蓄水期大崗山右岸抗剪洞加固及其效果分析

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023； 2.魯東大學 土木工程學院，山東 煙臺 264003； 3.魯東大學 跨海工程研究院， 山東 煙臺 264003； 4.煙臺市計量所，山東 煙臺 264003)

1 工程背景

庫岸地區(qū)發(fā)生的滑坡是庫區(qū)水巖作用導致的一類重要地質災害，會對工程及環(huán)境造成巨大破壞，1963年意大利Vajont水庫滑坡就是一個典型例子[1]。水庫型滑坡約90%與水有關，其中與庫水位變動有關的滑坡比例非常高[2]。Carpenter[3]調查了Roosevelt湖附近1941—1953年發(fā)生的一些滑坡，其中49%發(fā)生在1941—1942年的蓄水初期；日本40%的水庫滑坡發(fā)生在水位上升期(包括蓄水初期)[4]；我國也有統(tǒng)計資料表明，40%～49%的庫岸失穩(wěn)破壞發(fā)生在庫水位上升期[5]。

蓄水期邊坡的穩(wěn)定性是人們廣泛關注的問題。采取有效的加固措施能提高邊坡穩(wěn)定性，降低蓄水期邊坡失穩(wěn)風險。目前，主要采用的加固措施可以分為減載、排水與截水、錨固、混凝土抗剪結構、支擋、壓坡等幾類[6]。近年來，隨著工程技術的成熟以及大量工程經(jīng)驗的積累，抗剪洞加固技術在白鶴灘、錦屏等水電站邊坡處理中被廣泛運用[7-8]。國內學者就抗剪洞對大崗山水電站右岸邊坡卸荷裂隙帶的加固效果進行了研究[9-10]，肯定了抗剪洞加固方案對施工期邊坡加固的合理性和有效性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，大崗山水電站右岸邊坡采用了抗剪洞的加固方案，如圖1所示。

圖1 抗剪洞分布Fig.1 Layout of anti-shear galleries

本文以大崗山水電站右岸邊坡為工程背景。根據(jù)微震監(jiān)測結果，分析了蓄水過程中抗剪洞的微震活動性。利用數(shù)值模擬方法，計算蓄水過程中邊坡的應力場、位移場，并對抗剪洞在蓄水過程中的微震活動性作出解釋。同時，利用數(shù)值模擬方法分析了蓄水過程中抗剪洞的加固作用機理，評價了抗剪洞在蓄水過程中的加固效果。

2 蓄水過程微震活動性監(jiān)測

微震監(jiān)測技術可以捕捉到邊坡內部的巖體微破裂和損傷，預測預報邊坡內部巖石微破裂發(fā)生的位置和力源，并對邊坡穩(wěn)定性作出評估和預測。近年來，微震監(jiān)測技術被廣泛應用于水電高陡巖質邊坡施工期的穩(wěn)定性監(jiān)測中[11-12]。

圖2 蓄水期右岸邊坡微震事件空間分布(斷面Ⅳ-Ⅳ)Fig.2 Distribution of microseismic events in section Ⅳ-Ⅳ of the right bank slope during impounding

大崗山水電站從2014年年底開始蓄水，具體蓄水工作分為3個過程：2014年12月30—31日導流洞下閘蓄水，水位從975 m高程上升至1 005.36 m高程；2015年5月29日—2015年7月4日導流底孔下閘蓄水，水位從1 015.18 m高程上升至1 120 m高程；2015年8月15日之后，水位在1 120～1 130 m之間波動。為了實時監(jiān)測大崗山水電站右岸邊坡在蓄水過程中的巖體活動規(guī)律，引入了加拿大ESG公司生產的微震監(jiān)測系統(tǒng)進行24 h實時監(jiān)測。至2015年12月31日，右岸邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)共捕捉到51個有效微震事件，且這些事件均出現(xiàn)在蓄水的第二個過程中，這與第二個過程較大的水位變動有直接關系。蓄水第二個過程中巖體內的微震事件空間分布和能量比ES:EP值如圖2所示。圖2中綠色線代表巖脈，紫色線代表卸荷裂隙帶，紅色線代表斷層；彩色實心小球代表微震事件，小球的顏色反映了ES:EP值的大小。除了在輝綠巖脈β43，β68，β83，β85附近有少量微震事件外，大部分微震事件分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。此外，對于斷層-滑移或剪切類型誘發(fā)的地震事件，通常S波和P波釋放的能量比ES:EP≥10，而非剪切類型如應變型巖爆、拉伸或體積應力變化誘發(fā)的地震事件，一般ES:EP≤3[13]。由圖2可知，在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近出現(xiàn)的微震事件，除少量的剪切類型事件外，主要是拉伸誘發(fā)的事件。

由圖3可知，微震能量釋放區(qū)域也主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由微震事件的空間分布及能量釋放集中區(qū)域可知，抗剪洞及周圍巖體微震活動頻繁，是蓄水過程中右岸邊坡內主要的損傷區(qū)域。需要注意的是，蓄水過程中右岸邊坡內的主要損傷區(qū)域與邊坡開挖階段邊坡內的主要損傷區(qū)域并不一致。邊坡開挖過程中，巖體的損傷區(qū)域主要沿著卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231成條帶狀分布[14]，而蓄水過程中，巖體的損傷區(qū)域主要分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由此可見，當邊坡受到水壓力作用時，抗剪洞影響了邊坡體內應力場的分布，為了解抗剪洞在蓄水過程中的作用，本文采用三維真實破裂過程分析軟件(RFPA3D)對蓄水過程進行數(shù)值模擬分析。

圖3 微震事件能量密度Fig.3 Energy density of microseismic events

3 蓄水過程的數(shù)值模擬

蓄水對邊坡變形的影響是多方面的，如庫水的擠壓作用、滲透作用、濕度擴散作用、庫水與邊坡的化學作用、大壩對邊坡的擠壓作用等。右岸邊坡內的滲壓計測量結果顯示，至2015年6月25日，除了在較低高程處有較小的水頭變化外，邊坡內沒有明顯的水頭變化，因此在模擬蓄水過程時，忽略滲流作用對邊坡的影響；由蓄水過程的微震活動性可知，微震事件主要分布在右岸上游邊坡，沒有出現(xiàn)在拱肩槽邊坡處，因此，在模擬蓄水過程時，忽略了大壩對邊坡的推力作用；此外，庫水與邊坡巖體的物理、化學作用是一個相對漫長的過程，短時間內很難有所體現(xiàn)，因此，在模擬蓄水過程時不考慮庫水與邊坡巖體的物理化學作用。由此，本文在對蓄水過程進行模擬時，僅考慮了庫水對邊坡的擠壓作用以及邊坡的自重。

采用ANSYS軟件建立實體模型。模型的尺寸為順河向400 m，橫河向914 m，高度720 m。建模時作了適當?shù)暮喕?，保留了主要的巖脈、斷層、卸荷裂隙帶以及抗剪洞。全部采用六面體單元剖分網(wǎng)格，共得到571 080個單元，600 700個節(jié)點，如圖4。計算域四周法向約束，底部采用固定鉸支座，邊坡表面自由，水壓力轉化成節(jié)點力，然后以節(jié)點力的形式作用在圖4(a)紅色虛線框內的單元上。將模型導入到RFPA3D中進行蓄水過程的模擬。根據(jù)現(xiàn)場試驗和工程類比，確定計算所采用的材料力學參數(shù)，如表1所示。

圖4 右岸邊坡有限元模型Fig.4 Finite element model of the right bank slope

材料名稱密度/(g·cm-3)抗壓強度/MPa彈性模量/GPa泊松比邊坡2.657520.000.25C25混凝土2.402530.000.20花崗巖脈2.62202.500.27輝綠巖脈2.62202.500.30XL-316和f2312.45150.250.40XL-9152.10100.200.40

計算結果顯示，破壞單元主要集中在抗剪洞周圍，而在卸荷裂隙帶XL-915、XL-316、斷層f231以及主要巖脈上只有少量破壞單元(圖5(a))。從最小主應力云圖(圖5(b))可以看出，抗剪洞以及坡面、坡頂區(qū)域承受拉應力，邊坡其他區(qū)域主要承受壓應力。而對于巖石、混凝土等彈脆性材料，其抗拉強度遠小于抗壓強度，受拉區(qū)的單元極易發(fā)生破壞。加之邊坡巖體材料的強度大于抗剪洞混凝土的強度，所以，邊坡在自重和水壓力作用下，抗剪洞最先出現(xiàn)拉伸破壞。圖5(c)為邊坡位移場，卸荷裂隙帶XL-915切割的巖體下部向河谷方向移動，上部背離河谷方向移動，從而使該部分巖體表現(xiàn)出逆時針運動的形式。而在卸荷裂隙帶XL-316、斷層f231與卸荷裂隙帶XL-915之間的巖體，運動形式較為復雜。由于受到抗剪洞的影響，該部分巖體被“分割”成2部分，且這2部分分別表現(xiàn)出順時針運動的形式，不可避免地在這2個移動的巖體中間存在一個過渡帶。由于過渡帶上、下2部分的運動方向完全相反，類似于一個正在進行直剪試驗的試件，所以過渡帶內的巖體活動情況復雜，而1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞就恰好位于這個過渡帶區(qū)，這也正是微震監(jiān)測到該區(qū)域活動性明顯于其他區(qū)域的原因。

圖5 蓄水過程模擬結果(斷面Ⅳ-Ⅳ)Fig.5 Simulation results of stress and displacement in the impounding process(section Ⅳ-Ⅳ)

4 蓄水期抗剪洞加固機理研究

由前所述，蓄水過程中抗剪洞處于一個“過渡帶”區(qū)，使其受力狀態(tài)類似一個直剪試驗的試件。為了研究蓄水期抗剪洞對邊坡的加固機理，本節(jié)利用RFPA2D方法對抗剪洞受力情況進行單獨分析。巖體、裂隙帶、抗剪洞材料力學參數(shù)按照表1選取。模型如圖6所示，高60 m，寬60 m，抗剪洞取實際尺寸。單元劃分為300×300共90 000個。水平方向施加直剪位移Q來模擬水壓力的作用，每個計算步的位移增量為1 mm。在模型頂部施加豎向壓應力P模擬上覆巖層的自重，考慮到不同高程抗剪洞上覆巖層的重力不同，模擬不同高程抗剪洞時豎向壓應力P也不同，自下往上各高程抗剪洞模型中P分別取2.4，2.0，1.8，1.6，1.4，1.2 MPa。

圖6 抗剪洞加固機理計算模型Fig.6 Finite element model for the reinforcement mechanism analysis of anti-shear gallery

圖7 有抗剪洞加固的破壞過程及剪應力Fig.7 Variation of shear stress during failure process in the presence of anti-shear gallery

有抗剪洞加固時，在抗剪洞與裂隙帶接觸區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象(如圖7)，破壞也最先從這個區(qū)域開始。由于抗剪洞附近的應力明顯高于其他區(qū)域，隨著載荷的增加，破壞單元首先在抗剪洞周圍分布。當抗剪洞被“一字型”剪斷之后，裂隙帶開始發(fā)生破壞，直至形成貫通的破裂面，模型失穩(wěn)。計算過程中，單元破壞將釋放出聲發(fā)射信號。

圖8是有抗剪洞的情況下破壞過程的聲發(fā)射，圖中紅色圈代表拉伸破壞，白色圈代表剪切破壞，圓圈的大小表示聲發(fā)射能量的大小。需要注意的是，雖然抗剪洞宏觀上是剪斷，但從聲發(fā)射圖不難看出，真實的破壞是抗剪洞內部發(fā)生拉破裂，大量的拉裂最終形成了宏觀的剪壞。這與微震監(jiān)測到的事件主要是拉伸引起的事件相吻合，也與三維蓄水過程模擬時抗剪洞最先出現(xiàn)拉伸破壞相一致。

圖8 有抗剪洞加固的破壞過程及聲發(fā)射Fig.8 Variation of acoustic emission during failure process in the presence of anti-shear gallery

當有抗剪洞加固時，其破壞模式為抗剪洞先破壞,裂隙帶后破壞，抗剪洞可以避免破壞單元直接沿著裂隙帶發(fā)展形成貫通的破裂面，有利于提高模型的承載能力。由此可見，蓄水過程中監(jiān)測到的微震事件正是因為抗剪洞在抵抗邊坡變形而出現(xiàn)的破壞。蓄水期微震事件主要集中在抗剪洞附近這種分布形式與圖8第33步計算結果非常類似，由計算可知，此時模型并沒有失穩(wěn)，說明在蓄水過程中，大崗山水電站右岸邊坡處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 抗剪洞加固效果評定

顯然，沒有抗剪洞加固時，邊坡的承載能力取決于裂隙帶材料強度。而施加了抗剪洞加固措施后，邊坡的承載能力將受到抗剪洞材料強度的影響。由于在不同高程抗剪洞模型中有、無抗剪洞加固效果曲線形式相似，此處僅以1 240 m高程處的抗剪洞模型結果為例進行說明。將有、無抗剪洞加固情況下的剪力-加載步曲線匯總如圖9。

圖9 剪力-加載步曲線Fig.9 Curves of shear force versus loading step

由圖9可知，沒有抗剪洞加固時，模型所能承受的最大剪力趨于一個穩(wěn)定值。在有抗剪洞加固的情況下，剪力-加載步曲線在第33步時出現(xiàn)了突降。由前面的分析可知，加載至第33步時抗剪洞已經(jīng)完全破壞，喪失了進一步抵抗載荷的能力，只能依靠材料性質較差的裂隙帶來抵抗外載荷，所以模型承載能力出現(xiàn)了大幅下降的情況。有抗剪洞加固與無抗剪洞加固相比，模型所能承受的最大剪力從119 679.4 kN提高到134 142.6 kN，提高了12.1%。這說明在蓄水期抗剪洞對于提高邊坡的承載能力具有明顯的作用。計算結果還表明，隨著抗剪洞所處高程降低，其提高邊坡承載力的能力逐漸降低，其他5條抗剪洞自上而下分別使邊坡最大剪力提高了9.8%，4.7%，2.3%，1.1%，0.9%?？辜舳匆蚱洳牧蠌姸纫欢ǎ芴峁┑目辜裟芰σ彩且欢ǖ?。但是，抗剪洞所處高程越低，其上覆巖體的重力越大，施加于模型頂部的載荷越大。模型頂部的載荷P對于裂隙帶有壓密的作用，提高了裂隙帶自身的抗剪能力，因此，較低高程處的裂隙帶自身具有較高的抗剪能力，從而使抗剪洞的加固效果隨高程降低而越來越不明顯。

6 結 論

(1)探索性地將微震監(jiān)測技術應用于水電高陡巖質邊坡蓄水期的穩(wěn)定性監(jiān)測中。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，因為大崗山水電站蓄水的第二個過程內有較大的水位變動，在右岸邊坡內出現(xiàn)了相對較多的微震事件。該時期內右岸邊坡監(jiān)測到微震事件主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近，且多數(shù)微震事件的S波與P波的能量比<3，主要是拉伸破壞誘發(fā)的事件。

(2)利用RFPA3D模擬了蓄水過程，結果表明，蓄水期抗剪洞附近區(qū)域處于受拉狀態(tài)，易發(fā)生破壞?？辜舳吹拇嬖?，使1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞周圍形成一個過渡帶，且過渡帶的受力類似于正在進行直剪試驗的試件，揭示了微震監(jiān)測到該區(qū)域活動性明顯于其他區(qū)域的原因。

(3)利用RFPA2D方法對抗剪洞受力情況進行單獨分析可知：蓄水期抗剪洞影響了邊坡內部應力場的分布，并能有效地避免破壞直接沿著裂隙帶發(fā)展形成貫通的破裂面。計算結果揭示了蓄水期抗剪洞對邊坡的加固機理。此外，在有抗剪洞加固時，雖然抗剪洞宏觀上是剪斷，但抗剪洞內部先局部發(fā)生拉破裂，大量的拉裂破壞最終形成了宏觀的剪壞，這一模擬結果進一步解釋了蓄水期微震監(jiān)測到的事件主要是拉伸破裂誘發(fā)的事件這一現(xiàn)象。相對于不采用抗剪洞加固措施，采用抗剪洞加固措施使模型所能承受的最大剪力得到了提高。但抗剪洞所處的高程越低，其受上覆巖體的影響越大，抗剪洞對于提高邊坡的承載力能力越不明顯。從整體看，布設抗剪洞對于增強蓄水期邊坡的穩(wěn)定性具有有利的作用。