基于漸進微震損傷效應的蓄水期庫岸穩定性分析

劉興宗　唐春安　李連崇　孫潤

摘要：大崗山水電站自2014年12月開始蓄水，至2015年11月庫區水位從975m升至1130m。水電站右岸邊坡地質條件復雜，發育有輝綠巖脈、卸荷裂隙帶和斷層等不良地質體，降低了巖體性狀，使右岸邊坡在蓄水期存在局部或整體失穩的風險。通過對右岸邊坡實施微震監測，獲得了蓄水過程中右岸邊坡微破裂的演化規律。結合微震監測信息，應用三維巖石真實破裂過程分析方法（RFPA3D-Centrifuge）計算蓄水期右岸邊坡在漸進性微震損傷效應下安全系數隨庫水位升高的變化過程。經計算，邊坡安全系數隨庫水位升高而降低，庫水位升高對邊坡穩定性有不利影響。最終安全系數為1.76，滿足規范要求，說明蓄水過程中邊坡處于穩定狀態。

關鍵詞：邊坡穩定;水庫蓄水;微震監測;微震損傷效應;漸進性損傷;大崗山水電站

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.026

文章編號：1001-4179（2019）03-0151-05

水庫型滑坡90%左右與水有關，其中與庫水位變動有關的滑坡比例非常高[1]。Jones研究了Roosevelt湖附近1941～1953年發生的一些滑坡，其中49%發生在蓄水初期，30%發生在水位驟降的情況下，發生在其他時間段的滑坡通常比較微小[2]。在日本，大約60%的水庫滑坡發生在庫水位驟降時期，其余的40%發生在水位上升期，包括蓄水初期[3]。在我國，統計資料表明，庫岸失穩破壞發生在庫水位上升期的約占40%～49%，發生在水位消落期的約占30%，而一些大型滑動則往往發生在庫水位達到最高峰后的急劇消落時刻[4]。由此可見，庫水位變動對岸坡的穩定性具有極為不利的影響。在庫水位變動引起邊坡失穩的研究方面，國內外學者通過理論分析[5]、原位觀測和試驗[6-7]、數值模擬等方法取得了豐碩成果[8-12]。大崗山水電站壩址區處于由多個斷裂切割的斷塊上，樞紐區河谷呈“V”形峽谷，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然邊坡坡度40°～65°，相對高差一般在600m以上。樞紐區巖體主要為中粒花崗巖，另外有輝綠巖脈（β5，β43，β62，β68，β83，p85）、破碎的花崗巖脈（γL5，γL6）、閃長巖脈等脈巖穿插發育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多。經現場勘測，大崗山水電站右岸邊坡除輝綠巖、花崗巖等巖脈外，分布有——條主要斷層（f231）和兩條大型深部卸荷裂隙帶（XL-316，XL-915）。在右岸邊坡開挖過程中出現若干條宏觀裂縫，且多次發現巖體沿卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231的變形錯動。為了抑制結構體變形，采用微膨脹混凝土回填抗剪洞置換處理軟弱結構體的加固方法，在右岸邊坡1240，1210，1180，1150，1120m及1060m高程布置抗剪洞。大崗山水電站右岸邊坡代表性地質截面如圖1所示，復雜的地質條件使右岸邊坡在蓄水期存在局部或整體失穩的風險，所以在已有的常規監測技術基礎上，引入了加拿大ESG生產的微震監測系統進行蓄水期巖體微破裂的實時監測和分析。本文通過微震監測成果，分析了蓄水過程中大崗山水電站右岸邊坡的微破裂演化規律。在徐奴文等的工作基礎上[13]，提出了更能體現蓄水過程中邊坡巖體狀態調整的漸進性微震損傷模型。通過巖石真實破裂過程分析軟件RFPA3D-Centrifugue進行考慮漸進性微震損傷效應的邊坡穩定性計算，從而對大崗山水電站右岸邊坡蓄水期穩定性作出評價。

1蓄水期右岸邊坡微震監測結果

大崗山水電站初次蓄水工作分為3個過程：2014年12月30日至2014年12月31日導流洞下閘蓄水，水位從975m.上升至1005.36m;2015年5月29日至2015年7月4日導流底孔下閘蓄水，水位從1015.18m.上升至1120m;2015年8月15日之后，水位在1120m至1130m之間波動。蓄水過程中，右岸邊坡內共監測到51個有效微震事件，微震事件的時空分布如圖2所示。事件球的大小代表微破裂釋放的能量大小;圖2除了體現邊坡表面之外，還顯示了邊坡內的交通洞、與大壩相連的廊道和抗剪洞，其中抗剪洞用淺藍色線條表示，并標注了其所在高程。不難發現，51個微震事件都出現在2015年5月29日至2015年7月4日期間，這與該段時間內的水位變化有直接關系。2015年5月30日至6月5日期間，在輝綠巖脈β68，β83，β85周圍出現較多的微震事件，在1060，1210m和1180m高程抗剪洞周圍出現少量微震事件。2015年6月6日至6月26日，隨著水位的升高，輝綠巖脈β68，p83，β85周圍沒有繼續出現微震事件，而在1240，1210，1180m和1150m高程抗剪洞附近出現大量微震事件，且微震事件的能量值相對較大。當水位接近1120m高程時，除1210m和1180m高程抗剪洞附近有少量低能量微震事件外，在輝綠巖脈β68，p83，β85周圍也有少量微震事件出現。在蓄水過程中，右岸邊坡微破裂表現出空間上由低到高，在抗剪洞附近集中，尺度上由小到大再到小的特點。

2右岸邊坡蓄水期穩定性評價

對于邊坡而言，任何超過抗剪或抗拉強度的應力狀態都是不能穩定的，一旦發生局部破壞，應力將重新調整，邊坡的安全系數也隨之而改變[14]。本節將基于微震監測獲得的豐富的震源信息，建立漸進性微震損傷模型，并使用RFPA3D-Centrifuge進行有限元計算，獲得右岸邊坡蓄水期的安全系數，對右岸邊坡蓄水期的穩定性作出評價。

2.1RFPA3D-Centrifuge方法簡介

RFPA3D-Centrifuge方法是在保持材料強度參數不變的情況下[15]，通過不斷增加塊體密度來模擬一次離心機試驗，直到邊坡破壞。該方法采用彈性損傷本構模型，單元在達到破壞準則之前，保持彈性的力學性質，當單元破壞之后，其強度參數更改為殘余強度。計算程序所選用的破壞準則是帶拉伸截斷的Mohr-Coulomb準則。在使用RFPA3D-Centrifuge計算時，當邊坡出現貫通的滑移面時認為邊坡失穩，此時單元的自重與初始單元自重的比值定義為該邊坡的安全系數

公式

式中，Step為邊坡失穩時的加載步數;△g為離心加載系數;y為材料密度，g/cm3

2.2漸進性微震損傷模型

巖石破壞過程中釋放與耗散的能量與巖石強度之間有一定的關系[16]。基于此，徐奴文等開發了評價邊坡穩定性的微震損傷模型[13]。定義微震震源尺寸范圍內的巖體單元損傷變量D為該單元分配到的能量△U與巖體單元可釋放應變能Ue的比值，其中△U由基于微震監測到的地震輻射能UM和地震效率η反算得到：

公式

式中，UM可以從震源信息中獲得，η仍然選用馬克給出的數值為0.003%[17]。當巖體的初始彈性模量E0、泊松比γ和3個主應力已知時，Ue可以按下式獲得：

公式

由于微震事件并不是集中在某一個時間點出現，而是隨著水位的變化逐漸產生。因此，可以將蓄水過程按時間細分成幾個小時間段。在每個小時間段內，進行考慮微震損傷效應邊坡安全系數計算時所采用的微震信息僅僅是在該時間段內的數據。為了充分顯示邊坡的漸進性損傷以及蓄水過程中邊坡的狀態調整，邊坡巖體的材料力學參數根據微震損傷效應不斷地調整。在前一時間段內沒有發生損傷的巖體，仍然采用原始的材料力學參數進行后一時間段的計算;而在前一時間段內發生損傷的巖體，其材料力學參數作出如下調整

公式

式中，D為前一階段考慮微震損傷效應計算得到的損傷系數;E0，σ0和γ0代表前一階段的材料彈性模量、抗壓強度和泊松比;E1，σ1和γ1代表考慮微震損傷效應后代入到后一階段計算時采用的材料彈性模量、抗壓強度和泊松比。

2.3蓄水期邊坡穩定性評價

大崗山水電站右岸邊坡在開挖結束后進行了相應的噴錨加固措施。在蓄水的過程中，庫水很難在短時間內滲入邊坡內部，因此當使用RFPA3D-Centifuge進行大崗山水電站右岸邊坡蓄水期安全系數計算時，忽略庫水滲流作用。

計算前，將微震事件根據圖2所示分成4個小時間段，每個時間段7d。分別編輯每個時間段內微震事件的震源信息，寫入4個獨立的導入文件，以備后面考慮漸進性微震損傷效應有限元計算時調用。實體模型是根據右岸邊坡的實際地質條件（圖1）采用大型商用軟件ANSYS建立。模型的尺寸為順河向400m，橫河向914m，高度720m。建模時進行了適當地簡化，保留了主要的巖脈、斷層、卸荷裂隙帶以及邊坡內主要的結構體（抗剪洞等）。全部采用六面體單元剖分網格，共得到571080個單元，600700個節點（如圖3）。計算域四周法向約束，底部采用固定鉸支座，邊坡表面自由。將模型導入到RFPA3D-Centrifuge中進行安全系數的求解，根據現場試驗和工程類比確定計算所采用的材料力學參數如表1所示。

計算時選取離心加載系數為0.01。從圖4破壞單元分布圖可以看出，初始階段破壞單元主要分布在邊坡內的巖脈β43、β68、β83、β85和抗剪洞附近，這與微震監測到的事件分布區域一致。隨后在卸荷裂隙帶出露坡表處出現破壞單元，并沿著軟弱結構面不斷發展。從計算結果看整個右岸邊坡共有兩條主要的軟弱結構面：一條是以卸荷裂隙帶XL-915為主的軟弱結構面;一條是以卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231組成的軟弱結構面。兩條軟弱結構面均是從頂部最先出現破壞單元，然后破壞單元逐漸向底部延伸。卸荷裂隙帶XL-915由于沒有任何加固措施，在計算到第77步時，形成了貫通的滑移面;而軟弱結構面XL-316/f231由于受到抗剪洞的影響，此時并沒有完全貫通。根據安全系數的定義及式（1）可以計算出在考慮蓄水過程對邊坡造成的漸進性微震損傷后的安全系數為1.76。大崗山水電站工程等級為I等，其對應的主要水工建筑物等級為1級，因此右岸邊坡的級別為1級。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）相關規定，確定大崗山水電站右岸邊坡蓄水期的安全系數要求至少為1.30。計算所得的安全系數滿足規范要求，說明經過蓄水過程后的大崗山水電站右岸邊坡處于整體穩定狀態。

整個計算過程中各個時間段考慮漸進性微震損傷效應計算得到的邊坡安全系數與微震事件能量變化如圖5所示。安全系數變化的整體趨勢是減小的，說明蓄水對邊坡產生了不利的影響。而安全系數減小的速度與每個時間段內微震事件的能量大小有直接關系。從圖5可以看出，在蓄水的過程中，能量最大的微震事件出現在第二個時間段內，所以在這一時間段內計算得到的安全系數有了明顯地下降。而在其他3個時間段的計算過程中，由于微震事件的能量相對較弱，微破裂尺度小，對邊坡穩定性影響小，沒有出現安全系數陡降的情況，這體現了微震損傷模型用來評價邊坡穩定性的可行性。

3結論

基于漸進性微震損傷效應，對大崗山水電站右岸邊坡蓄水期穩定性進行了分析，得到如下結論。

（1）蓄水對邊坡穩定性有不利的影響，且隨著庫水位的升高，邊坡的安全系數逐漸降低。

（2）微震事件能量越高，說明微破裂的尺度越大，對邊坡的穩定性影響越大。微震監測是一個很好的定性評價邊坡穩定性的方法。

（3）蓄水雖然對邊坡穩定性造成了影響，但經計算，邊坡的安全系數為1.76，滿足規范要求，說明大崗山水電站右岸邊坡在蓄水過程中處于穩定狀態。

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引用本文：

劉興宗，唐春安，李連崇，孫潤.基于漸進微震損傷效應的蓄水期庫岸穩定性分析[J].人民長江，2019，50（3）：151-155.

Stability analysis of reservoir bank slope during reservoirimpoundment based on effect of progressive microseismic damage

LIU Xingzong，TANG Chun' an，LI Lianchong，SUN Run

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 1 16023，China;2.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Yantai Institute of Metrology，Yantai 264003，China）

Abstract：The Dagangshan Hydropower Station began to impound in December 2014，and the water level increased from 975m to 1130 m in November 2015.The right bank slope was subjected to complex geological condition，including diabase dikes，unloading fissures and fractures，which attributed to the local or overall failure of right bank slope in the process of water impoundment.The evolution of micro-fractures of the right bank slope during impoundment was obtained by microseismic monitoring technique.Combining the abundant microseismic monitoring information，the safety factor of the right bank slope during impoundment was calculated by realistic failure process analysis code in three dimensions（RFPA3D）.Through considering theeffect of progressive microseismic damage，the results showed that the safety factor decreased as the water level increased.The final safety factor was 1.76，which met the requirement of the specification，indicating that the right bank slope was overall stablein the process of water storage.

Key words：slope stability;reservoir impoundment;microseismic monitoring;microseismic damage effect;progressive damage;Dagangshan Hydropower Station