基于塊體單元法的白鶴灘左岸邊坡穩(wěn)定性分析

鄭惠峰，吳關(guān)葉，徐建榮

（中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014）

1 工程地質(zhì)條件

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，上游與烏東德水電站相接，下游與溪洛渡水電站相連。電站初擬裝機(jī)容量14 000 MW，是西電東送骨干電源點(diǎn)之一。電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m。泄洪設(shè)施由壩身6個(gè)表孔及7個(gè)深孔和左岸3條無壓直泄洪隧洞組成，壩下設(shè)水墊塘、二道壩。地下廠房采用首部開發(fā)方式布置，左右岸各布置8臺(tái)百萬千瓦機(jī)組。

白鶴灘水電站壩址左岸谷肩以上總體表現(xiàn)為斜坡地形，谷肩以下為陡壁與緩坡相間地形，陡壁間有較窄的緩坡臺(tái)地相連，緩坡臺(tái)地順巖流層面發(fā)育，其上堆積有上級(jí)陡壁巖體的崩積物（圖1）。左岸谷肩以下綜合地形坡度42°左右。左岸谷肩以下自然邊坡高度200～440 m。金沙江由南向北流經(jīng)壩址區(qū)。

左岸邊坡主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖（P2β），為第2至第4巖流層（P2β2至 P2β4），為單斜構(gòu)造，巖流層產(chǎn)狀 N40°～50°E，SE∠15°～20°，傾向上游偏右岸，巖層走向與河流流向約呈45°斜交，屬于斜順向坡。

左岸邊坡斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育2組N W向（N30°W，N60°W）陡傾角斷層，其中規(guī)模較大并對(duì)岸坡發(fā)展有一定控制作用的斷層有F13，f114，F(xiàn)14，F(xiàn)16（N60°W），F(xiàn)33，f108（N30°W）等。NE向斷層規(guī)模較大的為F17斷層，自上游谷肩部位，斜切左壩肩抗力體邊坡的中部，延伸至勘Ⅹ線的坡底（河中），將左岸上游部分坡體一分為二。

層間錯(cuò)動(dòng)帶C3-1，C3發(fā)育于左岸坡的中上部，形成寬50～70 m的斜坡地形，對(duì)左岸上部邊坡的發(fā)展形成一定的控制作用。其上盤P2β4層坡體內(nèi)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，但大多規(guī)模小，性狀不穩(wěn)定，連續(xù)性差，一般僅對(duì)局部邊坡起影響作用。層間錯(cuò)動(dòng)帶C3-1下盤層坡體內(nèi)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶不發(fā)育，坡面多為陡壁地形；其下層柱狀節(jié)理玄武巖層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，且與巖流層小角度相交，其中規(guī)模最大的為LS337，由于其性狀差，分布范圍廣，局部范圍傾角大（30°），對(duì)左岸邊坡穩(wěn)定起重要的控制作用。

左岸邊坡卸荷裂隙主要表現(xiàn)為拉裂縫，寬度大于10 c m的卸荷裂隙有15條。邊坡長大卸荷裂隙走向以NS向?yàn)橹?，與河流流向基本平行，且主要分布于勘Ⅰ線至勘Ⅹ1線720 m高程以上，斷層F14下游和LS337上盤范圍內(nèi)岸坡。其中以J110規(guī)模最大，寬5～30 c m，延伸長度165 m，距坡面最大水平距離為106 m，由數(shù)條雁行式排列的拉裂縫連接而成。

圖1 白鶴灘左岸邊坡地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plan of the left bank slope of Baihetan

2 左岸邊坡變形特征及變形機(jī)理

左岸邊坡巖體變形主要表現(xiàn)為巖體中產(chǎn)生卸荷裂隙和邊坡表層巖體的整體松弛。具有以下幾個(gè)方面的特征：①左岸坎狀地形平緩地帶均沿緩傾錯(cuò)動(dòng)帶形成，反映了岸坡改造過程中錯(cuò)動(dòng)帶的底滑面作用，緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶是邊坡穩(wěn)定的控制性因素；②在鉛直方向上，卸荷裂隙大部分止于緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶。C3-1，LS337均限制了卸荷裂隙的向下發(fā)展。說明緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶是邊坡巖體變形的控制性結(jié)構(gòu)面；③大型陡崖均呈NW向，沿NW向斷層發(fā)育，表明規(guī)模較大的N W向斷層是邊坡變形的側(cè)向控制邊界，斷層下游側(cè)一定范圍巖體的變形發(fā)展速率要明顯大于斷層的上游側(cè)。如NW向斷層F14的上下游側(cè)巖體風(fēng)化與卸荷強(qiáng)度差異明顯，上游側(cè)卸荷深度明顯小于下游側(cè)；④同一緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶上盤的卸荷裂隙，在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出水平發(fā)育深度下游大于上游的特點(diǎn)，C3-1上盤和LS337上盤長大卸荷裂隙發(fā)育均有此特點(diǎn)，表明變形有從下游向上游漸進(jìn)式發(fā)展的特點(diǎn)。這種漸進(jìn)式發(fā)展會(huì)受到NW向斷層如F14的局部控制。

由左岸邊坡變形特征分析可以認(rèn)為緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶和N W向斷層是左岸邊坡變形的主要控制因素。邊坡變形機(jī)理如下：隨著河谷的下切，邊坡巖體產(chǎn)生向臨空方向的卸荷變形，包括地應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的巖石回彈變形、結(jié)構(gòu)面的張開變形和沿錯(cuò)動(dòng)帶的剪切變形等；邊坡形成后，由于應(yīng)力釋放，首先在邊坡前緣坡頂形成應(yīng)力松弛區(qū)或拉應(yīng)力區(qū)，從而形成卸荷裂隙（即拉裂縫）；當(dāng)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶在坡腳出露時(shí)，沿錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生剪切變形，剪切變形會(huì)弱化錯(cuò)動(dòng)帶的工程地質(zhì)性狀，其上盤巖體由于應(yīng)力松弛而出現(xiàn)裂隙張開，該變形破壞機(jī)制是比較典型的“蠕滑拉裂”型；隨著時(shí)間的推移，卸荷裂隙逐漸連通并與NW向結(jié)構(gòu)面組合形成可動(dòng)塊體，沿緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生滑動(dòng)破壞或解體破壞；對(duì)于緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶來說，越靠近臨空面（前緣），剪切變形越大，卸荷、風(fēng)化、地下水作用越強(qiáng)烈，錯(cuò)動(dòng)帶的工程地質(zhì)性狀也越差。所以破壞往往是從前緣開始，向后緣發(fā)展。由于巖層產(chǎn)狀傾向上游偏右岸，緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶臨空是由下游開始，向上游發(fā)展，故邊坡變形自下游向上游漸進(jìn)式發(fā)展。NW向結(jié)構(gòu)面尤其是規(guī)模較大的斷層，對(duì)左岸邊坡由下游向上游發(fā)展的變形也起到一定的限制作用，即NW向結(jié)構(gòu)面下游側(cè)巖體變形明顯大于上游側(cè)，規(guī)模較大的NW向斷層如F14，F(xiàn)12，F(xiàn)13等都是邊坡變形的側(cè)緣控制邊界。

綜上所述，壩區(qū)與左岸邊坡走向近平行的斷層不發(fā)育，規(guī)模較小，且傾角近直立，不會(huì)在邊坡面上臨空出露，因此不會(huì)產(chǎn)生沿陡傾角結(jié)構(gòu)面的平面滑動(dòng)破壞；壩區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面與邊坡走向斜交，因此也不會(huì)產(chǎn)生沿緩傾角結(jié)構(gòu)面的平面型滑動(dòng)。以緩傾角層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶作為底滑面，NW向斷層為側(cè)滑面，NN W向斷層及順河向長大裂隙為后緣面的結(jié)構(gòu)面組合塊體滑動(dòng)破壞為左岸邊坡主要的失穩(wěn)模式。

3 巖石邊坡穩(wěn)定分析的塊體單元法

3.1 邊坡穩(wěn)定分析方法的一般認(rèn)識(shí)

在巖體力學(xué)分析方法中，能否合理反映結(jié)構(gòu)面的影響，成為衡量該方法是否適用于巖體變形和穩(wěn)定性分析的重要標(biāo)準(zhǔn)。從最初的剛體極限平衡法［1］，到基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限單元法［2-4］等，以及基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)離散單元法［5］、DDA方法［6］、剛體-彈簧元法［7］、塊體單元法［8-10］等，直至介于二者之間的數(shù)值流行方法［11］，計(jì)算巖體力學(xué)中各種分析方法提出的初衷和發(fā)展的方向均以模擬巖體二元結(jié)構(gòu)下的不連續(xù)變形和穩(wěn)定問題。

針對(duì)白鶴灘左岸邊坡塊體系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，傳統(tǒng)的剛體極限平衡法主要的局限在于如何準(zhǔn)確地描述復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法同時(shí)存在復(fù)雜地形面、大量結(jié)構(gòu)面的建模問題和巖石塊體間不連續(xù)變形的適應(yīng)性問題。因此采用不連續(xù)巖體力學(xué)方法更為合適，其中三維彈黏塑性塊體單元法（BEM）具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.2 塊體單元法基本原理

塊體單元法以塊體系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別方法［12］作為前處理器。只需要給出結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和出露位置即可自動(dòng)生成計(jì)算區(qū)域內(nèi)的塊體系統(tǒng)，其應(yīng)用于巖石邊坡等被大量結(jié)構(gòu)面切割的復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的信息自動(dòng)識(shí)別，能大為降低前處理工程量和準(zhǔn)確性。

塊體單元法首先假定塊體之間是面-面接觸，同時(shí)常規(guī)的彈黏塑性塊體單元法還假定巖石塊體為剛體，只考慮結(jié)構(gòu)面的變形和強(qiáng)度特性。巖體結(jié)構(gòu)塊體系統(tǒng)位移與穩(wěn)定分析的基本方程由塊體系統(tǒng)的平衡方程、結(jié)構(gòu)面變形與塊體位移的幾何相容方程、以及結(jié)構(gòu)面上的彈黏塑性本構(gòu)方程構(gòu)成。

塊體單元法對(duì)塊體或塊體組合安全系數(shù)的評(píng)價(jià)可采用2種方式：一種通過降低塊體組合相關(guān)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)（f，c）推求塊體組合的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)；另一種將塊體單元法計(jì)算所得的塊體的應(yīng)力結(jié)果應(yīng)用于剛體極限平衡法，直接用力的平衡條件計(jì)算塊體組合的安全系數(shù)。本文中的塊體安全系數(shù)是通過第一種方式計(jì)算得到。

4 白鶴灘左岸邊坡塊體系統(tǒng)穩(wěn)定分析

4.1 左岸邊坡三維塊體系統(tǒng)建立

運(yùn)用塊體系統(tǒng)識(shí)別方法，將左岸邊坡大多數(shù)結(jié)構(gòu)面（層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、裂隙等）納入考慮后，成功地進(jìn)行了白鶴灘壩區(qū)左岸邊坡塊體切割，建立了左岸邊坡塊體系統(tǒng)模型（圖2）。塊體系統(tǒng)模型共包含結(jié)構(gòu)面74條，共形成546個(gè)塊體單元。其中，規(guī)模較大的主要可動(dòng)塊體基本特征見表1。

圖2 左岸塊體系統(tǒng)局部分解Fig.2 Partial decomposition of block system of the left bank slope

表1 左岸邊坡主要可動(dòng)塊體基本特征Table 1 Basic characteristics of movable blocks of the left bank slope

4.2 左岸邊坡塊體穩(wěn)定性分析

在建立左岸三維塊體系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，采用彈黏塑性塊體單元法（BEM）計(jì)算邊坡塊體或塊體組合強(qiáng)度儲(chǔ)備穩(wěn)定安全系數(shù)。表2為穩(wěn)定性計(jì)算中主要結(jié)構(gòu)面參數(shù)物理力學(xué)參數(shù)。

采用常規(guī)的三維剛體極限平衡法進(jìn)行塊體穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算成果見表3。從左岸強(qiáng)卸荷邊坡主要塊體持久工況下穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比可以看出，2種方法計(jì)算成果基本一致。同時(shí)塊體單元法分析表明，在對(duì)左岸塊體系統(tǒng)進(jìn)行整體分析的情況下，與深部卸荷裂隙J110和緩傾角層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS337相關(guān)的1-1＃塊體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，且1-1＃塊體位于邊坡前緣，因此，可以認(rèn)為，1-1＃塊體為左岸邊坡的控制性塊體（或關(guān)鍵塊體），是邊坡加固的重點(diǎn)部位。

表2 主要結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical properties of discontinuities

表3 左岸邊坡主要特定塊體穩(wěn)定性分析成果Table 3 Results of stability analysis for movable blocks of the left bank slope

4.3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步研究白鶴灘左岸邊坡穩(wěn)定安全度，采用二維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法，進(jìn)行邊坡塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕M LS337，C3-1，J110，J136，f101，J108等結(jié)構(gòu)面，試驗(yàn)中主要對(duì)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶LS337，C3-1進(jìn)行降強(qiáng)，然后再對(duì)塊體系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)超載，以研究邊坡的破壞過程、破壞形態(tài)和破壞機(jī)理的同時(shí)，提出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

模式試驗(yàn)表明，1-1＃塊體安全系數(shù)為1.059，2＃塊體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.078。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)成果與塊體單元法（BEM）計(jì)算結(jié)論基本一致。

圖3為模型最終的破壞形態(tài)。

圖3 左岸邊坡模型最終破壞的形態(tài)Fig.3 Final f ailure mode of the left bank slope model

5 結(jié) 論

本文分析了白鶴灘水電站左岸強(qiáng)卸荷發(fā)育邊坡基本地形地質(zhì)條件、邊坡變形特征及變形機(jī)理。以緩傾角層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶作為底滑面，NW向斷層為側(cè)滑面，NN W向斷層及順河向長大裂隙為后緣面的結(jié)構(gòu)面組合塊體滑動(dòng)破壞為邊坡主要失穩(wěn)模式。

采用塊體單元法（BEM）進(jìn)行白鶴灘左岸邊坡塊體系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，計(jì)算了各特定塊體各工況下強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。分析表明：

（1）1-1＃塊體天然條件下穩(wěn)定安全系數(shù)略大于1.0，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，2＃塊體穩(wěn)定性安全系數(shù)也較低。因此，1-1＃和2＃塊體均需進(jìn)行加固處理。

（2）左岸特定塊體安全系數(shù)對(duì)比可以看出，以層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS337為底滑面的1-1＃，2＃，3＃塊體穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于其他塊體，可以認(rèn)為LS337對(duì)左岸邊坡塊體穩(wěn)定的控制性作用。

（3）由1-1＃，2＃，3＃塊體間實(shí)際存在的空間關(guān)系可以看出，2＃，3＃塊體位于1-1＃塊體后緣，尚不具備臨空條件，只有在1-1＃塊體已經(jīng)滑動(dòng)失穩(wěn)的條件下，2＃塊體和3＃塊體前緣才處于臨空狀態(tài)，具備滑動(dòng)失穩(wěn)的條件。從3個(gè)塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)來看，處于前緣的1-1＃塊體安全系數(shù)最小，因此，可以認(rèn)為1-1＃塊體為左岸邊坡的關(guān)鍵塊體，是左岸邊坡加固處理的重點(diǎn)區(qū)域。

塊體單元法（BEM）穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果與常規(guī)剛體極限平衡法及地質(zhì)力學(xué)模式試驗(yàn)成果基本一致。同時(shí)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)也表明處于邊坡前緣的1-1＃塊體為左岸塊體系統(tǒng)邊坡的關(guān)鍵塊體。

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