基于數(shù)值模擬的水位升降對(duì)傾倒變形體穩(wěn)定性影響研究

黎萬昌

（貴州省畢節(jié)市金海湖新區(qū)毛栗水庫管理所，貴州 畢節(jié) 551600）

1 引言

水電站受活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和高地應(yīng)力等因素影響，兩側(cè)邊坡存在大量不穩(wěn)定巖質(zhì)邊坡，一旦變形破壞，會(huì)對(duì)水電站的安全運(yùn)營(yíng)造成巨大影響。丁陽波等在Sarma法基礎(chǔ)上，編寫了Fortran 強(qiáng)傾倒變形體穩(wěn)定性分析程序，研究苗尾水電站工程傾倒變形體體的穩(wěn)定性，并與離散元程序?qū)Ρ闰?yàn)證，結(jié)果表明，坡角越陡穩(wěn)定性越低，蓄水后穩(wěn)定性比蓄水前穩(wěn)定性大大降低。李興明等采用UDEC 進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了某電站邊坡的傾倒變形破壞特點(diǎn)，揭示了其失穩(wěn)破壞規(guī)律。以某水電站傾倒變形體為例，分析其失穩(wěn)破壞機(jī)制，采用數(shù)值模擬了水位波動(dòng)對(duì)傾倒變形體的影響程度，對(duì)于相似工程具有參考意義。

2 工程概況

研究區(qū)傾倒變形體地處高山峽谷區(qū)，地形坡度變化較大，呈陡緩相間地貌，陡坡段坡度65°～70°，局部緩坡段坡度20°～25°見圖1。出露地層為侏羅系中統(tǒng)-上統(tǒng)拉貢塘組（J1-2l）石英砂巖，巖層產(chǎn)狀：N60°～70°E/NW∠60°～65°。巖性為石英砂巖和少量石英巖，未見灰?guī)r等可溶巖，構(gòu)造及卸荷裂隙發(fā)育，所切割危巖塊體塊徑一般2～5 m不等。

傾倒變形體范圍主要分布在壩址左岸上游，巖體發(fā)生明顯傾倒變形現(xiàn)象。變形體主要為板巖、石英砂巖，石英砂巖自身抗風(fēng)化的能力較強(qiáng)，板巖抗風(fēng)化能力較弱。

3 傾倒變形體發(fā)育及破壞特征

3.1 傾倒變形體發(fā)育特征

變形體緊臨進(jìn)水口，順河長(zhǎng)120 m，橫河寬約240 m。根據(jù)傾倒變形強(qiáng)弱，可分為強(qiáng)傾倒變形體（傾倒后巖層傾角小于等于30°，以下簡(jiǎn)稱“強(qiáng)變形”）和弱傾倒變形體（傾倒后巖層傾角小于60°大于30°，以下簡(jiǎn)稱“弱變形”）。其中強(qiáng)傾倒變形巖體水平深度5 m，初估方量約19 萬m3；弱變形體水平深度5～18 m，則約11 萬m3；兩者合計(jì)約30 萬m3。由于修建公路開挖邊坡，導(dǎo)致變形體前緣發(fā)生局部垮塌，順河長(zhǎng)20 m，橫河長(zhǎng)50 m，厚度約10 m，預(yù)估方量為1萬m3。

3.2 變形體可能失穩(wěn)模式分析

在研究區(qū)布置了4條平硐進(jìn)行探測(cè)。以平硐PD03和PD07勘查結(jié)果為例。硐口可以清晰見到巖層發(fā)生傾倒，巖層傾倒后傾角在50°左右，根據(jù)傾倒變形強(qiáng)弱判定為弱傾倒。PD03硐內(nèi)上游壁40 m處可見巖層發(fā)生折斷，折斷面呈折線狀，折斷面下段的產(chǎn)狀為N60°W／NE＜21°，上段的產(chǎn)狀為N60°W／NE＜70°，折斷面以上的巖層發(fā)生傾倒產(chǎn)狀為N60°W／SW＜51，折斷面以下的巖層為正常基巖，產(chǎn)狀為N80°E／SE＜80°，折斷面是巖層弱傾倒的底界，也是巖層發(fā)生破壞的潛在滑移面。PD03硐內(nèi)上游壁62.50 m處可見巖層發(fā)生折斷，折斷面的產(chǎn)狀為N70°W／NE＜33°，折斷面以上的巖層發(fā)生弱傾倒，產(chǎn)狀為為N60°W／NE＜55°，折斷面以下的巖層未發(fā)生傾倒，為正?；鶐r，產(chǎn)狀為N70°W／NE＜75°。

根據(jù)分析，變形體所在部位以板巖和石英砂巖為主，岸坡巖體陡立。傾倒變形體是伴隨河流下切、地殼抬升而成的，并隨著地質(zhì)歷史傾倒變形由表及里，由強(qiáng)而弱，斜坡表部的強(qiáng)變形體隨著坡腳鎖固段的坍滑而逐漸誘發(fā)牽引其上的其他強(qiáng)變形體下滑，最終形成目前的地形地貌特點(diǎn)。目前所見的傾倒變形體。同時(shí)可以按傾倒～彎曲、彎曲～拉裂的變形程度的強(qiáng)弱劃分為強(qiáng)變形體和弱變形體，強(qiáng)變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角小于30°，而弱變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角在30～60°。

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 模型及計(jì)算參數(shù)

基于FLAC 3D數(shù)值有限元建立模型進(jìn)行分析。設(shè)定模型材料靜力參數(shù)和模型靜力邊界條件，計(jì)算自重應(yīng)力的初始應(yīng)力場(chǎng)；設(shè)定材料本構(gòu)模型、材料動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行模型分析。采用典型剖面為圖1中的1-1’剖面。建立數(shù)值模型見圖1所示。

圖1 典型剖面數(shù)值計(jì)算模型圖

暴雨?duì)顟B(tài)下板巖強(qiáng)傾倒?jié)撛诨鎯?nèi)摩擦角取27°，粘聚力取35 kPa；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，天然狀態(tài)下板巖強(qiáng)傾倒?jié)撛诨婊鎯?nèi)摩擦角取29°，粘聚力取43 kPa。采用工程類比法，結(jié)合常見石英砂巖物理力學(xué)參數(shù)，將暴雨?duì)顟B(tài)下滑面內(nèi)摩擦角取37.80°，粘聚力取100 kPa；天然狀態(tài)下滑面內(nèi)摩擦角取40°，粘聚力取120 kPa。

4.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況①正常蓄水位下工況，水位3 723 m；②考慮水位驟降5 m，即3 718 m工況。

蓄水前坡體塑性區(qū)云圖表明，坡體的剪切應(yīng)變集中在強(qiáng)弱傾倒變形體的底界以及兩個(gè)潛在滑移面上，傾倒變形體底界前部的剪切應(yīng)變最大，最大值為4.58×10-4。結(jié)果表明，坡體的剪切應(yīng)變集中在強(qiáng)傾倒變形體的底界上，最大值為0.01。應(yīng)變?cè)隽吭茍D表明，強(qiáng)傾倒變形體穩(wěn)定性較差。

不同水位下，傾倒變形體塑性區(qū)云圖表明，底界潛在滑面未出現(xiàn)塑性屈服現(xiàn)象，強(qiáng)傾倒變形體處于穩(wěn)定狀態(tài)；弱傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區(qū)，弱傾倒變形體處于穩(wěn)定狀態(tài)；潛在滑移面Ⅰ未出現(xiàn)塑性屈服現(xiàn)象，處于穩(wěn)定狀態(tài)；潛在滑移面Ⅱ未形成貫通塑性屈服區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。水位驟降后，強(qiáng)傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區(qū)，強(qiáng)傾倒變形體處于穩(wěn)定狀態(tài)；弱傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)；潛在滑移面Ⅰ未形成貫通塑性屈服區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)；潛在滑移面Ⅱ未形成貫通塑性屈服區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

不同水位工況下，傾倒變形體水平位移云圖表明，弱傾倒變形體前緣的水平位移最大，最大值為1.63×10-3m，弱傾倒變形體上的水平位移較小，基巖上的水平位移最小。水位驟降后強(qiáng)傾倒變形體前緣的水平位移最大，最大值為0.02 m，弱傾倒變形體上的水平位移較小，基巖的水平位移最小。

綜合有限元數(shù)值模擬可以看出，水位驟降對(duì)研究區(qū)傾倒變形體的穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)水位降低時(shí)，邊坡水平位移大幅增大，塑性區(qū)擴(kuò)展較快，穩(wěn)定性降低。

5 結(jié)論

①變形體所在部位以板巖、石英砂巖為主。隨著河谷下切、地殼相應(yīng)抬升，使得岸坡巖體向臨空面方向發(fā)生傾倒～彎曲、彎曲～拉裂、彎曲折斷面形成潛在底滑面的過程模式?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析，強(qiáng)變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角一般小于30°，而弱變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角30°～60°。②FLAC數(shù)值模擬結(jié)果表明，傾倒變形體邊坡在蓄水前主要為強(qiáng)傾倒變形體的表面發(fā)生淺表層變形破壞。不同蓄水位工況下傾倒變形體的穩(wěn)定性結(jié)果表明，當(dāng)蓄水位為3 723 m 時(shí)，變形體前緣的水平位移最大，最大值為1.63×10-3m；水位為3 718 m 時(shí)，最大值水平位移為0.02 m。整體來看，水位驟降對(duì)傾倒變形體的穩(wěn)定性影響較大，但數(shù)值結(jié)果表明強(qiáng)傾倒變形體和弱傾倒變形體的滑面均為發(fā)生貫通，壩庫水位驟降導(dǎo)致的失穩(wěn)的可能性較小。