滑移、翻滾等失穩(wěn)特性。

傳統(tǒng)的接觸面分析模型——Goodman節(jié)理單元[14]常用來模擬巖體中的斷層、剪切帶、結構面等不連續(xù)區(qū)域。但是由于引入了接觸面的虛擬法向和切向剛度,使得該接觸面單元在實際應用中受到很大限制。Katona[15]提出了一種不用剛度系數(shù)的摩擦型接觸界面單元來模擬兩物體間的滑動摩擦、張開和閉合過程,但這種單元采用的是常接觸力的二節(jié)點簡單單元,因此很難適應接觸面復雜的問題。Swoboda[16]在Katona的基礎上提出了一種新的界面接觸單元(COJO element),見圖4。此單元直接將接觸面上的法向、切向接觸應力作為附加未知量,克服了傳統(tǒng)的接觸單元的不足。同時能夠考慮接觸面的固定、滑動、張開三種接觸條件,并且收斂迅速,能很好模擬具有初始裂縫和無初始裂縫兩物體間的摩擦滑動、張開和閉合。

圖4　接觸界面單元模型Fig.4　Contact-interface element model

3.2　模型建立

本文選取4#傾倒體靠近上游側的2#剖面為研究對象,地質剖面見圖5。由圖5所示,中、高高程處(2 900～2 980 m)存在多條斷層及軟弱結構面,大部分傾向坡內,對邊坡巖體的穩(wěn)定性不起控制作用,但是對邊坡的變形破壞模式有較大影響。仍有少量弱面傾向坡外,這些弱面的相互組合可能會形成不穩(wěn)定塊體,甚至形成潛在的滑體。如平洞PD65洞內43 m處揭露的f18斷層,產狀NW354°∠30°,緩傾向坡外,斷層破碎帶寬度10～20 cm,充填巖屑、巖粉和黃色夾泥,膠結性較差。根據(jù)對邊坡地質條件及探洞、鉆孔等資料分析,建立相應剖面的概化模型見圖6。該模型以不同高程的傾倒深度作為可能的破壞底面(潛在滑動面1),即主滑面;f18斷層與后緣拉裂帶組合形成潛在滑動面2。

圖5　4#傾倒體典型地質剖面Fig.5　Typical geological section of 4# toppling mass

圖6　2#剖面幾何概化模型Fig.6　Geometric model of 2# section

圖7為離散化的有限元分析模型和坡表關鍵點分布示意圖。關鍵點號由坡頂?shù)狡碌追謩e為1～10。模型側邊界施加法向位移約束,底部邊界施加位移全約束,坡面為自由邊界。巖土體采用三角形六節(jié)點單元(LST),斷層及結構面采用3.1節(jié)所介紹的接觸界面單元。

圖7　有限元網格示意圖Fig.7　Diagram of finite element mesh

3.3　參數(shù)選取

根據(jù)巖體風化程度和巖性的不同,將邊坡的主要巖體類型分為Ⅱ類、Ⅲ2類、Ⅳ2類,巖體類型分區(qū)見圖8。巖體物理力學參數(shù)見表2,結構面參數(shù)取值見表3。水下巖體的軟化系數(shù)為:強風化巖體取0.60,弱風化巖體取0.72,基巖取0.85。計算中,水下巖體容重取飽和容重,彈性模量和抗剪強度參數(shù)c、tanφ按照軟化系數(shù)進行折減[17]。

圖8　邊坡巖體類型分區(qū)Fig.8　Rock mass partition of slope

類別巖土體類型容重/(kN/m3)彈性模量/GPa泊松比μ內摩擦角?/(°)粘聚力c/kPa微新巖體Ⅱ2652002951°1550弱風化巖體Ⅲ2251003344°900強風化巖體Ⅳ223403834°430第四系松散Q32308003835°400堆積物Q42306003032°300

表3　結構面計算參數(shù)Tab.3　Calculation parameters of structural plane

3.4　計算結果分析

庫水位上升工況水位由初始河流水位2 759.6 m逐步上升到正常蓄水位2 990.0 m,庫水位驟降工況水位由正常蓄水位2 990.0 m迅速下降到初期蓄水位2 925.0 m。通過分析邊坡在強降雨、庫水位上升及庫水位驟降條件下的受力、變形特征,綜合評價4#傾倒體的穩(wěn)定性。

圖9為各工況坡表關鍵點位移圖。能夠直觀看出,地下水的作用導致坡體變形明顯增加。尤其是庫水位驟降使得整個滑體水平向位移顯著增大,較驟降前平均增值高達60 mm(圖9(a))。

圖9　各同工況各關鍵點位移Fig.9　Displacement of key points in each condition

圖10為庫水位影響下邊坡的有限元網格變形圖。由圖10(a),水庫蓄水使得坡體內地下水位逐漸上升,巖體浸水軟化范圍增大,滑體底部變形較小,而上部變形相對明顯。邊坡后緣出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,錯動范圍20 mm左右,但滑動面單元未開裂。表明蓄水雖然對邊坡的穩(wěn)定性產生了一定程度的影響,但并未真正“威脅”到其安全性。

企業(yè)重組業(yè)務在納稅籌劃時要慎重選擇重組方案，如重組形式、支付方式、所得稅相關優(yōu)惠條款等，本文簡要介紹了重組業(yè)務納稅籌劃時應注意的方面，并以企業(yè)并購這一典型的業(yè)務重組活動為例，具體介紹納稅籌劃內容。

圖10　庫水位變化條件下有限元網格變形示意圖Fig.10　FEM mesh deformation under reservoir water level change

庫水位驟降對巖體變形的影響十分顯著。由圖10(b),邊坡中、高高程處存在數(shù)條傾角不同的反傾結構面,易與其他順層結構面組合,切割滑體形成不穩(wěn)定塊體。庫水位驟降時,除了坡體內地下水位陡降部分巖體浮托力消失使得有效重度增加,坡體內外的水頭差還導致巖體內地下水滲流運動產生一定的動水壓力。結構面的不利組合形式加之地下水的力學作用,導致滑體中、上部巖體表現(xiàn)出明顯的向臨空面傾倒變形的趨勢。邊坡后緣出現(xiàn)較大的拉裂縫和錯臺現(xiàn)象;坡腳處位移明顯,模擬滑動面的摩擦 ——界面單元普遍“滑動”。

圖11為各工況下邊坡的塑性區(qū)分布。表4為1#、2#滑面各工況所得安全系數(shù)。4#傾倒體中、高高程處巖體受反傾結構面的影響,其變形模式主要為傾倒變形,故各工況2#滑面的滑動安全系數(shù)均大于主滑面。

圖11　各工況邊坡塑性區(qū)分布范圍Fig.11　Distribution range of plastic zone of each condition

計算工況自然工況降雨工況庫水位上升庫水位驟降1#滑面1191041210882#滑面153126162092

降雨入滲使得巖體結構面的剪切強度降低,巖體內部孔隙水壓力增大,估安全系數(shù)較自然狀態(tài)有所降低,主滑面接近臨界失穩(wěn)狀態(tài)。暴雨工況下邊坡的塑性區(qū)范圍較自然狀態(tài)顯著增大,且集中在坡體中上部和結構面密集處(見圖11(b))。

庫水位上升條件下,各滑面安全系數(shù)較自然狀態(tài)略有增大。其原因是:雖然蓄水導致邊坡巖體浸水軟化范圍增大,但是浸水巖體受浮托力的影響,有效重度減小使得滑體的下滑力減小,反而有利于邊坡的穩(wěn)定。庫水位驟降時,各滑面安全系數(shù)急劇降低到1.0以下,塑性區(qū)貫通整個滑動面(見圖11(d)),邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。

綜上所述,4#傾倒體受巖體結構面組合形式和地下水變化的影響,表現(xiàn)出上部傾倒、下部滑移的變形特征。上部巖體的傾倒變形使得下部滑體的下滑力增大,而下部滑體的滑移開裂是由坡腳向內部巖體逐漸擴展的。因此,4#傾倒體的失穩(wěn)模式為牽引式傾倒破壞。

4　結　論

本文依托實際工程,結合工程地質特征與數(shù)值仿真分析,得出以下結論:

1) 離散化的有限元方法將傳統(tǒng)有限元與界面單元相結合,克服了傳統(tǒng)有限元方法的局限性,能夠較好的模擬邊坡巖體的變形、滑移、傾倒等失穩(wěn)特性。

2) 庫水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響不能一概而論,應針對具體工程進行分析,主要表現(xiàn)為巖體受到的浮托力和結構面參數(shù)的弱化。庫水位驟降使得巖體內部產生較大的動水壓力,對邊坡的穩(wěn)定非常不利。對于庫岸邊坡,應著重分析水位驟降時的穩(wěn)定性。

3) 茨哈峽水電站4#傾倒體為典型的反傾層狀巖質邊坡,自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性較好。但是受結構面不利組合形式和地下水作用的影響,邊坡在降雨和庫水驟降條件下可能會發(fā)生變形失穩(wěn)。其變形模式為上部傾倒、下部滑移的組合形式,失穩(wěn)模式為牽引式傾倒破壞,底滑面為邊坡穩(wěn)定的控制性結構面。

4) 針對于此類邊坡,應加強坡面防滲和坡體排水,降低巖體的孔隙水壓力。施工期應控制開挖坡度,對坡體前緣采取必要的加固措施,控制坡腳處的變形。

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