向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預警研究

於浩 姜龍 孫建會

(1.長江空間信息技術工程有限公司，湖北武漢 430010;2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

隨著對環境與資源問題的重視，對國家能源結構的戰略調整，對優先開發利用水電可再生清潔能源的認識日益清晰，中國的水電開發正處于一個新的高峰期。然而，水電站大多修建在地質條件復雜的高山峽谷地區，各種高壩的興建將不可避免地涉及工程高邊坡的穩定性等工程地質問題[1，2]。工程高邊坡的穩定性直接決定著工程修建的可行性，影響工程的建設投資和安全運行。工程高邊坡穩定問題成為了我國水電工程建設中面臨的主要技術問題之一，深入系統地對工程高邊坡穩定性和邊坡預警進行研究，分析工程高邊坡穩定性、建立邊坡預警模型和健康診斷體系，不僅可以直接服務于工程建設，也可指導其他類似工程設計和施工。

1 馬延坡邊坡工程地質特征及現場試驗

1.1 馬延坡邊坡工程地質特征

馬延坡巖層中有4條軟弱夾層，自上而下分別編號為JC①～JC④:JC①層砂巖與下部的泥巖分界面下部，夾層組成物質為灰色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖巖塊巖屑夾淺灰色的泥，結構松散，干燥狀態手捏易碎，遇水可塑狀;JC②層灰白色、棕黃色泥巖碎塊及其風化形成的灰白色泥，遇水粘性較強，可塑狀;JC③層灰白色、棕黃色砂巖及其風化形成的泥，遇水呈流塑～可塑狀;JC④層灰白色、棕黃色泥巖及其風化形成的泥，遇水呈流塑～可塑狀。工區地處亞熱帶濕潤季風氣候區，地下水由降雨補給，覆蓋層滲透性較好，地震基本烈度為7度區。

1.2 馬延坡邊坡現場試驗成果分析

在外部變形特性方面，選取典型斷面的監測數據進行分析[3]，繪制了水平、垂直位移隨時間變化曲線，如圖1所示。圖1中P為斷面的觀測墩，如P08表示08號測墩的水平位移隨時間變化曲線，P08'表示08號測墩的垂直位移隨時間變化曲線，以此類推。

在深部變形特性方面，選取典型測斜孔的監測數據進行分析，繪制了深部位移隨深度變化曲線，如圖2所示。

從圖1可見，水平、垂直位移隨時間增加而增大。位移變化可分為三個階段，前期(2007年9月以前)為變形快速增加階段;中期(2007年9月～2008年12月)為變形緩慢增加階段;后期(2008年12月以后)為變形逐漸趨穩階段。

從圖2可見，測斜孔的位移變形隨深度增加而減小，隨時間增加而增大。距孔口一定深度處均有位錯位移，反映了邊坡在某一深度位置已發生滑動變形。2007年9月以后，孔口位移和位錯位移均變化較小，這與邊坡加固處理結束時間較為吻合，整體變形主要表現為受季節和降雨影響的波動變化，處于穩定狀態。位錯位置深度以下，位移變形較小，達到一定深度后位移變形基本不變。

2 馬延坡邊坡穩定性分析

基于樁土和巖土體內裂隙間罰函數接觸，依據巖土體物理力學參數表1和表2，建立了滲流—應力耦合的三維模型，進行數值模擬邊坡穩定性分析。巖土體采用C3D8RP單元，抗滑樁采用C3D8R單元的粘—滑接觸摩擦模型，分析過程中摩擦系數保持不變。

表1 巖土層劃分及參數

有限元強度折減法的邊坡穩定分析的基本原理就是將邊坡強度參數粘聚力c和tanφ(φ為內摩擦角)同時除以一個折減系數F，得到一組新的強度參數值c'和tanφ'。然后作為新的材料參數輸入，再進行試算，直至邊坡達到極限平衡狀態，發生剪切破壞，同時得到臨界滑動面，此時對應的折減系數F即為最小安全系數。經過折減后的剪切強度參數c'和φ'為[4-6]:

表2 抗滑樁的物理力學參數

在進行馬延坡邊坡穩定性分析時，采用強度折減法計算邊坡穩定性系數。通過試算分析，不同折減系數的塑性應變云圖如圖3所示。不同折減系數的側向變形如圖4所示。

從圖3可見，在折減系數較小時，塑性區域變化較小。塑性區域的發生從局部開始，隨著折減系數的增大，逐漸向塑性區域貫通趨勢發展。

從圖4可見，側向變形隨折減系數增加而增大。強度折減系數較小時，側向變形增幅較小;強度折減系數較大時，側向變形增幅較大。在折減系數F=1.72附近，側向變形增幅驟然增加，即將產生很大的且無限發展的塑性變形和位移。

3 馬延坡邊坡滑坡預警分析

在邊坡的滑坡預警方面進行研究，無論定性分析還是定量分析，都能歸結為對控制效應量的閥值選取問題。在現有的定性分析方法、定量分析方法、不確定性分析方法、模型試驗及監測分析方法等研究手段中，不是用工程類別來判定，就是用強度折減來分析，再就為監測數據的時程曲線預測。本文突破常規方法解決邊坡穩定性問題的思維，采用預先施加邊界位移方法，用等效塑性應變區域貫通作為判據，對邊坡的滑坡預警進行分析[7-10]。

為分析該方法的可行性，建立與現場工況一致的預先施加邊界位移的數值模型。按勻速遞增地施加位移，進行數值計算分析。首先將施加位移的區域先進行實體剖分，讓單元面與實體面重合，也就是施加在實體面的位移即為單元面的位移。施加位移荷載的側向變形云圖如圖5所示，不同施加荷載方式下的側向變形如圖6所示。

從圖5，圖6可見，隨著邊界位移逐漸增加，側向變形逐漸增加。變形增加逐漸向有利于變形發展的區域發展。側向變形隨著施加荷載或位移增加而逐漸增加。前期階段兩種加荷方式條件下變形基本無變化，隨著施加荷載或位移增加變形變化逐漸增加，最大增幅為2.2mm。故建立的施加邊界位移條件的滲流—應力耦合三維數值模型也能很好地模擬邊坡現場基本工況的側向變形，在研究邊坡變形方面是可行的。

依據施加邊界位移條件的滲流—應力耦合三維數值模型，以等效塑性應變區域貫通為判據，通過在原模型的基礎上繼續增加邊界位移方法，進行邊坡滑坡預警研究。通過模型計算，變形云圖如圖7所示。

從圖7可見，隨著邊界位移增加，側向變形逐漸增加，等效塑性應變逐漸貫通。最大變形為102.6mm，相應測斜孔位置的變形為75.2mm。

將各個荷載分析步的有效應力結果導出，作為數值模型的初始條件，進行施加位移邊界條件的邊坡穩定性分析。其側向變形、安全系數隨各荷載步變化曲線如圖8所示。

從圖8可見，隨著側向變形增加，安全系數逐漸減小。隨著變形增加，安全系數減小變化大致可分為三個階段:快速發展階段、勻速過渡階段和緩慢趨穩階段。依據位移變形量和安全系數雙重指標，進行邊坡滑坡預警控制研究，建立針對向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預警監控體系，如表3所示。

從表3可見，邊坡預警監控受位移變形量和安全系數雙重指標控制，不僅從單點進行變形控制，也從整體進行塑性應變區域控制。該預警監控體系能很好地為后期邊坡加固處理實施方案提供重要的科學依據，指導工程施工、優化工程設計，為類似工程提供技術支持。

表3 邊坡滑坡預警監控體系

4 結語

1)位移變形隨時間增加而增大，隨深度增加而減小。位移變化可分為三個階段，前期(2007年9月以前)為變形快速增加階段;中期(2007年9月～2008年12月)為變形緩慢增加階段;后期(2008年12月以后)為變形逐漸趨穩階段。

2)邊坡地層中有一定厚度的軟弱層，存在明顯位錯位置。抗滑樁和錨索聯合加固措施效果很顯著，能很好地控制邊坡滑移變形。

3)采用有限元強度折減法，進行了邊坡穩定性分析。馬延坡邊坡穩定性系數為1.72。側向變形隨折減系數增加而增大。強度折減系數較小時，側向變形增幅較小;強度折減系數較大時，側向變形增幅較大。

4)采用施加邊界位移方法，以等效塑性應變區域貫通作為判據，進行了邊坡滑坡預警分析，建立了基于位移變形量和安全系數雙重指標控制的邊坡預警監控體系。該預警監控體系能很好地為后期邊坡加固處理實施方案提供重要的科學依據，指導工程施工、優化工程設計，為今后類似工程提供技術支持。

[1]陳祖煜，汪小剛，楊 健，等.巖質邊坡穩定分析——原理、方法、程序[M].北京:中國水利水電出版社，2005.

[2]陳祖煜，汪小剛.水電建設中的高邊坡工程[J].水力發電，1999(8):32-33.

[3]北京中水科水電科技開發有限公司.金沙江向家壩水電站右岸馬延坡邊坡2010年度安全監測報告[R].2010.

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