水位升降對(duì)庫岸大壩邊坡穩(wěn)定性影響三維數(shù)值模擬研究

黃 亮

(江西省宜春市水利水電工程監(jiān)理有限公司，江西 宜春 336000)

0 引 言

水位變化對(duì)于邊坡穩(wěn)定而言具有重要的影響，而蓄水條件下庫岸邊坡對(duì)于水位變化則更為敏感，極易引起大大小小的失穩(wěn)滑坡災(zāi)害。而滑坡主要由人類工程建設(shè)活動(dòng)和強(qiáng)降雨、地震等自然環(huán)境影響引起，且可能導(dǎo)致巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。國內(nèi)諸多學(xué)者也注意到這個(gè)問題，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，但具體工程存在較大差異，且相關(guān)研究停留在二維或簡化模型層面[1-3]。為進(jìn)一步更好研究水位升降對(duì)庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響，提高水庫的安全管理水平，文章綜合使用場地三維BIM軟件及FLAC3D有限元軟件分別計(jì)算針對(duì)江西省新建水庫項(xiàng)目為例開展三維數(shù)值模擬研究，通過研究確定邊坡在暴雨及蓄水位變化作用下的穩(wěn)定性，為今后類似工程的安全預(yù)警提供參考。

1 工程概況

新建水庫在勘察的區(qū)域之內(nèi)，基本上為丘陵斜坡的相關(guān)地貌特征。其北區(qū)處在邊坡的中間部位，具有東邊高西邊低的總體特征，由于受到放坡的影響而呈現(xiàn)出階梯狀的形式，對(duì)應(yīng)于1°-31°范圍的地形坡角。此外，具有259.88m-196.55m的地形標(biāo)高，以及值為63.33m的相對(duì)高度差。

調(diào)查結(jié)果表明，該區(qū)域在龍王洞背斜的西翼位置，整體上被覆蓋層所覆蓋，當(dāng)前所開展的勘察主要是在其南東側(cè)實(shí)驗(yàn)測定其巖層產(chǎn)狀，發(fā)現(xiàn)其裂隙巖層總體上呈現(xiàn)出單斜狀產(chǎn)出的基本特征，而且?guī)r層產(chǎn)狀具體如下：273°-290°∠51°-58°，在該區(qū)域之中沒有斷層通過，具有相對(duì)簡單的構(gòu)造地質(zhì)條件。在實(shí)地勘察周邊區(qū)域中的基巖出露地段之后發(fā)現(xiàn)，局部的巖石層面上含有一定的泥質(zhì)薄膜，它有著較為平直的外表面，整體上結(jié)合不佳，為一種硬性的結(jié)構(gòu)面。

勘察區(qū)屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。具冬暖春早，夏熱秋涼，秋雨連綿，無霜期長特點(diǎn)。具有值為1094.6 mm的年均降雨量，在1968年時(shí)出現(xiàn)值為1 378.3mm的年最高降雨量，在1961年則出現(xiàn)值為783.2mm的年最低降雨量，降雨一般集中在5-9月，占全年降雨量的2/3。場區(qū)內(nèi)無河流、溪流通過，環(huán)場地外側(cè)發(fā)育一天然溪溝蹬子河，寬約6m，常年有流水，勘察期水位197.50m，據(jù)訪其豐水期水位約202.0m，為場區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。規(guī)劃大壩長約147m，高28m，規(guī)劃水庫正常蓄水位為218.20m，水庫死水位為205.80m。

2 場地三維BIM模型建立與巖土三維數(shù)值模擬

為定量分析場地邊坡由降雨引起的變形破壞范圍和變形破壞模式，采用三維BIM軟件犀牛(Rhinoceros 5)建立三維邊坡圖的地質(zhì)信息模型，并通過相關(guān)插件生成巖土三維數(shù)值模擬軟件FLA C3D來進(jìn)行模型識(shí)別且進(jìn)行導(dǎo)入，通過變形理論為基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定性分法來對(duì)降雨蓄水之前及之后邊坡上應(yīng)力-應(yīng)變特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

在該模型的前緣邊界區(qū)域上是擬開工建設(shè)道路高程帶，而在其頂部邊界上則是新址坡體的后緣到其坡頂?shù)膮^(qū)域。對(duì)于邊坡的三維模型而言，需要盡可能地將坡體結(jié)構(gòu)清晰地體現(xiàn)出來。在下伏基巖中，主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的泥巖(為粉砂質(zhì)的)及互層。此外，對(duì)于址區(qū)砂巖而言，需對(duì)強(qiáng)風(fēng)化界線進(jìn)行充分的考慮。其坡體整體上為粉質(zhì)黏土以及素填土等。在該模型中，其X向及Y向分別是東西以及南北的相關(guān)方向，而該模型中的Z向則對(duì)應(yīng)于垂向。其力學(xué)邊界主要是通過X向及Y向來進(jìn)行雙向性的約束，而在模型的底面(也就是Z向)上，則通過垂向來進(jìn)行約束，此外，其地表則是一個(gè)自由面?；谶@些基本原則將邊坡的三維模型成功構(gòu)建起來，且開展網(wǎng)格化(具體見圖1)。在開展模擬計(jì)算的過程中，需對(duì)邊坡所發(fā)生的整體變形予以充分的考慮，當(dāng)前的模擬工作側(cè)重于在強(qiáng)降雨的情況之下邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，給出計(jì)算使用邊坡下伏基巖及堆積層的物理力學(xué)參數(shù)取值(表1、表2)。

(a)邊坡三維模型及網(wǎng)格劃

表1 邊坡基巖力學(xué)參數(shù)綜合取值表

表2 邊坡堆積層強(qiáng)度參數(shù)綜合取值表

2.2 暴雨作用下邊坡變形特征

在圖2中，詳細(xì)地列出了在暴雨的情況之下所對(duì)應(yīng)的三維位移云圖的相關(guān)結(jié)果。由圖片可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)潛在的變形位移出現(xiàn)在邊坡的北側(cè)上陡坎之處(共計(jì)2處)，而在其它的位置上不會(huì)出現(xiàn)位移。對(duì)于其X及Y向的位移而言，都出現(xiàn)在陡坎土體周邊的區(qū)域之中，最大的位移則出現(xiàn)在前緣部位的Z向上。

(a)X向

2.3 考慮庫岸三維空間地下水位面及蓄水工況的數(shù)值模擬分析

當(dāng)前的模擬工作僅分析了在普通的蓄水位條件以及發(fā)生水位暴跌(最終到其死水位)的條件之下的相關(guān)問題，對(duì)于蓄水位和斜坡體內(nèi)浸潤線之上及之下的邊坡而言，分別選用的是自然條件下力學(xué)參數(shù)以及長期飽和強(qiáng)度值參數(shù)。在圖3中，詳細(xì)地展示了在上述兩種條件之下分別對(duì)應(yīng)的邊坡速度云圖結(jié)果。根據(jù)圖3(a)的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于普通的蓄水條件，前緣蓄水位的高程周邊區(qū)域是出現(xiàn)邊坡位移的重要位置，邊而在其它的位置上則不存在位移的趨勢。根據(jù)總位移速度場的相關(guān)云圖結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，具有最大速度場的是坡體前緣(208m-217m高程帶)。X方向?yàn)槠麦w臨空方向，變形趨勢明顯，Y方向最大位移位于堆積體靠近南側(cè)前緣，Z方向位移相對(duì)較小。由圖3(b)可以看出，水位暴跌至死水位線工況下，在原址區(qū)堆積體的前緣，自前緣至后緣，邊坡位移逐漸減小，主要變形區(qū)位于邊坡北側(cè)前緣207m-215.2m高程帶，造成了臨空方向上的一定變形，最早出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象的是一部分邊坡前緣，進(jìn)而朝著邊坡的向方逐漸地進(jìn)行垮塌。

圖4為普通蓄水條件之下的穩(wěn)定性系數(shù)和最高剪應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)結(jié)果，可得其長期穩(wěn)定性系數(shù)等于0.986，處在不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，由此可知，體邊坡在長期的浸泡條件之下將會(huì)逐漸地發(fā)生失穩(wěn)。根據(jù)最大剪應(yīng)變?cè)隽康南嚓P(guān)結(jié)果可知，坡體前緣第四系堆積體在受到庫水浸泡后，其下伏粉砂質(zhì)泥巖層對(duì)潛在失穩(wěn)底邊界具有控制作用。

圖5為水位暴跌至死水位線條件之下的穩(wěn)定性系數(shù)和最高剪應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)結(jié)果，可得其長期穩(wěn)定性系數(shù)等于0.957，同樣說明正常蓄水后的庫水位陡降工況下，原址區(qū)堆積體邊坡將失穩(wěn)。由最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和塑性區(qū)張破壞與剪破壞分布示意圖可以預(yù)測該廠址所在邊坡在陡降水位工況下其北側(cè)前緣涉水高程范圍內(nèi)的局部陡坡存在垮塌風(fēng)險(xiǎn)，建議在正常蓄水前開展治理工程措施，預(yù)防邊坡體失穩(wěn)。

3 結(jié) 論

文章以江西省新建水庫工程為依托，通過FLAC3D來進(jìn)行了邊坡三維數(shù)值分析模型的成功構(gòu)建，進(jìn)而模擬了庫岸邊坡的穩(wěn)定性。主要結(jié)論有：

1)在天然的工況條件之下，邊坡整體上為穩(wěn)定的；如果是在暴雨的條件之下，則廠區(qū)邊坡由于存在西向臨空，穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。然而因?yàn)樵谶吰轮袥]有相互貫通的潛在滑面得以形成，所以也存在著邊坡出現(xiàn)局部性垮塌的可能性。其中坡體的前緣是發(fā)生失穩(wěn)的最可能位置，尤其是邊坡的中部陡坎帶以及邊坡的北側(cè)前緣最有可能出現(xiàn)失穩(wěn)。除此之外的其它區(qū)域基本上是穩(wěn)定的。

2)在蓄水的工況之下，高于常規(guī)蓄水位的坡體不會(huì)受到顯著的影響，但坡體前緣涉水帶陡坎范圍，且位于正常蓄水位以下，在長期浸泡作用下，坡體內(nèi)粉砂質(zhì)泥巖對(duì)堆積體位移具有控制作用，臨空方向則存在著較為顯著的變形趨勢，且從其前緣逐漸朝著后緣進(jìn)行降低，對(duì)于常規(guī)蓄水位以及水位陡降的條件之下，所對(duì)應(yīng)的坡體穩(wěn)定性系數(shù)分別等于0.986以及0.957?？梢灾?，在蓄水的工況之下，將會(huì)出現(xiàn)邊坡的失穩(wěn)現(xiàn)象，最早出現(xiàn)變形失穩(wěn)的部位為邊坡的前緣，進(jìn)而朝著后方進(jìn)行垮塌。同樣北側(cè)東部陡坎需要重點(diǎn)注意，該側(cè)相對(duì)穩(wěn)定性較弱。