西部某水電站導(dǎo)流明渠邊坡傾倒變形現(xiàn)象研究

莊冬梅，鄒 浩，陳金國(guó)，毛 帥，張 攀

(湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)， 湖北 黃岡 438000)

我國(guó)水力資源分布不均，西部更為豐富[1-2]。隨著人類工程活動(dòng)的日益擴(kuò)大，傾倒變形在巖質(zhì)邊坡發(fā)生的次數(shù)日益增多，成為水電工程中日益凸顯的重大工程地質(zhì)問(wèn)題之一。傾倒破壞是一種典型的巖質(zhì)邊坡破壞模式，廣泛發(fā)育于各類工程如水利水電工程邊坡、公路邊坡及采礦邊坡等[3]。近幾年，國(guó)內(nèi)不同行業(yè)的研究者針對(duì)不同類型的巖質(zhì)邊坡傾倒變形做了大量的探索性研究工作。劉海軍等[4]在層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查分析和模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借用物理學(xué)概念定義了邊坡傾倒變形角位移。趙華等[5]基于地質(zhì)認(rèn)識(shí)及相似理論建立邊坡物理模型，研究反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的演化過(guò)程。楊建成等[6]通過(guò)在DDA方法中引入虛擬節(jié)理和真實(shí)節(jié)理的概念，用真實(shí)節(jié)理表征巖體中已經(jīng)存在的天然節(jié)理。曾海艷等[7]根據(jù)格里菲斯斷裂理論，對(duì)多種節(jié)理組合塊體開(kāi)展了靜動(dòng)力算例驗(yàn)證工作。其他眾多研究者針對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡變形影響因素、破壞機(jī)理等[8-18]進(jìn)行了相關(guān)研究。本文旨在通過(guò)選取一處典型傾倒變形邊坡借助多種手段進(jìn)行變形破壞特征分析，為今后該類型的邊坡防治提供一定參考。

1 導(dǎo)流明渠邊坡工程地質(zhì)條件與變形破壞特征

1.1 工程地質(zhì)條件

(1) 壩址區(qū)基本工程地質(zhì)條件。壩址區(qū)所在河段兩岸，河谷為“U”型谷，切割較深。兩岸斜坡地貌特征呈上緩下陡，整體坡度約40°。巖性為T(mén)3j1的硅質(zhì)板巖、石英片巖，層面傾角約55°且與岸坡小角度相交。

(2) 壩址區(qū)地質(zhì)平面圖。圖1表示壩址區(qū)相關(guān)地質(zhì)要素，河流右岸為發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象的導(dǎo)流明渠邊坡，邊坡范圍為圖中黑色線圈范圍部分。

圖1壩址區(qū)地質(zhì)平面圖

(3) 導(dǎo)流明渠邊坡全景圖與典型局部特征圖。導(dǎo)流明渠邊坡在坡體開(kāi)挖之前已出現(xiàn)較為明顯的傾倒彎折現(xiàn)象。圖2、圖3分別表示開(kāi)挖前導(dǎo)流明渠邊坡全景及局部?jī)A倒變形特征。

1.2 變形破壞特征

導(dǎo)流明渠逐步開(kāi)挖，邊坡伴隨開(kāi)挖變形破壞現(xiàn)象明顯，多條裂縫出現(xiàn)在邊坡不同部位(見(jiàn)圖4、圖5)，共發(fā)育約40條。裂縫長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一，最長(zhǎng)一條約30 m，寬度一般3 cm左右，間斷發(fā)育。

圖2 開(kāi)挖前導(dǎo)流明渠邊坡全景

圖3開(kāi)挖前坡體傾倒變形特征

圖4坡頂裂縫發(fā)育情況圖5坡體裂縫發(fā)育情況

2 基于克里金插值法邊坡監(jiān)測(cè)位移變化規(guī)律分析

2.1 位移監(jiān)測(cè)方案

沿河流方向，在導(dǎo)流明渠邊坡變形區(qū)域設(shè)置3條監(jiān)測(cè)剖面，編號(hào)為1—3，一共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(TP1—TP18)。每條監(jiān)測(cè)剖面均包含6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置位置見(jiàn)圖6。

圖6導(dǎo)流明渠邊坡支護(hù)完成位移監(jiān)測(cè)布置圖

基于ArcGIS軟件(克里金插值法)，通過(guò)獲取的18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)值，揭示坡體位移變化特征。

2.2 監(jiān)測(cè)位移插值分析

(1) 水平方向監(jiān)測(cè)位移插值分析。通過(guò)圖7、圖8云圖特征分析：坡體變形經(jīng)歷了由初期的蠕變到后期的加速變形，坡體表面位移總體呈現(xiàn)中部逐漸增大的趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)顯示：TP12—TP16之間的區(qū)域變形異常，數(shù)值變化較大。

圖7 1月26日監(jiān)測(cè)位移云圖

圖8 2月9日監(jiān)測(cè)位移云圖

(2) 豎直方向監(jiān)測(cè)位移插值分析。通過(guò)圖9、圖10云圖特征分析：坡體變形經(jīng)歷了由初期的蠕變到后期某一時(shí)刻的加速急劇變形，坡體表面位移總體呈現(xiàn)上部、中部增大較為明顯的趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)顯示：TP10—TP16之間的區(qū)域變形異常，數(shù)值變化較大。

圖9 1月26日監(jiān)測(cè)位移云圖

圖10 2月9日監(jiān)測(cè)位移云圖

(3) 監(jiān)測(cè)位移插值結(jié)果綜合分析。綜合分析水平、豎直位移云圖：TP10—TP16之間區(qū)域?yàn)檫吰伦冃纹茐募胁课??？傮w變化規(guī)律為：變形初期，位移較小，呈蠕變狀態(tài)；隨著時(shí)間推移，邊坡上部，周圍區(qū)域的位移增大趨勢(shì)明顯高于其它區(qū)域。

3 基于UDEC邊坡變形破壞演化規(guī)律分析

通用離散元程序(Universal Distinct Element Code, UDEC.)用于模擬并處理非連續(xù)介質(zhì)的程序，主要考慮在荷載作用下的若干響應(yīng)，實(shí)際工程中遇到的各類結(jié)構(gòu)面均能用該軟件進(jìn)行處理。本文結(jié)合工程實(shí)際，考慮了三種工況，通過(guò)選定合適的參數(shù)，模擬了導(dǎo)流明渠邊坡傾倒變形破壞，借助不同類型的數(shù)值圖形成果，揭示了變形破壞規(guī)律。

3.1 模型建立及參數(shù)選取

(1) 建模過(guò)程

① 概化地質(zhì)模型：根據(jù)資料確定邊坡計(jì)算模型：寬373 m，高159 m，具體見(jiàn)圖11。本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb。采取噴射混凝土+錨桿(索)的支護(hù)措施。邊界條件設(shè)置為：x、y方向的速度均為0。

圖11概化后數(shù)值計(jì)算模型

② 計(jì)算工況：考慮天然工況、開(kāi)挖工況、支護(hù)工況。

(2) 參數(shù)選取

① 結(jié)合規(guī)范并參考試驗(yàn)成果確定巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)。具體見(jiàn)表1。

②參考規(guī)范選取噴射混凝土相關(guān)力學(xué)參數(shù)，具體取值見(jiàn)表2、表3。

表1 巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

表2 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

表3 巖體和噴射混凝土接觸面力學(xué)參數(shù)

3.2 成果分析

針對(duì)坡體開(kāi)挖前、開(kāi)挖完成、支護(hù)完成三種工況，選取位移矢量、坡體X、Y方向位移進(jìn)行傾倒變形邊坡模擬結(jié)果分析。

(1) 位移矢量圖。邊坡開(kāi)挖位移矢量見(jiàn)圖12。

邊坡在三種工況下，變形先加大后變小，最終趨于完全穩(wěn)定。整個(gè)變化過(guò)程，坡體變形主要發(fā)生在淺表層，上部趨于變形更為明顯，開(kāi)挖導(dǎo)致整個(gè)坡體均出現(xiàn)不同程度地變形破壞。

(2) 坡體X、Y方向位移云圖。坡體X、Y方向位移云圖見(jiàn)圖13。

伴隨支護(hù)完成，邊坡趨于穩(wěn)定，X、Y方向位移均不再增大。

4 導(dǎo)流明渠邊坡變形特征時(shí)空演化規(guī)律分析

4.1 基于監(jiān)測(cè)位移分析成果的位移變化特征分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)成果將坡體分為4個(gè)區(qū)：破壞區(qū)、影響區(qū)(上游、下游、后緣)。

I區(qū)：根據(jù)變形破壞特征可劃分為三個(gè)不同因素引起的變形區(qū)域，分別為：由于卸荷變形引起破壞的I1區(qū)，由于傾倒彎折引起破壞的I2區(qū)，由于剪切變形引起破壞的I3區(qū)。II區(qū)：邊坡穩(wěn)定性總體較好。III區(qū)：邊坡穩(wěn)定性總體較差。IV區(qū)：邊坡在該區(qū)域呈現(xiàn)強(qiáng)卸荷弱風(fēng)化的地質(zhì)特征，存在進(jìn)一步變形破壞的趨勢(shì)。

4.2 基于UDEC分析成果的位移變化特征分析

UDEC位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與實(shí)際剖面設(shè)置的移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，UDEC模擬所取剖面對(duì)應(yīng)位移監(jiān)測(cè)布置方案中1-1剖面。

(1) 開(kāi)挖前X位移變化特征分析。圖14監(jiān)測(cè)曲線顯示：除TP2外其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)均存在大小不一的位移數(shù)值，表明該邊坡在坡體開(kāi)挖之前已發(fā)生一定程度變形。根據(jù)圖形顯示成果推測(cè)，邊坡變形主要發(fā)生在淺層。

(2) 開(kāi)挖完成X位移變化特征分析。圖15監(jiān)測(cè)曲線顯示：監(jiān)測(cè)點(diǎn)尚存一定數(shù)值的位移，表明開(kāi)挖完成邊坡變形尚未完成，上部區(qū)域仍然處于變形階段。

(3) 支護(hù)完成X位移變化特征分析。圖16監(jiān)測(cè)曲線顯示：曲線呈收斂狀態(tài)，支護(hù)完成邊坡整體趨于穩(wěn)定。

圖12 位移矢量圖

圖13 支護(hù)完成X、Y位移云圖

圖14 開(kāi)挖前X方向位移圖

圖15 開(kāi)挖完成X方向位移圖

圖16支護(hù)完成X方向位移圖

5 結(jié) 論

(1) 邊坡巖性為板巖，層面傾向坡內(nèi)，巖層彎折發(fā)生傾倒變形。

(2) 針對(duì)實(shí)際情況，選取三種數(shù)值模擬工況。模擬結(jié)果顯示邊坡經(jīng)歷由開(kāi)挖之前存在一定變形，到開(kāi)挖完成變形逐漸增大，到支護(hù)完成變形終止三階段。分析可知邊坡天然工況已存在局部不穩(wěn)定，開(kāi)挖加劇變形，通過(guò)支護(hù)使坡體穩(wěn)定。

(3) 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬成果對(duì)應(yīng)性較好，整個(gè)坡體變形呈現(xiàn)上部、中部偏大的趨勢(shì)，支護(hù)工程加固了坡體，終止了傾倒變形的進(jìn)一步發(fā)展。