大渡河長河壩邊坡變形特征研究

但尚剛

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

在交通、礦產(chǎn)、水利等方面經(jīng)常遇到邊坡的變形問題。邊坡變形將嚴(yán)重影響到工程的安全和正常使用，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)問題產(chǎn)生極大的威脅。其中，水電邊坡的變形和穩(wěn)定性問題是工程研究的重點(diǎn)問題之一。水電的建設(shè)通常位于深山峽谷中，邊坡高陡，開挖體積大，水電站所處位置通常地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。邊坡的長期變形和其穩(wěn)定性問題將是影響水電站施工和后期正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。許多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，宋勝武等[1]通過對(duì)我國西南地區(qū)水電站的實(shí)際調(diào)查，結(jié)合工程邊坡目前已經(jīng)取得的科研成果，總結(jié)了影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。認(rèn)為分析邊坡穩(wěn)定性應(yīng)從基本地質(zhì)條件出發(fā)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造，巖體質(zhì)量，治理措施綜合分析。研究成果在錦屏水電站適用良好。張菊連等[2]通過對(duì)水電邊坡的分析和總結(jié)，選取了8個(gè)因素，使用多元回歸方法對(duì)影響因素與邊坡穩(wěn)定性的聯(lián)系進(jìn)行研究，建立了評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定等級(jí)的分級(jí)系統(tǒng)。楊海濤[3]通過三個(gè)步驟對(duì)特級(jí)水電站的高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并使用可靠度理論確定安全性分級(jí)的安全性系數(shù)，經(jīng)過反演分析適用性較強(qiáng)。楊亮、馮振、金海元等[4-7]通過各種技術(shù)邊坡進(jìn)行監(jiān)測研究，分析了邊坡在不同階段的變形特征。通過總結(jié)分析，研究邊坡在破壞前的變形特征，將監(jiān)測結(jié)果與邊坡破壞預(yù)警相結(jié)合。崔玉龍等[8]以西南某水電站為研究對(duì)象，通過Morgenstern-Price法對(duì)多個(gè)工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，認(rèn)為邊坡進(jìn)行錨固后穩(wěn)定性系數(shù)大于原始邊坡，錨固在該水電工程中取得了較好的加固效果。張登頂[9]通過現(xiàn)場調(diào)查確定錦屏水電站基本地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)和物理模型試驗(yàn)研究邊坡開挖過程的變形和時(shí)間的關(guān)系。采用數(shù)值模擬手段模擬了邊坡變形破壞模式，對(duì)邊坡的開挖和支護(hù)提出建議。本文在進(jìn)行地質(zhì)和監(jiān)測資料收集整理的基礎(chǔ)上對(duì)長河壩邊坡的變形特征進(jìn)行研究。

2 工程概況

長河壩水電站是大渡河流域開發(fā)的大型水電工程之一，地處四川省康定縣境內(nèi)，壩址區(qū)河谷呈“V”字型，邊坡較為高陡。其中左岸邊坡為50°～55°，右岸邊坡為45°～50°，工程邊坡最大高度達(dá)300 m。長河壩水電站壩體為堆石壩，壩頂高程為1697 m，最高度達(dá)240 m。正常蓄水位高程1690 m，水面寬509 m。該處巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性問題較大。經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，為晉寧—澄江期的侵入巖，主要為花崗巖和石英巖，覆蓋層厚度較大為65 m～75 m。區(qū)域內(nèi)發(fā)育3條次級(jí)斷裂和6條長大裂隙[10]，統(tǒng)計(jì)情況見表1～表2。

表1 次級(jí)斷裂情況統(tǒng)計(jì)

表2 長大裂隙情況統(tǒng)計(jì)

3 邊坡數(shù)值模擬分析

通過邊坡實(shí)際情況，建立如圖1(a)所示的概化計(jì)算模型。在邊坡表層和坡體內(nèi)部均設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)已監(jiān)測坡體的變形、應(yīng)力的變化。通過對(duì)邊坡支護(hù)前和支護(hù)后的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，研究采取錨索支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性變化和變形量。數(shù)值模擬采用命令的方式來驅(qū)動(dòng)程序，基本步驟為：（1）有限差分網(wǎng)格；（2）本構(gòu)模型和材料取值；（3）邊界條件和初始條件；（4）模擬數(shù)據(jù)的運(yùn)算。

FLAC3D判斷邊坡失穩(wěn)的方式大概有三種：計(jì)算不收斂、位移突變、塑性區(qū)貫通。關(guān)于塑性區(qū)貫通的判據(jù)，F(xiàn)LAC3D提供了剪應(yīng)變增量分布情況等直觀的圖件來判斷塑性區(qū)的位置和發(fā)展趨勢。

圖1 邊坡治理后數(shù)值模擬模型圖和位移計(jì)算結(jié)果

在未采取治理措施的情況下，邊坡穩(wěn)定性情況較差，邊坡計(jì)算不收斂。采取治理措施后邊坡表層變形監(jiān)測結(jié)果見圖1，X方向?yàn)轫樒孪蛭灰?，Y方向?yàn)榇怪盭方向位移，Z方向?yàn)樨Q直（垂直）方向位移。通過對(duì)邊坡變形量的統(tǒng)計(jì)分析，邊坡位移變形最大值為120 mm，順坡向變形量集中在-31 mm～40 mm，垂直X方向變形量較小，可忽略不計(jì)。垂直方向變形量集中在-150 mm～1 mm之間。通過對(duì)坡表位移的監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，邊坡整體變形量較小，累計(jì)變形量最大值不超過20 cm，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

通過坡體內(nèi)部應(yīng)力的監(jiān)測分析，在長大裂隙剪出口位置邊坡的剪應(yīng)變增量變化最大，約為7.9×10-4m。

通過數(shù)值模擬分析，邊坡首先在坡腳位置出現(xiàn)位移變形，由于坡腳前緣臨空條件較好，有利于邊坡向臨空方向的變形。

根據(jù)如圖1所示的監(jiān)測點(diǎn)布置，獲取同樣位置三個(gè)點(diǎn)治理前和治理后的剪應(yīng)變增量變化情況，在采取治理措施前，邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)基本貫通的情況，剪應(yīng)變集中分布于長大裂隙位置，說明不采取合適的治理措施，該邊坡極有可能產(chǎn)生大規(guī)模的破壞將嚴(yán)重威脅水電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采取一定的治理措施之后，數(shù)值模擬結(jié)果顯示邊坡并沒有出現(xiàn)剪應(yīng)變增量集中的現(xiàn)象，剪應(yīng)變最大位置一般在模型底部，其最大值為治理前最大值的1/2～1/7。剪應(yīng)變增量的減小表明治理措施產(chǎn)生了較好的效果，邊坡安全性得到提高。對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。剪應(yīng)變增量對(duì)比見圖2。

圖2 治理前后剪應(yīng)變增量對(duì)比

4 結(jié)論

（1）根據(jù)邊坡實(shí)際工程資料，獲得邊坡的基本地質(zhì)情況和坡體結(jié)構(gòu)構(gòu)造，建立邊坡的數(shù)值模擬模型。對(duì)坡體變形和剪應(yīng)變增量進(jìn)行分析。

（2）通過數(shù)值模擬分析邊坡治理前后的穩(wěn)定性變化情況，在未采取相關(guān)治理措施的情況下，邊坡計(jì)算不收斂，坡體不穩(wěn)定。在進(jìn)行錨索支護(hù)后，坡體變形較小，最大變形量不超過20 cm。

（3）通過數(shù)值模擬的監(jiān)測點(diǎn)布置，獲取了三個(gè)位置的剪應(yīng)變增量。通過治理前后的結(jié)果對(duì)比分析，采取治理措施后，邊坡最大剪應(yīng)變增量為不采取治理措施的1/2～1/7。采取治理措施后，邊坡變形得到較好的控制。