基于漸進(jìn)微震損傷效應(yīng)的蓄水期庫(kù)岸穩(wěn)定性分析

劉興宗　唐春安　李連崇　孫潤(rùn)

摘要：大崗山水電站自2014年12月開(kāi)始蓄水，至2015年11月庫(kù)區(qū)水位從975m升至1130m。水電站右岸邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育有輝綠巖脈、卸荷裂隙帶和斷層等不良地質(zhì)體，降低了巖體性狀，使右岸邊坡在蓄水期存在局部或整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)右岸邊坡實(shí)施微震監(jiān)測(cè)，獲得了蓄水過(guò)程中右岸邊坡微破裂的演化規(guī)律。結(jié)合微震監(jiān)測(cè)信息，應(yīng)用三維巖石真實(shí)破裂過(guò)程分析方法（RFPA3D-Centrifuge）計(jì)算蓄水期右岸邊坡在漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)下安全系數(shù)隨庫(kù)水位升高的變化過(guò)程。經(jīng)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)隨庫(kù)水位升高而降低，庫(kù)水位升高對(duì)邊坡穩(wěn)定性有不利影響。最終安全系數(shù)為1.76，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明蓄水過(guò)程中邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定;水庫(kù)蓄水;微震監(jiān)測(cè);微震損傷效應(yīng);漸進(jìn)性損傷;大崗山水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.026

文章編號(hào)：1001-4179（2019）03-0151-05

水庫(kù)型滑坡90%左右與水有關(guān)，其中與庫(kù)水位變動(dòng)有關(guān)的滑坡比例非常高[1]。Jones研究了Roosevelt湖附近1941～1953年發(fā)生的一些滑坡，其中49%發(fā)生在蓄水初期，30%發(fā)生在水位驟降的情況下，發(fā)生在其他時(shí)間段的滑坡通常比較微小[2]。在日本，大約60%的水庫(kù)滑坡發(fā)生在庫(kù)水位驟降時(shí)期，其余的40%發(fā)生在水位上升期，包括蓄水初期[3]。在我國(guó)，統(tǒng)計(jì)資料表明，庫(kù)岸失穩(wěn)破壞發(fā)生在庫(kù)水位上升期的約占40%～49%，發(fā)生在水位消落期的約占30%，而一些大型滑動(dòng)則往往發(fā)生在庫(kù)水位達(dá)到最高峰后的急劇消落時(shí)刻[4]。由此可見(jiàn)，庫(kù)水位變動(dòng)對(duì)岸坡的穩(wěn)定性具有極為不利的影響。在庫(kù)水位變動(dòng)引起邊坡失穩(wěn)的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析[5]、原位觀測(cè)和試驗(yàn)[6-7]、數(shù)值模擬等方法取得了豐碩成果[8-12]。大崗山水電站壩址區(qū)處于由多個(gè)斷裂切割的斷塊上，樞紐區(qū)河谷呈“V”形峽谷，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然邊坡坡度40°～65°，相對(duì)高差一般在600m以上。樞紐區(qū)巖體主要為中粒花崗巖，另外有輝綠巖脈（β5，β43，β62，β68，β83，p85）、破碎的花崗巖脈（γL5，γL6）、閃長(zhǎng)巖脈等脈巖穿插發(fā)育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，大崗山水電站右岸邊坡除輝綠巖、花崗巖等巖脈外，分布有——條主要斷層（f231）和兩條大型深部卸荷裂隙帶（XL-316，XL-915）。在右岸邊坡開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)若干條宏觀裂縫，且多次發(fā)現(xiàn)巖體沿卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231的變形錯(cuò)動(dòng)。為了抑制結(jié)構(gòu)體變形，采用微膨脹混凝土回填抗剪洞置換處理軟弱結(jié)構(gòu)體的加固方法，在右岸邊坡1240，1210，1180，1150，1120m及1060m高程布置抗剪洞。大崗山水電站右岸邊坡代表性地質(zhì)截面如圖1所示，復(fù)雜的地質(zhì)條件使右岸邊坡在蓄水期存在局部或整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，所以在已有的常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，引入了加拿大ESG生產(chǎn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行蓄水期巖體微破裂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。本文通過(guò)微震監(jiān)測(cè)成果，分析了蓄水過(guò)程中大崗山水電站右岸邊坡的微破裂演化規(guī)律。在徐奴文等的工作基礎(chǔ)上[13]，提出了更能體現(xiàn)蓄水過(guò)程中邊坡巖體狀態(tài)調(diào)整的漸進(jìn)性微震損傷模型。通過(guò)巖石真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件RFPA3D-Centrifugue進(jìn)行考慮漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，從而對(duì)大崗山水電站右岸邊坡蓄水期穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

1蓄水期右岸邊坡微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

大崗山水電站初次蓄水工作分為3個(gè)過(guò)程：2014年12月30日至2014年12月31日導(dǎo)流洞下閘蓄水，水位從975m.上升至1005.36m;2015年5月29日至2015年7月4日導(dǎo)流底孔下閘蓄水，水位從1015.18m.上升至1120m;2015年8月15日之后，水位在1120m至1130m之間波動(dòng)。蓄水過(guò)程中，右岸邊坡內(nèi)共監(jiān)測(cè)到51個(gè)有效微震事件，微震事件的時(shí)空分布如圖2所示。事件球的大小代表微破裂釋放的能量大小;圖2除了體現(xiàn)邊坡表面之外，還顯示了邊坡內(nèi)的交通洞、與大壩相連的廊道和抗剪洞，其中抗剪洞用淺藍(lán)色線條表示，并標(biāo)注了其所在高程。不難發(fā)現(xiàn)，51個(gè)微震事件都出現(xiàn)在2015年5月29日至2015年7月4日期間，這與該段時(shí)間內(nèi)的水位變化有直接關(guān)系。2015年5月30日至6月5日期間，在輝綠巖脈β68，β83，β85周?chē)霈F(xiàn)較多的微震事件，在1060，1210m和1180m高程抗剪洞周?chē)霈F(xiàn)少量微震事件。2015年6月6日至6月26日，隨著水位的升高，輝綠巖脈β68，p83，β85周?chē)鷽](méi)有繼續(xù)出現(xiàn)微震事件，而在1240，1210，1180m和1150m高程抗剪洞附近出現(xiàn)大量微震事件，且微震事件的能量值相對(duì)較大。當(dāng)水位接近1120m高程時(shí)，除1210m和1180m高程抗剪洞附近有少量低能量微震事件外，在輝綠巖脈β68，p83，β85周?chē)灿猩倭课⒄鹗录霈F(xiàn)。在蓄水過(guò)程中，右岸邊坡微破裂表現(xiàn)出空間上由低到高，在抗剪洞附近集中，尺度上由小到大再到小的特點(diǎn)。

2右岸邊坡蓄水期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)于邊坡而言，任何超過(guò)抗剪或抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力狀態(tài)都是不能穩(wěn)定的，一旦發(fā)生局部破壞，應(yīng)力將重新調(diào)整，邊坡的安全系數(shù)也隨之而改變[14]。本節(jié)將基于微震監(jiān)測(cè)獲得的豐富的震源信息，建立漸進(jìn)性微震損傷模型，并使用RFPA3D-Centrifuge進(jìn)行有限元計(jì)算，獲得右岸邊坡蓄水期的安全系數(shù)，對(duì)右岸邊坡蓄水期的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

2.1RFPA3D-Centrifuge方法簡(jiǎn)介

RFPA3D-Centrifuge方法是在保持材料強(qiáng)度參數(shù)不變的情況下[15]，通過(guò)不斷增加塊體密度來(lái)模擬一次離心機(jī)試驗(yàn)，直到邊坡破壞。該方法采用彈性損傷本構(gòu)模型，單元在達(dá)到破壞準(zhǔn)則之前，保持彈性的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)單元破壞之后，其強(qiáng)度參數(shù)更改為殘余強(qiáng)度。計(jì)算程序所選用的破壞準(zhǔn)則是帶拉伸截?cái)嗟腗ohr-Coulomb準(zhǔn)則。在使用RFPA3D-Centrifuge計(jì)算時(shí)，當(dāng)邊坡出現(xiàn)貫通的滑移面時(shí)認(rèn)為邊坡失穩(wěn)，此時(shí)單元的自重與初始單元自重的比值定義為該邊坡的安全系數(shù)

公式

式中，Step為邊坡失穩(wěn)時(shí)的加載步數(shù);△g為離心加載系數(shù);y為材料密度，g/cm3

2.2漸進(jìn)性微震損傷模型

巖石破壞過(guò)程中釋放與耗散的能量與巖石強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系[16]?；诖?，徐奴文等開(kāi)發(fā)了評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的微震損傷模型[13]。定義微震震源尺寸范圍內(nèi)的巖體單元損傷變量D為該單元分配到的能量△U與巖體單元可釋放應(yīng)變能Ue的比值，其中△U由基于微震監(jiān)測(cè)到的地震輻射能UM和地震效率η反算得到：

公式

式中，UM可以從震源信息中獲得，η仍然選用馬克給出的數(shù)值為0.003%[17]。當(dāng)巖體的初始彈性模量E0、泊松比γ和3個(gè)主應(yīng)力已知時(shí)，Ue可以按下式獲得：

公式

由于微震事件并不是集中在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，而是隨著水位的變化逐漸產(chǎn)生。因此，可以將蓄水過(guò)程按時(shí)間細(xì)分成幾個(gè)小時(shí)間段。在每個(gè)小時(shí)間段內(nèi)，進(jìn)行考慮微震損傷效應(yīng)邊坡安全系數(shù)計(jì)算時(shí)所采用的微震信息僅僅是在該時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。為了充分顯示邊坡的漸進(jìn)性損傷以及蓄水過(guò)程中邊坡的狀態(tài)調(diào)整，邊坡巖體的材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)微震損傷效應(yīng)不斷地調(diào)整。在前一時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有發(fā)生損傷的巖體，仍然采用原始的材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行后一時(shí)間段的計(jì)算;而在前一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生損傷的巖體，其材料力學(xué)參數(shù)作出如下調(diào)整

公式

式中，D為前一階段考慮微震損傷效應(yīng)計(jì)算得到的損傷系數(shù);E0，σ0和γ0代表前一階段的材料彈性模量、抗壓強(qiáng)度和泊松比;E1，σ1和γ1代表考慮微震損傷效應(yīng)后代入到后一階段計(jì)算時(shí)采用的材料彈性模量、抗壓強(qiáng)度和泊松比。

2.3蓄水期邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

大崗山水電站右岸邊坡在開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行了相應(yīng)的噴錨加固措施。在蓄水的過(guò)程中，庫(kù)水很難在短時(shí)間內(nèi)滲入邊坡內(nèi)部，因此當(dāng)使用RFPA3D-Centifuge進(jìn)行大崗山水電站右岸邊坡蓄水期安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，忽略庫(kù)水滲流作用。

計(jì)算前，將微震事件根據(jù)圖2所示分成4個(gè)小時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段7d。分別編輯每個(gè)時(shí)間段內(nèi)微震事件的震源信息，寫(xiě)入4個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)入文件，以備后面考慮漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)有限元計(jì)算時(shí)調(diào)用。實(shí)體模型是根據(jù)右岸邊坡的實(shí)際地質(zhì)條件（圖1）采用大型商用軟件ANSYS建立。模型的尺寸為順河向400m，橫河向914m，高度720m。建模時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化，保留了主要的巖脈、斷層、卸荷裂隙帶以及邊坡內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)體（抗剪洞等）。全部采用六面體單元剖分網(wǎng)格，共得到571080個(gè)單元，600700個(gè)節(jié)點(diǎn)（如圖3）。計(jì)算域四周法向約束，底部采用固定鉸支座，邊坡表面自由。將模型導(dǎo)入到RFPA3D-Centrifuge中進(jìn)行安全系數(shù)的求解，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程類(lèi)比確定計(jì)算所采用的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

計(jì)算時(shí)選取離心加載系數(shù)為0.01。從圖4破壞單元分布圖可以看出，初始階段破壞單元主要分布在邊坡內(nèi)的巖脈β43、β68、β83、β85和抗剪洞附近，這與微震監(jiān)測(cè)到的事件分布區(qū)域一致。隨后在卸荷裂隙帶出露坡表處出現(xiàn)破壞單元，并沿著軟弱結(jié)構(gòu)面不斷發(fā)展。從計(jì)算結(jié)果看整個(gè)右岸邊坡共有兩條主要的軟弱結(jié)構(gòu)面：一條是以卸荷裂隙帶XL-915為主的軟弱結(jié)構(gòu)面;一條是以卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231組成的軟弱結(jié)構(gòu)面。兩條軟弱結(jié)構(gòu)面均是從頂部最先出現(xiàn)破壞單元，然后破壞單元逐漸向底部延伸。卸荷裂隙帶XL-915由于沒(méi)有任何加固措施，在計(jì)算到第77步時(shí)，形成了貫通的滑移面;而軟弱結(jié)構(gòu)面XL-316/f231由于受到抗剪洞的影響，此時(shí)并沒(méi)有完全貫通。根據(jù)安全系數(shù)的定義及式（1）可以計(jì)算出在考慮蓄水過(guò)程對(duì)邊坡造成的漸進(jìn)性微震損傷后的安全系數(shù)為1.76。大崗山水電站工程等級(jí)為I等，其對(duì)應(yīng)的主要水工建筑物等級(jí)為1級(jí)，因此右岸邊坡的級(jí)別為1級(jí)。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）相關(guān)規(guī)定，確定大崗山水電站右岸邊坡蓄水期的安全系數(shù)要求至少為1.30。計(jì)算所得的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，說(shuō)明經(jīng)過(guò)蓄水過(guò)程后的大崗山水電站右岸邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。

整個(gè)計(jì)算過(guò)程中各個(gè)時(shí)間段考慮漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)與微震事件能量變化如圖5所示。安全系數(shù)變化的整體趨勢(shì)是減小的，說(shuō)明蓄水對(duì)邊坡產(chǎn)生了不利的影響。而安全系數(shù)減小的速度與每個(gè)時(shí)間段內(nèi)微震事件的能量大小有直接關(guān)系。從圖5可以看出，在蓄水的過(guò)程中，能量最大的微震事件出現(xiàn)在第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)，所以在這一時(shí)間段內(nèi)計(jì)算得到的安全系數(shù)有了明顯地下降。而在其他3個(gè)時(shí)間段的計(jì)算過(guò)程中，由于微震事件的能量相對(duì)較弱，微破裂尺度小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響小，沒(méi)有出現(xiàn)安全系數(shù)陡降的情況，這體現(xiàn)了微震損傷模型用來(lái)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的可行性。

3結(jié)論

基于漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)，對(duì)大崗山水電站右岸邊坡蓄水期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）蓄水對(duì)邊坡穩(wěn)定性有不利的影響，且隨著庫(kù)水位的升高，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低。

（2）微震事件能量越高，說(shuō)明微破裂的尺度越大，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響越大。微震監(jiān)測(cè)是一個(gè)很好的定性評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的方法。

（3）蓄水雖然對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成了影響，但經(jīng)計(jì)算，邊坡的安全系數(shù)為1.76，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明大崗山水電站右岸邊坡在蓄水過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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引用本文：

劉興宗，唐春安，李連崇，孫潤(rùn).基于漸進(jìn)微震損傷效應(yīng)的蓄水期庫(kù)岸穩(wěn)定性分析[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：151-155.

Stability analysis of reservoir bank slope during reservoirimpoundment based on effect of progressive microseismic damage

LIU Xingzong，TANG Chun' an，LI Lianchong，SUN Run

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 1 16023，China;2.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Yantai Institute of Metrology，Yantai 264003，China）

Abstract：The Dagangshan Hydropower Station began to impound in December 2014，and the water level increased from 975m to 1130 m in November 2015.The right bank slope was subjected to complex geological condition，including diabase dikes，unloading fissures and fractures，which attributed to the local or overall failure of right bank slope in the process of water impoundment.The evolution of micro-fractures of the right bank slope during impoundment was obtained by microseismic monitoring technique.Combining the abundant microseismic monitoring information，the safety factor of the right bank slope during impoundment was calculated by realistic failure process analysis code in three dimensions（RFPA3D）.Through considering theeffect of progressive microseismic damage，the results showed that the safety factor decreased as the water level increased.The final safety factor was 1.76，which met the requirement of the specification，indicating that the right bank slope was overall stablein the process of water storage.

Key words：slope stability;reservoir impoundment;microseismic monitoring;microseismic damage effect;progressive damage;Dagangshan Hydropower Station