某水庫工程邊坡穩(wěn)定分析

帕爾哈提·艾則孜

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

克拉瑪依市位于我國西北部邊陲，常年干旱缺水、人民群眾引水困難，水資源短缺嚴(yán)重制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了緩解當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娙彼F(xiàn)狀，保障地區(qū)工業(yè)發(fā)展需水和進(jìn)一步促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在準(zhǔn)格爾沙漠北部，開工建設(shè)了一座以農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水為主、兼顧防洪的具有綜合開發(fā)任務(wù)的?。?）型水利樞紐工程。水庫建成后，將年新增工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水水量1611萬m3，年保障農(nóng)業(yè)灌溉供水量3964.72萬m3，調(diào)蓄洪水可將水庫下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)由目前的不足5年一遇提高到10年一遇，減少洪水對下游的危害，同時(shí)將有效滿足新增工業(yè)供水的需求，為新型工業(yè)化建設(shè)提供水資源保障。該水庫兩岸山體陡峻，開挖難度大，易產(chǎn)生滑坡坍塌等邊坡地質(zhì)災(zāi)害。本文針對工程不同部位邊坡的特性及破壞型，采用彈塑性有限單元法對具有代表性的大壩左岸邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬。

1 邊坡地質(zhì)條件

水庫壩址區(qū)為地質(zhì)條件為粉砂質(zhì)粘土巖，山體相對平緩，岸坡一般25°～35°，材料分區(qū)從上到下依次為P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，除 S1sh 及 O2sh+b 層以中硬的灰?guī)r、砂巖為主外，其余各層主要為頁巖、粘土巖及泥質(zhì)粉砂巖，巖石軟弱，易風(fēng)化，其中，兩岸強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚5 m～17 m，河床強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚6 m～10 m。在P1m、P1q層中，據(jù)地質(zhì)測繪與調(diào)查，兩岸地表長大裂隙共計(jì)135條。長度一般為10 m～30 m，大于30 m的占極少數(shù)，其發(fā)育方向主要有兩組，即 270°～300°，301°～330°組。多為陡傾角裂隙，溶蝕、卸荷張開，裂隙優(yōu)勢走向與谷坡走向近平行，卸荷作用明顯。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定分析方法較多，一般根據(jù)邊坡類型、滑移機(jī)制、邊坡變形與穩(wěn)定控制要求等進(jìn)行選擇。針對工程不同部位邊坡的特性及破壞型式，大壩區(qū)邊坡巖體上硬下軟，采用彈塑性有限單元法對水庫大壩左岸邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬，對邊坡的應(yīng)力狀態(tài)、變形及屈服情況進(jìn)行分析；同時(shí)，采用離散單元法對可能的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析，并對其整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

2.1 彈塑性有限單元法邊坡穩(wěn)定分析

2.1.1 荷載

a.邊坡巖體自重；

b.開挖過程中的荷載：由開挖卸荷產(chǎn)生。

水庫工程區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較低，初始應(yīng)力主要由自重產(chǎn)生，所以初始應(yīng)力場按自重進(jìn)行模擬。區(qū)域天然情況地下水較低，對邊坡穩(wěn)定分析時(shí)未考慮地下水的影響。

2.1.2 巖體力學(xué)參數(shù)

計(jì)算中所用到的巖體力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查報(bào)告中的數(shù)據(jù)，卸荷帶巖體力學(xué)參數(shù)按卸荷帶外巖體的0.6倍進(jìn)行計(jì)算[1-2]。巖體材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。計(jì)算斷面內(nèi)材料分區(qū)從上到下依次為P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，各巖層靠近臨空面附近均存在一定范圍的卸荷帶。

因?yàn)樾逼卤砻娓浇鄬λ缮⒌膲K基本上在挖掘范圍之內(nèi)，這些松散塊的局部穩(wěn)定性在計(jì)算模型中不被考慮，而被認(rèn)為是均勻連續(xù)體。整個(gè)計(jì)算與邊坡的整體穩(wěn)定性有關(guān)[3]。

2.1.3 計(jì)算工況

選擇大壩左岸邊坡斷面進(jìn)行計(jì)算，按照天然情況（自重應(yīng)力場）及邊坡開挖，不考慮系統(tǒng)錨固措施兩個(gè)工況進(jìn)行應(yīng)力模擬分析。

2.1.4 計(jì)算結(jié)論

a.邊坡巖體的位移場主要是由開挖應(yīng)力釋放和調(diào)整引起的。開挖完成后最大水平位移3.8 cm，位于464.0 m高程；最大鉛直位移3.1 cm，位于428.00 m高程。位移矢量見圖1。

圖1 開挖后位移矢量

b.開挖完成后位移矢見圖1，垂直開挖附近的主應(yīng)力（第一主應(yīng)力）方向接近于垂直開挖方向，主壓力應(yīng)力方向改為拉伸應(yīng)力方向，主要的拉伸應(yīng)力為0到0.90 MPa。二次主應(yīng)力（第三主應(yīng)力）方向接近平行開挖面方向，基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在邊坡開挖臺(tái)階的拐角處，應(yīng)力集中程度不同，地表附近的最大壓力應(yīng)力值約為3.4 MPa。

c.在自重作用下邊坡在坡腳部位具有一定范圍的壓剪屈服區(qū)（見圖2），開挖后屈服區(qū)分布見圖3。與自重情況相比，在坡腳部位屈服區(qū)往深度方向有一定程度的發(fā)展，但各級坡均未現(xiàn)貫通屈服區(qū)，因此，邊坡整體是穩(wěn)定的且有一定安全余度。

圖2 自重工況屈服區(qū)

圖3 開挖后屈服區(qū)

2.2 離散單元法失穩(wěn)破壞模式分析

2.2.1 模型概化

根據(jù)巖體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、層間位錯(cuò)和裂隙，將邊坡巖體劃分為塊體，構(gòu)成離散單元的計(jì)算網(wǎng)格。塊通過切線、正常Springs、切線和普通阻尼器連接。塊的力的大小和方向是由塊的相對位置和運(yùn)動(dòng)決定的[4]。

考慮到實(shí)際裂縫分布具有一定的連接率，離散單元法將邊坡劃分為連接率為100%的單元[5]。因此，應(yīng)考慮單元的結(jié)構(gòu)面參數(shù)的實(shí)際連接率，并選擇巖體的加權(quán)平均值和結(jié)構(gòu)面參數(shù)?？紤]到巖體一旦產(chǎn)生滑動(dòng)粘結(jié)強(qiáng)度，其內(nèi)聚度取結(jié)構(gòu)面本身的值，通過加權(quán)公式減小強(qiáng)度指數(shù)f：

式中：f為加權(quán)后的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)；f1為巖體強(qiáng)度指標(biāo)；f2為結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)；Φ為連通率。

按上式取75%的連通率根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行概化得到計(jì)算中使用的巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

裂隙的線剛度無實(shí)測值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取塊體之間彈簧的法向和切向線剛度均為10 GPa。

2.2.2 開挖邊坡安全系數(shù)定義

分析開挖邊坡穩(wěn)定安全性的方法如下：模擬邊坡在自重及開挖卸荷作用下穩(wěn)定后，按比例降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，直到邊坡有比較大的滑坡或特別大的位移發(fā)生，據(jù)此來評價(jià)邊坡的穩(wěn)定安全性?？梢远x邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)如下：

式中，fcr、ccr為結(jié)構(gòu)面的臨界摩擦系數(shù)和凝聚力；f、c為結(jié)構(gòu)面的初始摩擦系數(shù)和凝聚力。

離散單元法尚無可遵循的規(guī)范，其安全系數(shù)的定義不同于剛體極限平衡法，故其對邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)亦不能套用極限平衡法允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.3 計(jì)算網(wǎng)格

據(jù)該斷面所揭示的斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、層面及相對發(fā)育的節(jié)理裂隙進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4網(wǎng)格較密，表示節(jié)理裂隙十分發(fā)育；圖5網(wǎng)格稀疏近一倍，表示裂隙節(jié)理不十分發(fā)育，或邊坡經(jīng)加固后巖體完整性得到提高。

圖4 離散元密網(wǎng)格

圖5 離散元稀網(wǎng)格

2.2.4 計(jì)算成果

a.當(dāng)節(jié)理裂隙十分發(fā)育時(shí)，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。對于節(jié)理裂隙不十分發(fā)育，或邊坡經(jīng)過支護(hù)加固處理巖體完整性得到提高后，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到2.5以上。

b.開挖邊坡與自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)基本相同，均不小于1.25。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，下部軟巖的開挖引起坡腳滑動(dòng)。因此，對上部已開挖邊坡必須支護(hù)完畢后才能對下部軟巖進(jìn)行開挖。

c.在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)失穩(wěn)，深層巖體仍保持穩(wěn)定。失穩(wěn)破壞形態(tài)見圖6和圖7。

圖6 密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降至初始值0.6倍破壞形態(tài)

圖7 稀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降至初始值0.4倍破壞形態(tài)

3 結(jié)論

彈塑性有限單元法對邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬，對邊坡的應(yīng)力狀態(tài)、變形及屈服情況進(jìn)行分析：邊坡巖體的位移場主要是由開挖引起的應(yīng)力釋放和調(diào)整引起的。開挖完成后，開挖面附近的主應(yīng)力方向接近豎直開挖面的方向，主應(yīng)力的局部方向由主應(yīng)力方向向主拉應(yīng)力方向變化。亞主應(yīng)力方向接近平行開挖面方向，基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在邊坡開挖臺(tái)階的拐角處，有不同程度的應(yīng)力集中。在自重作用下邊坡在坡腳部位具有一定范圍的壓剪屈服區(qū)，與自重情況相比，在坡腳部位屈服區(qū)往深度方向有一定程度的發(fā)展，但各級坡均未現(xiàn)貫通屈服區(qū)，因此，邊坡整體是穩(wěn)定的且有一定安全余度。

采用離散單元法對可能的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析，并對其整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)：當(dāng)節(jié)理裂隙十分發(fā)育時(shí)，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。開挖邊坡和自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)相當(dāng)，左岸自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，下部軟巖的開挖引起坡腳滑動(dòng)。因此，對上部已開挖邊坡必須支護(hù)完畢后才能對下部軟巖進(jìn)行開挖。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)失穩(wěn)，深層巖體仍保持穩(wěn)定。