水庫邊坡位移監(jiān)測及穩(wěn)定分析

劉惠江

(新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州呼圖壁河流域管理處，新疆 昌吉州 831200)

自20世紀90年代以后，我國專家學者針對邊坡的穩(wěn)定性進行了許多的研究，隨著科技不斷的發(fā)展，邊坡監(jiān)測的方式也得到完善，目前不僅能夠進行地質(zhì)表面的監(jiān)測，還能對地下深部及地下水位等區(qū)域進行詳細的監(jiān)測。而水庫的建設(shè)及使用對于我國社會的發(fā)展具有重要的作用，邊坡的穩(wěn)定作為影響水庫結(jié)構(gòu)的主要因素，受到了廣泛的關(guān)注[1]。在水庫邊坡監(jiān)測的研究中，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式不僅安全系數(shù)較低，而且觀測的頻率也存在一定的短板，張旭等以邊坡變形資料作為研究的基礎(chǔ)，通過將時效性以及降雨、溫度等影響因素作為決定性因子，構(gòu)建了水庫邊坡變化趨勢的回歸分析模型[2]；楊強等在對水庫邊坡穩(wěn)定性分析模型進行分析后認為，使用不考慮具體變異特性的定值法能夠獲得準確的水庫邊坡安全系數(shù)[3]；張俊等分析了水庫大壩的滲流與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，驗證了截水槽在防滲中的作用[4]；賀可強等通過對水庫進水口的邊坡進行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，巖層間存在的結(jié)合力差將會造成邊坡的穩(wěn)定性問題[5]。時至今日在水庫邊坡的穩(wěn)定性分析以及預(yù)測中，已經(jīng)能夠?qū)崟r進行監(jiān)測，并可在監(jiān)測過程中的時間序列里增加環(huán)境因素，用于反饋水庫邊坡變形時力的作用，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建出模型對邊坡的位移變化形式進行預(yù)測分析，這種方式已經(jīng)成為目前水庫邊坡穩(wěn)定性分析的主要研究方式[6]。本研究將結(jié)合實際工程案例，對水庫邊坡的地表及地下位移進行監(jiān)測，將收集的數(shù)據(jù)進行模擬，并根據(jù)不確定性原理構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性模型，以此全面地探究水庫邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 庫區(qū)邊坡概況分析

某一級水電站為流域干流控制性水庫階梯級電站，水電站壩高為186 m，正常蓄水位為276 m，總庫容為2.8×107m3，調(diào)節(jié)庫容2.1×107m3；庫區(qū)邊坡整體呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀，前后高程具有顯著的差異，其前部高程為109 m、后部高程為577 m，前后高程實際差為468 m；邊坡的寬度均值為610 m，縱向為820 m，平均坡度為28.5°，邊坡的平均厚度為81 m；邊坡中巖石呈現(xiàn)為破碎化狀態(tài)，巖石巖性為三疊系變質(zhì)巖系,有雜谷腦組(T3z)淺灰～灰黑色粉砂質(zhì)細砂巖夾板巖(千枚巖)，巖石節(jié)理間具有較多的裂隙；該區(qū)域地下水類型主要以松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水為主。

1.2 監(jiān)測點的布置

本研究中邊坡位移監(jiān)測點位布置采用整體控制、組合優(yōu)化的方式，選擇具有較好穩(wěn)定性并適用于本次研究的檢測儀器，根據(jù)研究庫區(qū)邊坡滑坡的地質(zhì)環(huán)境、邊坡的位移變化情況以及實際的需求等多方因素考慮，最終設(shè)置四個監(jiān)測點，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點位布置示意圖

2 計算分析

2.1 邊坡數(shù)值模擬計算

研究采用工程模擬軟件ABAQUS構(gòu)建數(shù)值的有限元網(wǎng)格劃分分析模型，并將自然狀態(tài)以及暴雨作為主要工況，利用彈塑性分析方法對不同工況下的邊坡變化狀態(tài)進行分析[7]。

2.2 安全度系數(shù)計算

安全度系數(shù)使用Fellenius(費倫紐斯)條分法以及增量法計算，如式(1)所示：

(1)

式中：c為內(nèi)聚力，N；lk為第k個土條的接觸面的長度，m；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；n為土條的數(shù)量，個；Wk為第k個土條的重力，N；θk為第k個土條的切面和水平面所構(gòu)成的夾角，(°)；γw為水的容重，kg/m3；V為浸潤土層中所含有水的總體積，m3；i為水力的坡降，%。

2.3 Pignistic概率計算

在獲得庫區(qū)邊坡中不同種類的土壤特征系數(shù)后，便利用Pignistic概率理論所計算獲得的安全系數(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)镻ignistic概率密度，以便能夠更好地分析庫區(qū)邊坡在不同工況狀態(tài)下的穩(wěn)定性[8]。

3 邊坡位移監(jiān)測、滑動面及穩(wěn)定性結(jié)果分析

3.1 邊坡位移監(jiān)測分析

隨著時間的推移，庫區(qū)邊坡位移首先增加，在一定時間后增加趨勢逐漸減緩，研究中不同監(jiān)測點位的位移變化發(fā)展趨勢基本保持一致，由于監(jiān)測點位所處位置存在差異，所監(jiān)測到的地表位移數(shù)據(jù)以及變化速率具有一定的差異，地表位移監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 地表位移監(jiān)測結(jié)果

圖3 深層位移監(jiān)測結(jié)果

通過對地下深層區(qū)域的位移監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(深層位移監(jiān)測結(jié)果如圖3所示)，在地下深度-20～-18 m的區(qū)域位移程度極為顯著，在發(fā)展過程中由正位移轉(zhuǎn)變成了負位移，并且隨著時間的推移，-18～0 m范圍內(nèi)的正位移呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而在-20～-18 m深度下負位移則逐漸地降低，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，深度在-18 m時位移增加速率最快。因此可見，在進行水庫工程施工時需要注重注意地下-18 m區(qū)域的地質(zhì)勘查工作，并根據(jù)實際情況制定有效的加固措施。

3.2 邊坡滑動面工況模擬分析

通過模擬發(fā)現(xiàn)不同工況下水庫邊坡均出現(xiàn)了顯著的滑動破壞現(xiàn)象。在暴雨工況下，其庫區(qū)邊坡的滑動破壞面更陡，因此可以說明在暴雨工況下其安全系數(shù)較低。此外，雖然不同工況下，庫區(qū)邊坡的變化趨勢具有一致性，但取值上卻存在差異，如自然條件工況下最大應(yīng)變值為6.56×10-4、暴雨工況下最大應(yīng)變值為9.87×10-4，這也說明了后者安全系數(shù)更低。模擬結(jié)果與實際情況具有一致性。水庫邊坡土質(zhì)檢測分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水庫邊坡土質(zhì)檢測分析數(shù)據(jù)

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

(1)不同降雨持續(xù)時間下安全系數(shù)分析。當邊坡持續(xù)受到降雨的影響時，其安全系數(shù)將呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，此結(jié)論與前文使用Fellenius條分法以及增量法的研究結(jié)果相一致，但需要注意的是，使用Fellenius條分法以及增量法所得到的安全系數(shù)在不同降雨持續(xù)時間下的數(shù)值均達到1.0以上，由此可以證明本研究中水庫邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)[9]。

(2)Pignistic概率密度分析。通過分析可以得出，在自然條件工況以及暴雨工況下，水庫邊坡的安全系數(shù)均能達到1.0以上，說明水庫邊坡具有一定的穩(wěn)定性，結(jié)論與前文相一致，但水庫在水位驟降時期安全系數(shù)將會降低到1.0以下，因此在實際當中應(yīng)根據(jù)水庫實際情況實施聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，避免發(fā)生水位驟降的情況。

4 結(jié) 論

水庫邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著時間的推移，庫區(qū)邊坡位移將首先增加，并且在一定的時間后增加趨勢將會逐漸地減緩，深度在-18 m時位移增加速率最快，屬于危險區(qū)域；在暴雨工況下相比自然條件工況，其庫區(qū)邊坡的滑動破壞面更陡，其安全系數(shù)較低，應(yīng)變數(shù)值大，危險程度高；在自然條件工況以及暴雨工況下，水庫邊坡的安全系數(shù)均能達到1.0以上，但水庫在水位驟降時期安全系數(shù)將會降低到1.0以下，需要在該水庫日常管理中注意此類問題，不斷提升水庫安全管理，杜絕此類問題帶來的安全隱患。