基于非連續(xù)變形分析的黃河上游某電站庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析＊

■ 馬偉 趙煒

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 北京 100190

2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710065

0 引言

邊坡穩(wěn)定問題是工程領(lǐng)域和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。我國(guó)水電工程開發(fā)建設(shè)中，部分岸坡一定高程處分布有不穩(wěn)定的傾倒變形巖體，當(dāng)巖層走向與坡面近于平行且?guī)r層陡傾坡內(nèi)或近于直立時(shí)，受巖體自重力矩的長(zhǎng)期作用，傾倒變形就會(huì)發(fā)生[1]。1959年，法國(guó)馬爾帕塞拱壩左岸壩肩發(fā)生巖質(zhì)體失穩(wěn)，大壩潰壩淹沒多個(gè)城鎮(zhèn)，造成420 多人死亡[2][3]。1963年，意大利瓦伊昂水庫(kù)發(fā)生2.4億m3大型巖質(zhì)失穩(wěn)滑入水庫(kù)，引起超過100m 的涌浪翻越拱壩，造成2600 多人死亡，5 座村莊被毀[4]。在我國(guó)，自上世紀(jì)80年代，瀾滄江苗尾、金沙江虎跳峽、雅礱江錦屏和白龍江苗家壩等水電工程開發(fā)建設(shè)中都遇到了巖質(zhì)高邊坡傾倒變形的問題[5]。上述工程實(shí)例可見，由于邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致的自然災(zāi)害損失極其巨大，對(duì)存在邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的已建和待建水電站開展邊坡穩(wěn)定性研究，意義重大而深遠(yuǎn)。

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)傾倒變形問題開展了深入的研究[6][7][8][9][10]。Goodman 和Bray[11]將巖體傾倒變形歸納為彎曲和塊狀彎曲傾倒、塊狀和次生傾倒，開創(chuàng)性提出運(yùn)用極限平衡分析原理分析傾倒變形問題，即Goodman-Bray方法（簡(jiǎn)稱G-B法）。陳祖煜等[12]從巖柱底滑面連通率、安全系數(shù)、破壞模式和條狀形狀等角度對(duì)G-B 法進(jìn)行改進(jìn)，并在龍灘水電站左岸邊坡傾倒穩(wěn)定問題得到了很好的驗(yàn)證。Coggan[13]研究發(fā)現(xiàn)地下水位的變化是影響巖體傾倒變形的重要因素。吳建川等[14]運(yùn)用極限平衡分析法對(duì)星光傾倒變形巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果顯示與蓄水后岸坡的變形吻合度較好。張丙先等[16]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探和原位試驗(yàn)等方法，將岸坡變形特征和板巖變形特性聯(lián)系起來，將玉曲河下段河谷由板巖組成的岸坡變形分為傾倒折斷、傾倒彎曲和傾倒揉皺彎曲3種類型。

目前，庫(kù)岸邊坡傾倒變形這一世界難題現(xiàn)有的研究成果仍然較少，主要集中在通過數(shù)值分析得到庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)變形特性[17][18]，未考慮裂隙滲流、流變等因素的影響。而裂隙滲流與巖體工程邊坡的穩(wěn)定密切相關(guān)，流變也是巖體固有屬性，如何實(shí)現(xiàn)裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合作用是庫(kù)岸邊坡傾倒變形在數(shù)值分析中需要尋求的突破點(diǎn)。采用改進(jìn)的非連續(xù)變形分析（Discontinuous Deformation Analysis method,DDA）程序和方法，考慮滲流荷載的非連續(xù)變形分析[19]建立總體平衡方程，通過“縫面應(yīng)力-裂隙開度-滲透系數(shù)”，實(shí)現(xiàn)裂隙巖體滲流-和應(yīng)力耦合作用的DDA 模擬，同時(shí)構(gòu)建可反映總體應(yīng)力水平的DDA 流變模型，可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)出黃河上游某電站庫(kù)岸邊坡傾倒變形的真實(shí)情況，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

黃河上游某水電站（一等大（1）型工程）以發(fā)電為主，在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻與事故備用的作用。該電站樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪和壩后消能建筑物，以及右岸全地下廠房組成。

電站庫(kù)區(qū)峽谷兩岸斜坡巖體經(jīng)受了長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕、卸荷及重力作用的表生改造過程，變形破壞現(xiàn)象普遍。壩前庫(kù)段與水電站關(guān)系密切的塌滑體為一體積巨大的岸坡，該岸坡體積9200 萬m3，是控制庫(kù)岸穩(wěn)定的重要塌滑體。

庫(kù)岸邊坡變形體是地質(zhì)歷史時(shí)期高陡臨空岸坡巖體在不利結(jié)構(gòu)面組合條件下，長(zhǎng)期的重力、高地應(yīng)力釋放等作用引起的卸荷→傾倒→拉裂型復(fù)合變形的產(chǎn)物。變形體規(guī)模巨大，未發(fā)現(xiàn)貫通性傾向坡外的軟弱結(jié)構(gòu)面，變形體整體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；當(dāng)前庫(kù)岸變形速率趨緩，但變形尚未完全收斂，岸坡整體基本穩(wěn)定，部分山梁淺表層存在局部失穩(wěn)的可能。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已知工程的調(diào)查及文獻(xiàn)調(diào)研分

析[20][21][22][23]，獲知該庫(kù)岸邊坡傾倒變形問題實(shí)屬罕見，是目前世界上硬巖邊坡傾倒變形量值最大、體積最大、高度最大的邊坡。因此，對(duì)硬巖傾倒大變形邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，可為風(fēng)險(xiǎn)防控措施的制定提供指導(dǎo)。

2 數(shù)值模型

2.1 計(jì)算原理

采用的DDA 方法中，基本分析單元是被天然存在的節(jié)理、裂隙切割形成的的任意多邊形塊體[15]，在考慮單元的自身變形、轉(zhuǎn)動(dòng)、剛體平動(dòng)以及相互作用的基礎(chǔ)上，采用全面、高效的搜索接觸方法，得到塊體系統(tǒng)中任意可能的接觸形式，再通過“最小勢(shì)能原理”構(gòu)建合理的平衡方程組，界定隱式解，從而來求解各個(gè)塊體的變形和位移。該方法在模擬巖體系統(tǒng)失穩(wěn)后的大變形、大位移以及沿結(jié)構(gòu)面張開等不連續(xù)變形問題優(yōu)勢(shì)明顯。

采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院改進(jìn)擴(kuò)展的DDA 方法，改進(jìn)后的DDA 程序除具備開挖、支護(hù)、降強(qiáng)、超載等基本功能外，還增加了流固耦合分析、流變變形分析、塊體破碎等功能，同時(shí)該方法配置一套后處理程序，可用于展示計(jì)算分析得到的巖體受力、變形以及穩(wěn)定分析的結(jié)果。

2.2 計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，3#山梁是岸坡風(fēng)險(xiǎn)最大的區(qū)域，故選取3#山梁典型剖面，采用二維DDA 對(duì)邊坡蓄水過程中的傾倒變形破壞進(jìn)行模擬，構(gòu)建二維DDA 的計(jì)算模型。模型的巖體從里及表依次分為4 種結(jié)構(gòu)類型：原巖和散體、碎裂、塊裂等結(jié)構(gòu)。岸坡整體為花崗巖巖質(zhì)，按照地質(zhì)情況因素分組，結(jié)構(gòu)面概化為4組：第I組傾角68°，第II 組傾角122°，第III 組傾角30°，第IV 組傾角161°。

充分考慮計(jì)算可行性并結(jié)合實(shí)際情況，如圖1所示，建立3#山梁二維DDA計(jì)算模型，模型共2396個(gè)單元，長(zhǎng)1625.36m，高835m。

圖1 3＃梁二維DDA計(jì)算模型

巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 不同分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

表2 不同分區(qū)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 基于概化模型的二維DDA穩(wěn)定分析

3.1.1 計(jì)算工況

基于DDA方法，采用二維DDA分析模型，模擬岸坡蓄水期所引起的傾倒變形，具體過程如下：

（1）加“自重荷載+初始水位”計(jì)算至穩(wěn)定，計(jì)算出岸坡在蓄水前歷史上已經(jīng)發(fā)生的變形(此變形不計(jì))。

（2）基于第（1）步，按實(shí)際蓄水過程模擬水位變動(dòng)對(duì)岸坡變形的影響，將求得的最終位移減去第（1）步求得的位移即為蓄水過程中岸坡的變形。

水的作用按滲流力進(jìn)行考慮，用滲流-變形耦合功能，分析裂隙滲流場(chǎng)，進(jìn)而將裂隙里的水以面力的形式作用于縫隙的表面，裂隙水的作用會(huì)影響到縫的開度，開度的變化又影響到滲流場(chǎng)，通過迭代計(jì)算可以模擬出滲流和變形的耦合影響。

擬定不考慮蠕變和考慮蠕變共兩個(gè)工況：

工況一：初始應(yīng)力（自重+初始水位）+水壓+裂隙滲流（僅考慮水位變動(dòng)引起的瞬時(shí)變形）

工況二：初始應(yīng)力（自重+初始水位）+水壓+裂隙滲流（計(jì)算水位變動(dòng)引起的瞬時(shí)變形）+裂隙與結(jié)構(gòu)面蠕變（考慮岸坡的時(shí)效變形）

將兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可進(jìn)一步說明巖體的蠕變對(duì)傾倒大變形的影響程度。

3.1.2 模擬結(jié)果

工況一（不考慮蠕變）蓄水后岸坡的變形形態(tài)見圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，岸坡前緣（觀測(cè)點(diǎn)K1）呈現(xiàn)明顯的傾倒變形形態(tài)，頂部平臺(tái)后緣（觀測(cè)點(diǎn)LS05）有明顯的下沉變形，而圖2 中岸坡的變形形態(tài)中還未呈現(xiàn)出與實(shí)際較為一致的變形形態(tài)。

圖2 岸坡整體變形形態(tài)（工況一）

工況一岸坡典型測(cè)點(diǎn)的位移過程線見圖3?？梢钥闯觯钏c岸坡的變形高度相關(guān)，每次抬升水位，即加快岸坡的變形速率，誘發(fā)新的變形，在某一高程水位穩(wěn)定時(shí)，岸坡的變形速率逐步降低，變形趨于穩(wěn)定。在自重荷載+初始水位計(jì)算穩(wěn)定后，岸坡最大位移發(fā)生在岸坡頂部平臺(tái)前緣，該部位觀測(cè)點(diǎn)K1 的綜合位移為3.45m，此變形在歷史上已經(jīng)完成，不應(yīng)計(jì)入。蓄水后，岸坡位移隨著蓄水逐級(jí)抬升成階梯狀增加，觀測(cè)點(diǎn)K1 最終的綜合位移為4.36m，因此，岸坡由蓄水而誘發(fā)的最大綜合位移為0.91m。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料顯示，自蓄水以來，岸坡最大綜合位移高達(dá)39m，計(jì)算結(jié)果顯然與實(shí)際不符。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)位移過程線（工況一）

工況二（考慮蠕變）的蓄水后岸坡的變形形態(tài)如圖4所示。從圖中可以看出，岸坡頂部平臺(tái)前緣（觀測(cè)點(diǎn)K1）呈現(xiàn)出明顯的傾倒變形形態(tài)，平臺(tái)后緣（觀測(cè)點(diǎn)LS05）產(chǎn)生下沉變形，岸坡下部（觀測(cè)點(diǎn)TP3-3）為蠕滑變形，與已有現(xiàn)場(chǎng)勘察資料顯示的岸坡實(shí)際的變形形態(tài)趨于一致。

圖4 岸坡整體變形形態(tài)（工況二）

岸坡典型測(cè)點(diǎn)的位移過程線如圖5 所示?？梢钥闯觯镀碌淖冃闻c蓄水的相關(guān)性較好，考慮蠕變使得變形量值增大，與實(shí)際變形較為接近；當(dāng)蓄水至2448m 高程時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)K1 最終的綜合位移為41.65m，與實(shí)測(cè)39m的位移較為接近；當(dāng)岸坡在水位穩(wěn)定到2452m 正常蓄水位后，變形最終趨于收斂。岸坡頂部平臺(tái)后緣LS05 測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生了較大下沉變形，變形量大于頂部平臺(tái)前緣K1；蓄水至2448m 高程時(shí)，該測(cè)點(diǎn)最終的下沉變形為16.33m，LS05測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)下沉變形為15.92m，表明數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)值較為一致；水位抬升至2452m 高程后，會(huì)產(chǎn)生一定的變形增量，但變形最終能夠收斂，說明邊坡在沒有其他外在荷載（如地震）作用下，能夠保持穩(wěn)定。

圖5 典型測(cè)點(diǎn)位移過程線（工況二）

3.2 變形形態(tài)模擬

用DDA 方法模擬岸坡整體的傾倒破壞形態(tài)，重點(diǎn)模擬實(shí)際勘察到的岸坡的細(xì)部的地質(zhì)破壞現(xiàn)象，如表面塊體的松動(dòng)、垮塌、巖體內(nèi)部的張裂、剪切錯(cuò)動(dòng)等。由3.1節(jié)可知，不考慮蠕變時(shí)，岸坡最大綜合位移與實(shí)際情況不符，而考慮結(jié)構(gòu)面的蠕變作用，蓄水引起的岸坡最大綜合位移與觀測(cè)值較為接近。因此，變形形態(tài)的模擬在考慮蠕變作用工況二下進(jìn)行。

岸坡整體變形形態(tài)如圖6 所示?？梢钥闯?，由于蓄水作用，岸坡下部表層巖塊發(fā)生蠕滑變形，岸坡中上部表層巖塊有明顯的傾倒變形，尤其是頂部平臺(tái)前緣傾倒變形最為劇烈；岸坡頂部平臺(tái)后緣有明顯的下沉變形。數(shù)值模擬得到的岸坡的整體變形形態(tài)與實(shí)際情況較為接近。

圖6 岸坡的變形形態(tài)（工況二）

岸坡巖體細(xì)部的一些變形形態(tài)如圖7所示?？梢钥闯?，DDA數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好的呈現(xiàn)岸坡實(shí)際的一些變形破壞特征，如：岸坡中上部的傾倒變形、下部表層巖塊的局部垮塌、表面塊體的松動(dòng)、頂部平臺(tái)后緣的下沉、巖體內(nèi)部的張裂變形、剪切錯(cuò)動(dòng)等，展現(xiàn)出DDA 法在模擬岸坡塊體的變形形態(tài)上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖7 岸坡細(xì)部變形形態(tài)（工況二）

3.3 基于校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷亩SDDA穩(wěn)定分析

岸坡變形為傾倒變形且變形量大，變形的影響因素較多，實(shí)際情況復(fù)雜，需進(jìn)行校驗(yàn)，采用校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用DDA 方法，對(duì)岸坡的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)變形比較，驗(yàn)證計(jì)算方法和思路正確性。

3.3.1 初始荷載和基本假定

校驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紤]的荷載主要包括：初始水位、自重、蓄水引起的流變、水位變動(dòng)。初始荷載應(yīng)考慮扣除自重引起的變形，這是因自重作用引起的變形在以往歷史上已經(jīng)形成，且僅保留自重產(chǎn)生的初應(yīng)力場(chǎng)。在數(shù)值模擬中，應(yīng)在解釋岸坡錯(cuò)落體時(shí)效力學(xué)行為，應(yīng)重點(diǎn)考慮巖體的流變特性。

蓄水引起水位變動(dòng)過程可以概化為以下7個(gè)過程：

原河床水位2240m→2369m→2391m→2419m→2430m→2440m→2448m→2452m

每一個(gè)過程前一個(gè)水位抬升至后一個(gè)水位后，維持一段時(shí)間，研究岸坡變形情況。

擬定工況：

工況：自重+原河床水位+多次蓄水+考慮巖體流變

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

模擬計(jì)算結(jié)果見圖8。從中可以看出，對(duì)岸坡整體而言，主要呈自上而下的傾倒變形；對(duì)岸坡局部而言，伴隨有擠出、崩塌、剪切、張裂等，典型的擠壓式傾倒變形主要集中在中上部底部控制面附有大量的巖塊擠出破碎，中下部仍以傾倒變形為主且有少量的剪切錯(cuò)動(dòng)；由于頂部平臺(tái)整體傾向庫(kù)區(qū)內(nèi)變形，頂部平臺(tái)出現(xiàn)了塌陷。

圖8 岸坡變形形態(tài)

如圖9 所示的岸坡變形云圖，岸坡的頂部前緣位置發(fā)生最大變形，變形量近40m；底板控制面出口的附近，少量塊體隨變形被擠出，所以該處存在較大變形量；在岸坡的最大豎向變形接近15m，在頂部平臺(tái)的前緣和后緣附近，有數(shù)個(gè)陷落帶；岸坡的水平最大變形為30m，變形朝向河道。

圖9 岸坡變形云圖

綜上所述，由于蓄水?dāng)_動(dòng)引起的變形量小，只有在考慮蠕變的情況下，數(shù)值模擬變形量的大小與實(shí)際結(jié)果趨于一致；通過DDA 模擬的岸坡變形形態(tài)與實(shí)際岸坡變形一致，變形量沿坡由下到上逐漸增大，整體變形和局部變形的模擬效果較好，體現(xiàn)出DDA 法在模擬塊狀巖體變形和穩(wěn)定具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

以黃河上游某電站庫(kù)岸邊坡傾倒變形體為研究對(duì)象，選取3#山梁典型剖面，采用二維DDA 程序?qū)吰略谛钏^程中的傾倒變形機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算模擬了岸坡蓄水期的傾倒變形，再現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)勘探到的一些巖體的細(xì)部破壞特征。主要結(jié)論如下：

(1)該邊坡變形是由于水位抬高引起的坡腳有效應(yīng)力變化和巖體軟化觸發(fā)的蠕變變形，空間上以傾倒形態(tài)為主；數(shù)值模擬表明，蓄水是目前岸坡產(chǎn)生新的傾倒變形的誘發(fā)因素，岸坡的變形與水位變動(dòng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

(2)該庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定分析必須考慮蠕變作用。通過計(jì)算對(duì)比分析同樣可以看出，在扣除重力施加過程引起的變形后，由蓄水?dāng)_動(dòng)直接引起的變形量很小，只有充分的考慮巖體結(jié)構(gòu)面上的蠕變作用，才能得到與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合的變形值。

(3)DDA 模擬的岸坡變形形態(tài)與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。自坡腳沿坡向上發(fā)生大規(guī)模的傾倒變形，頂部平臺(tái)后緣發(fā)生明顯下沉，沿坡變形量由下至上逐漸增大，同時(shí)岸坡表面還伴隨有滾落、垮塌及內(nèi)部大量的剪切錯(cuò)動(dòng)、拉裂等變形。說明DDA 能夠很好的模擬斷層、節(jié)理、裂隙等構(gòu)造面的接觸、張開、滑移、擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖質(zhì)邊坡變形與受力性能的正確模擬。

(4)持續(xù)的傾倒變形會(huì)改變邊坡的外部形狀，使表面局部塊體失穩(wěn)、滾落，但模擬結(jié)果未見沿某個(gè)滑裂面的整體失穩(wěn)滑動(dòng)。