云南苗尾水電站傾倒變形體邊坡穩(wěn)定性分析

駱波 湛書(shū)行 嚴(yán)克淵 羅江波

摘要：傾倒變形破壞是高山峽谷地區(qū)反傾薄層狀斜坡的典型失穩(wěn)形式之一。為了分析云南苗尾水電站庫(kù)區(qū)傾倒變形體邊坡（QD8）穩(wěn)定性，對(duì)其巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并分析了兩種破壞形式。采用極限平衡法，計(jì)算傾倒變形體邊坡在天然、地震、蓄水和暴雨4種工況下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：邊坡最小安全系數(shù)為1.18，整體穩(wěn)定性較好;運(yùn)用離散元法，得到邊坡的應(yīng)力和位移分布，最大位移為0.14 m，存在局部坍塌現(xiàn)象，因此傾倒變形體邊坡（QD8）穩(wěn)定性較好。研究成果可為傾倒變形體邊坡穩(wěn)定性分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：傾倒變形;邊坡穩(wěn)定;極限平衡法;離散元法;地震工況;蓄水工況;暴雨工況;云南苗尾水電站

中圖法分類號(hào)：TV223文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0027 - 07

1 研究背景

20世紀(jì)50年代，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始研究?jī)A倒變形現(xiàn)象，70年代首次正式提出巖體傾倒變形的概念。經(jīng)過(guò)學(xué)者幾十年不懈的研究，在傾倒變形巖體的穩(wěn)定性分析方面已取得了豐碩成果。

極限平衡法是目前研究斜坡穩(wěn)定性最常見(jiàn)的分析方法，Goodman和Bray（1976年）最早提出基于極限平衡理論的傾倒穩(wěn)定分析方法（簡(jiǎn)稱 G-B 法）。隨后Zanbak[1]（1983年），Bobet[2]（1999年），Aydan和Kawamoto[3]（1992年），Wylie（1980年），Choquet（1985年）對(duì)這一方法做了改進(jìn)。Hoke和Bray（1977年）詳細(xì)介紹了Goodman和Bray提出的邊坡傾倒穩(wěn)定性分析方法，對(duì)于任一條塊，作用在其上的力將使該條塊處于以下3種狀態(tài)中的一種：①穩(wěn)定;②傾倒破壞;③滑動(dòng)。盧海峰[4]（2012年）對(duì)Adhikary和Dyshin的懸臂梁彎曲極限平衡進(jìn)行改進(jìn)，利用剩余不平衡力作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)。

Byrnte[5]、Hammett等[6]（1974年）利用離散單元法，對(duì)巖體傾倒、翻轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬分析，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析其破壞機(jī)制。Hsu和Nelson（1995年）采用離散元法總結(jié)傾倒變形斜坡的變形特性，認(rèn)為滑移和剪切伴隨巖體的傾倒變形破壞。Coggan和Pine（1996年）運(yùn)用離散單元法，選取英國(guó)Delabola采石場(chǎng)為研究對(duì)象，分析板巖斜坡深層彎曲傾倒破壞特征和失穩(wěn)機(jī)制，并考慮到地下水的影響。Evans等[7]利用有限單元法模擬次生傾倒變形破壞機(jī)制。Orr和Swindells將有限差分法運(yùn)用于露天金礦斜坡的彎曲傾倒破壞研究。任光明等[8] （2003年）通過(guò)離散元軟件UDEC數(shù)值模擬分析，對(duì)軟弱基座型反傾巖質(zhì)高邊坡的傾倒變形破壞過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查揭示了反傾向巖質(zhì)斜坡的變形破壞過(guò)程。程幸東[9]（2005年）運(yùn)用3DEC分析了龍灘水電站傾倒變形體邊坡的影響因素。本文對(duì)云南苗尾水電站庫(kù)區(qū)傾倒變形體邊坡（QD8）進(jìn)行坡體結(jié)構(gòu)和破壞模式分析，通過(guò)極限平衡法和離散元法研究其穩(wěn)定性。

2 工程概況

云南苗尾水電站庫(kù)區(qū)某傾倒變形巖體傾倒體（QD8）位于瀾滄江右岸，距大壩里程樁號(hào)為20+700～21+100，屬于R023岸段，QD8工程地質(zhì)平面見(jiàn)圖1，沿江公路穿過(guò)傾倒體，左側(cè)有斷層F36經(jīng)過(guò)。河流岸段形態(tài)為凸岸，坡腳高程為1 350 m，沿河長(zhǎng)度400 m，高15m，邊坡坡向N80°E，傾倒方向N75°E，河流流向S10°E。巖性以灰黑色板巖、千枚巖、千枚狀板巖、變質(zhì)石英砂巖為主。變質(zhì)石英砂巖主要分布在高程1 500 m以上和坡腳位置，邊坡中部主要為板巖、千枚巖、千枚狀板巖，高程1 550 m以上為第四系覆蓋層，QD8傾倒體1-1工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。

根據(jù)傾倒變形巖體的變形程度，將QD8劃分為3個(gè)區(qū)域。上部強(qiáng)傾倒巖體，產(chǎn)狀為N50°E/NW∠15°～25°;中部弱傾倒巖體，產(chǎn)狀為N50°E/NW∠30°～45°;下部未傾倒巖體，產(chǎn)狀為N50°E/NW∠70°～80°。坡體結(jié)構(gòu)為砂巖和板巖互層，板巖層厚0.3～20 cm，砂巖層厚10～80 cm。坡體表面風(fēng)化嚴(yán)重，較破碎，坡體上部已經(jīng)局部垮塌。傾倒體下游邊界被沖溝隔斷，上游邊界為河流轉(zhuǎn)向處。

3 岸坡巖體結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)QD8進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)點(diǎn)調(diào)查，可觀察到露頭面從坡腳到坡頂巖性由變質(zhì)石英砂巖到板巖、千枚巖、千枚狀板巖以及砂板互層再到變質(zhì)石英砂巖。

在河谷靠近河流地段，巖性主要為變質(zhì)石英砂巖，巖體較完整，微風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀N50°E/NW∠85°，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，以閉合裂隙為主，坡腳分布由上部崩塌掉落形成的崩坡堆積體，厚度約50 cm，如圖3所示。在板巖出露的岸段，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀N45°E/NW∠85°岸坡散落分布折斷的板巖巖塊，坡表有灌木生長(zhǎng)，如圖4所示。

在沿江公路下部，巖性以板巖和千枚狀板巖為主，下部巖層產(chǎn)狀為N45°E/NW∠70°，上部?jī)A倒巖層產(chǎn)狀為N45°E/NW∠25°。坡體中分布有兩組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀為N19°W/SW∠22°的節(jié)理與層面近垂直傾向坡外，節(jié)理切層發(fā)育，產(chǎn)生拉張裂縫，節(jié)理光滑平直，貫通性較好。產(chǎn)狀為N40°W/NE∠63°的節(jié)理呈波狀粗糙，充填有少量巖屑，垂直切割巖層。如圖5所示，巖體節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體發(fā)生傾倒彎曲變形。

在沿江公路的上部，分布有強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，如圖6所示，層面平直光滑，厚度2～5 cm，薄層狀結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)面發(fā)育，部分張開(kāi)，巖石破碎，坡表風(fēng)化嚴(yán)重，巖屑掉落堆積，呈散體狀結(jié)構(gòu)。上表部有第四紀(jì)坡積層，厚度約10 cm，有灌木出露。

在邊坡中部和上部都分布有變質(zhì)石英砂巖和板巖，如圖7所示，呈互層狀結(jié)構(gòu)分布，變質(zhì)石英砂巖厚度約20～50 cm，板巖厚度約2～10 cm，主要分布產(chǎn)狀為N24°W/SW∠35°和N43°W/NE∠63°的兩組節(jié)理，巖石破碎，表面風(fēng)化嚴(yán)重。

4 破壞模式分析

在水庫(kù)蓄水過(guò)程中，根據(jù)傾倒變形體邊坡后緣拉裂縫、巖體分化程度和節(jié)理裂隙分布、坡體前緣變形分別確定滑動(dòng)面的后緣邊界、底邊界、剪出口位置。傾倒體QD8可能發(fā)生的破壞模式有2種，破壞模式示意見(jiàn)圖8。

（1）破壞模式①：處于極強(qiáng)傾倒區(qū)巖體構(gòu)成潛在滑動(dòng)體，沿緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體滑動(dòng)，傾倒折斷深度約33.7 m，滑面底部高程1 422 m，位于沿江公路上部，頂部高程1 500 m。見(jiàn)圖7～8。

（2）破壞模式②：處于強(qiáng)傾倒區(qū)巖體構(gòu)成潛在滑動(dòng)體，沿緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體滑動(dòng)，傾倒折斷深度約68.3 m，滑面底部高程1 383 m，位于沿江公路以下，頂部高程1530 m。見(jiàn)圖5和圖8。

5QD8穩(wěn)定性分析

5.1 極限平衡穩(wěn)定性分析

（1）計(jì)算剖面。本次計(jì)算剖面見(jiàn)圖1和圖2所示的1-1剖面，slope計(jì)算模型見(jiàn)圖9，模型底部高程1 250 m，頂部高程1 600 m，模型高350 m，水平距離600 m，并按照前文描述將模型巖土層進(jìn)行分區(qū)。

（2）計(jì)算工況與參數(shù)。①蓄水工況下，蓄水位以下巖體取飽和參數(shù)，巖體參數(shù)按照85%進(jìn)行折減。②暴雨工況下，根據(jù)國(guó)家防汛辦《防汛手冊(cè)》的規(guī)定，雨量超過(guò)100 mm/d的稱為大暴雨，超過(guò)150 mm/d的稱為特大暴雨，根據(jù)極端暴雨條件，并結(jié)合云南省舊州水文站的降水特征值，暴雨工況下降雨量取值為150 mm/d。③地震工況下，采用規(guī)范推薦的擬靜力法，參照《瀾滄江苗尾水電站場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，將地震工況下水平加速度取值為0.17g。計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖模型。

根據(jù)蓄水后岸坡可能面臨的各種影響其穩(wěn)定性的問(wèn)題，主要確定以下4種計(jì)算工況：①天然工況;②蓄水工況;③暴雨工況;④地震工況。

庫(kù)區(qū)共分布有24個(gè)傾倒變形體，根據(jù)巖性不同也進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，QD8巖體參數(shù)根據(jù)庫(kù)區(qū)其他相同巖性傾倒變形體試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行類比所確定。巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

（3）計(jì)算結(jié)果分析。破壞模式①不同工況下的傾倒體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表2和圖10，天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，地震、蓄水、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.18，1.24，1.21，地震和暴雨工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，蓄水工況對(duì)其影響較小。不同工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算最危險(xiǎn)滑裂面見(jiàn)圖11。

破壞模式②不同工況下的傾倒體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表3，天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.38，地震、蓄水、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.28，1.30，1.35，地震和蓄水工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，暴雨工況對(duì)其影響較小。不同工況下邊坡坡穩(wěn)定性計(jì)算最危險(xiǎn)滑裂面見(jiàn)圖12。

5.2離散元穩(wěn)定性分析

（1）模型建立和參數(shù)選取。結(jié)合地質(zhì)勘查資料，以典型工程地質(zhì)剖面（圖2）建立變形分析的離散元模型，計(jì)算模型的幾何形態(tài)及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖13。模型中各點(diǎn)Y坐標(biāo)取各點(diǎn)真實(shí)高程。模型沿X向長(zhǎng)600 m，底部高程為1 250 m，最高點(diǎn)高程為1 600 m。計(jì)算模型共劃分24 376個(gè)單元，模型中單元均為三角形單元。計(jì)算所有材料均采用彈塑性模型，模型采用摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，本次計(jì)算所用的巖土體參數(shù)見(jiàn)表4，各結(jié)構(gòu)面參數(shù)見(jiàn)表5。

（2）計(jì)算結(jié)果。圖14為離散元計(jì)算過(guò)程中的不平衡力分布，計(jì)算時(shí)步為4 000步時(shí)，坡體達(dá)到初始平衡，計(jì)算時(shí)步為12 000步時(shí)，邊坡處于平衡狀態(tài)。

圖15和圖16分別為坡體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布，主應(yīng)力隨巖體深度的增加逐漸增大，量值為0～8 MPa，坡表傾倒巖體的應(yīng)力分布范圍為0～1 MPa。在坡表，最大主應(yīng)力方向與斜坡近平行，往坡體內(nèi)部，主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向?yàn)樨Q直向，主應(yīng)力跡線在坡體中均為層狀分布。

圖17和圖18分別邊坡X和Y方向上的位移云圖，位移主要集中在坡體上部極強(qiáng)傾倒變形區(qū)。圖19為坡體的位移矢量圖。X方向上的最大位移為0.14 m，Y方向上的最大位移為0.12 m，變形區(qū)坡腳高程為1 420 m左右，頂部部高程為1 500 m左右，位移值往坡體逐漸減小至零。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)傾倒變形體邊坡QD8進(jìn)行變形分析，建立工程地質(zhì)模型，運(yùn)用極限平衡法和離散元法分析其穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

（1）傾倒體QD8坡腳和坡頂以變質(zhì)石英砂巖為主，中部主要為板巖、千枚巖、千枚狀板巖形成的互層狀結(jié)構(gòu)，坡表巖體傾倒變形強(qiáng)烈。坡體存在兩種破壞模式：①沿極強(qiáng)傾倒界面發(fā)生滑動(dòng)破壞;②沿強(qiáng)傾倒界面發(fā)生滑動(dòng)。

（2）破壞模式①在天然、地震、蓄水、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.26，1.18，1.24，1.21;破壞模式②在天然、地震、蓄水、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.38，1.28，1.30，1.35，邊坡穩(wěn)定性較好。

（3）離散元計(jì)算結(jié)果顯示：邊坡發(fā)生變形的最大位移為0.14 m，變形區(qū)域在高程1 420～15 00 m之間?？傮w而言，傾倒體QD8處于穩(wěn)定狀態(tài)，但可能會(huì)有坡體淺表層發(fā)生局部的坍塌。

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（編輯：唐湘茜）

Stability analysis of toppling deformation slope in reservoir area of Miaowei Hydropower Station in Yunnan

LUO Bo1， ZHAN Shuhang2， YAN Keyuan1， LUO Jiangbo1

（1. Guizhou Survey&Design Research Institute for Water Resources and Hydropower， Guiyang? ?550002， China;? ?2. Guizhou University of Commerce， Guiyang? 550014， China）

Abstract： Toppling deformation and failure is one of the typical instability forms of anti dip thin-layer slope in high mountain and gorge area. In order to analyze the stability of toppling deformation slope QD8 in the reservoir area of Miaowei hydropower station， the rock mass structure was investigated and two failure modes were analyzed. The limit equilibrium method is used to calculate the stability of the slope under natural， earthquake， water storage and rainstorm conditions. The minimum safety factor of the slope is 1.18， and the overall stability is good. By using the discrete element method， the distribution of stress and displacement of the slope is obtained. The maximum displacement is 0.14m， and there exist local collapse. Therefore， the stability of QD8 is better. The research results of this paper can provide reference for the slope stability analysis of toppling deformation body.

Keywords： toppling deformation;slope stability; limit equilibrium method; discrete element method;operation condition at earthquake; operation condition at water storage; operation condition at rainstorm; Miaowei Hydropower Station in Yunnan