果卜庫岸邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析與評價

曹新民

（甘肅省肅南裕固族自治縣大河鄉(xiāng)水利工作站，甘肅 肅南734400）

0 前言

工程活動中必須面臨和解決的一類問題就是邊坡穩(wěn)定性問題，邊坡穩(wěn)定性問題的出現(xiàn)和發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展和進步具有密切的關(guān)系[1-5]。最早從十九世紀邊坡穩(wěn)定性問題才被提出，人類才開始研究該類問題，到二十世紀四十年代邊坡穩(wěn)定性問題的研究進入到重要的發(fā)展階段。

邊坡穩(wěn)定性問題的研究早期的主要研究對象是土體，并未延伸到巖質(zhì)邊坡，早期為了研究土體力學(xué)問題，往往假設(shè)邊坡滑動面的位置和形狀是固定的，同時采用材料力學(xué)方法以及基于簡單的均質(zhì)彈塑性理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗半理論的研究方法進行研究。這一時期有若干典型的研究方法，方法較多，但是運用起來往往相當(dāng)困難，比如彼得森的圓柱滑動面方法，該方法只考慮摩擦力而不考慮粘結(jié)力，再比如弗蘭西斯和卡爾門的平面滑動面分析方法等。上述方法所獲得計算結(jié)果與實際往往相差較大，這主要是由于上述方法，力學(xué)原理粗淺，所作出的有關(guān)假設(shè)往往脫離了土體的實際力學(xué)性質(zhì)。本文采用數(shù)值計算方法獲取果卜庫岸邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析，探討超高邊坡的變形機理。

1 工程概況

拉西瓦水電站水庫總庫容10.79億m3，裝機容量4200MW（6×70MW）。根據(jù)電力系統(tǒng)負荷發(fā)展，裝機程序為連續(xù)裝機5臺，第6臺機土建隨前5臺機一次完成。水庫調(diào)節(jié)庫容1.5億m3，具有日調(diào)節(jié)能力；電站多年平均發(fā)電量102.23億kWh，保證出力990MW。工程樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪表孔深孔壩后消力塘和右岸岸邊進水口地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫正常蓄水位2452m，壩頂高程2460m。果卜岸坡位于右岸壩前石門溝上游~雙樹溝范圍內(nèi)，岸頂高程距大壩500 m~1200 m（黃花溝）和1500 m（雙樹溝）；正常蓄水位高程時距大壩900 m~1700m范圍。岸坡高700m，屬于超高邊坡。

2 數(shù)值模型

2.1 計算原理與方法

岸坡破壞失穩(wěn)全過程包括三個階段：岸坡破壞孕育、岸坡局部失穩(wěn)跌落、庫區(qū)涌浪。合理描述上述三個階段的其中每一個，需要有限元、流體動力學(xué)等數(shù)值方法耦合使用。采用變形加固理論進行穩(wěn)定和加固分析。計算參數(shù)采用位移反演得到。計算程序采用非線性有限元程序TFINE。剪切吸水現(xiàn)象一般是指飽和堆積體在自然排水條件下含水率隨著剪切作用而增大的行為。相應(yīng)的剪切吸水率是指剪切過程中飽和堆積體的含水率隨著剪應(yīng)變的變化，它的大小主要是采用體應(yīng)變增量和剪應(yīng)變增量之比來度量來度量的。平衡和穩(wěn)定條件在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)里面是被連續(xù)化成場的概念的。微元體的平衡微分方程和屈服條件都要求在連續(xù)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)逐點得到滿足的。為了體現(xiàn)巖體次級結(jié)構(gòu)的力學(xué)效果，本文從復(fù)合材料力學(xué)的角度出發(fā)，將巖塊看成基質(zhì)，將次級結(jié)構(gòu)和巖體各種加固措施看成是夾雜?，F(xiàn)有模擬方法的缺點可以由材料力學(xué)方法克服。其實彈塑性有限元與材料力學(xué)方法都是通過求取本征應(yīng)變引起的材料力學(xué)。

2.2 計算模型

計算采用設(shè)計院提供的果卜岸坡地質(zhì)平、剖面圖，建立果卜岸坡完整的數(shù)值計算模型。模型模擬范圍為：垂直向，向河床以下深度方向延伸到2048m高程，頂部向上延伸到2980m高

2.3 材料力學(xué)參數(shù)

巖體及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)建議值分別如表1所示。

數(shù)值計算分析中，①、②組結(jié)構(gòu)面取碎屑夾泥型參數(shù)；③組的溝底以外淺部取碎屑夾泥型和巖塊巖屑型的程；橫河向，后緣以LF1至岸里100m為界，前緣延伸至左岸2250m高程為界。順河向：從雙樹溝到石門溝之間1200 m范圍。模型以豎直向下為Z軸正方向，水平指向山體為X軸正方向，指向上游為Y軸正方向。模型模擬范圍為：X方向：-1877m~0；Y 方向：-1200m~0；Z 方向：0~932m。

網(wǎng)格采用六面體和五面體單元，以保證能獲得較高的計算精度。計算網(wǎng)格如圖1所示。其中：整體模型總節(jié)點數(shù)：309108；總單元數(shù)：293863?；诓牧狭Ψ椒▉砟M巖體次級結(jié)構(gòu)，模擬了4組結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面模型和總體模型相互獨立，結(jié)構(gòu)面模型總節(jié)點數(shù)：177133；總單元數(shù)：149805。平均值。溝底以里取巖塊巖屑型參數(shù)；④組的淺部取碎屑夾泥型參數(shù)，深部取巖塊巖屑型的適當(dāng)折減參數(shù)；各組裂隙型結(jié)構(gòu)面可在巖塊巖屑型和硬性結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)之間選取。

圖1 果卜岸坡整體計算網(wǎng)格

表1 果卜錯落體巖體力學(xué)參數(shù)建議值

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 邊坡變形預(yù)測

預(yù)測邊坡從當(dāng)前狀況下，水位在一個月內(nèi)逐步抬升到2452m邊坡的整體變形，并計算了水位穩(wěn)定在2452 m后一個月內(nèi)邊坡的時效變形。

由結(jié)果可知，（1）各個測點預(yù)測結(jié)果增量下：監(jiān)測點k1：水位抬升過程中較反演結(jié)果約增大了14 cm。水位穩(wěn)定在2452 m一個月后變形約增大10 cm。（2）水位上升到2452 m后，邊坡整體變形不大，總體能保持穩(wěn)定。各剖面的位移分布情況為：（a）I-I剖面：橫河向最大位移為20.7 m，順河向最大位移為11.7 m，豎直向最大位移為22.9 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內(nèi)延伸約50 m。內(nèi)部巖體橫河向位移大部分在20 mm以下，順河向位移在10 mm以下，豎直向位移在20 mm以下。（b）III-III剖面：橫河向最大位移為13.7 m，順河向最大位移為5.1 m，豎直向最大位移為6.9 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內(nèi)延伸約30m。內(nèi)部巖體橫河向位移大部分在20mm以下，順河向位移在15mm以下，豎直向位移在25mm以下。（c）VI-VI剖面：橫河向最大位移為16.9m，順河向最大位移為4.2m，豎直向最大位移為12.5 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內(nèi)延伸約40 m。內(nèi)部巖體橫河向位移大部分在30 mm以下，順河向位移在10 mm以下，豎直向位移在20 mm以下。

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價和開挖方案建議

由結(jié)果可以看出：（1）正常工況下，邊坡屈服區(qū)主要集中在坡腳、坡頂處。坡腳處由于應(yīng)力集中，邊坡屈服區(qū)較大。頂部產(chǎn)生較大的傾倒變形，巖體屈服，進入塑性變形。（2）頂部和坡腳處均出現(xiàn)很大的不平衡力。頂部巖體出現(xiàn)很大的不平衡力，反映了頂部巖體處在局部失穩(wěn)或臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定性差。屈服區(qū)和不平衡力的分布，反映了邊坡當(dāng)前的穩(wěn)定狀況，即頂部巖體處于臨界失穩(wěn)，部分處于局部破壞，坡腳處巖體應(yīng)力集中（3）由于不平衡力是自平衡力系，在方向相反的不平衡力的分解部位，就是可能的滑動面的部位，因此，可以根據(jù)不平衡力的分布，可以大致確定可能滑坡體的滑動面。（4）水位上升至2452 m后，邊坡屈服區(qū)和不平衡力變化不大。

同時由結(jié)果可以看出：（1）按照設(shè)計院提供的方案（方案4A）進行開挖，邊坡回彈位移橫河向最大值為65.9 mm，順河向為-45.4mm，豎直向為-119.2 mm。（2）按照方案4B進行開挖，邊坡回彈位移橫河向為59.0 mm，順河向為104.7 mm，為-126.8mm。（3）按照方案4C進行開挖，邊坡回彈位移橫河向為88.7mm，順河向為103.6mm，豎直向為-154.6m。各方案回彈位移量值均較小。實際工程中可以將2860 m高程以上LF1前緣挖除一部分，2860m高程以下按照設(shè)計院方案階梯狀開挖，開挖方量約為1200萬m3。這樣既能減少開挖方量，也能降低頂部繼續(xù)發(fā)生傾倒變形，甚至發(fā)生滑坡的可能。

4 結(jié)語

通過對果卜岸坡穩(wěn)定性計算，可以得到如下結(jié)論：（1）果卜產(chǎn)生傾倒大變形的主要因素為：a）底部浸水巖體的力學(xué)參數(shù)變化；b）有效球應(yīng)力降低引起的剪切放大效應(yīng)；c）頂部傾倒巖體的臨界破壞。（2）邊坡的總體變形規(guī)律為：頂部巖體為傾倒大變形，邊坡內(nèi)部位移較小，與實測變形過程及大小基本一致。（3）在當(dāng)前工況下，邊坡整體穩(wěn)定安全度約為1.1，但安全余度自上而下，由低變高，上部淺層有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)。（4）三個開挖方案均有效果，整體靜力穩(wěn)定性可提高至1.3以上。

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