蓄水條件下庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

丁成有

（岫巖滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧岫巖滿族自治縣114300）

1 工程背景

岫巖縣位于遼東半島東部，近年來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展十分迅速。隨著該縣城鎮(zhèn)面積的不斷擴(kuò)大以及城鎮(zhèn)人口的迅速增加，供水安全問題也日漸突出。為了提高城區(qū)供水安全系數(shù)，當(dāng)?shù)卣當(dāng)M在岫巖縣前營子鎮(zhèn)西大營村與狄家堡村交界處新建1 座蓄水調(diào)節(jié)中型水庫——前營子調(diào)節(jié)水庫，作為岫巖縣的備用水源水庫。前營子調(diào)節(jié)水庫的設(shè)計(jì)庫容為3 350 萬m3，配套設(shè)施為日處理3.5 萬m3的凈水廠1 座，輸水管線5 km。工程建成后可以為岫巖縣城區(qū)、前營子農(nóng)高區(qū)、雅河園區(qū)提供生活生產(chǎn)用水，項(xiàng)目計(jì)劃投資5 億元。前營子調(diào)節(jié)水庫位于岫巖縣城區(qū)西南部山區(qū)，為典型的河谷地貌，兩岸的山勢(shì)陡峭，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。特別是庫區(qū)左岸距離壩址200～400 m 的區(qū)域存在較多的斷層、層內(nèi)和層間錯(cuò)動(dòng)帶、原生和構(gòu)造裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造，在蓄水過程中會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的應(yīng)力變形，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，必將對(duì)工程的安全運(yùn)行造成極大威脅[1]。因此，針對(duì)該段岸坡蓄水條件下的穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義和價(jià)值。

2 岸坡三維有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

根據(jù)對(duì)研究區(qū)岸坡的野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及工程設(shè)計(jì)資料的整理和分析，得到岸坡內(nèi)部空間分布情況，進(jìn)而建立有限元計(jì)算模型[2]。該模型的海拔高程差為400 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的海拔高程分別為155 m 和555 m，順河谷向長度為300 m，寬度為250 m。在岸坡內(nèi)部分布有2 條較大的斜切帶，岸坡表層分布有2 個(gè)大規(guī)模的碎裂松動(dòng)巖體。從岸坡的地質(zhì)巖性來看，主要為二疊紀(jì)玄武巖，自上而下分別為碎裂松動(dòng)巖體、強(qiáng)卸荷巖體、弱卸荷巖體以及微新巖體。

研究中利用FLAC3D 三維有限元軟件進(jìn)行岸坡計(jì)算模型的構(gòu)建[3]。模型以壩軸線指向左岸的方向?yàn)閄 軸正方向，以垂直于X 軸指向下游的方向?yàn)閅 軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆 軸正方向。模型在X 軸和Y 軸方向的寬度分別為300 m 和250 m，Z 軸方向的高度為400 m。在模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇四面體和六面體組合單元并進(jìn)行局部加密處理，最終獲得122 457個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，681 024個(gè)網(wǎng)格單元[4]。有限元模型的示意圖如圖1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)和約束條件

圖1 有限元模型示意圖

FLAC3D 可以提供多種不同形式的模型邊界條件，以滿足不同用戶的研究需要[5]。結(jié)合此次研究的目的以及研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，選擇位移和應(yīng)力邊界條件[6]。因此，模型的X 軸方向的兩側(cè)需要施加應(yīng)力邊界條件；Y 軸方向的2 個(gè)側(cè)面與模型的底面施加法向約束條件；模型的上部為自由邊界條件；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料確定初始應(yīng)力場(chǎng)[7]。在水庫建成后的蓄水過程中，研究岸坡受到滲流場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造的雙重作用，會(huì)形成比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在研究中不僅需要考慮岸坡的自重應(yīng)力和內(nèi)部構(gòu)造的作用，還應(yīng)該考慮滲流作用的影響[8]。因此，研究中將模型的底面和Y 軸方向視為不透水面；模型的X 軸方向?yàn)橐阎^邊界。

鑒于模型的物理力學(xué)參數(shù)會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成顯著影響，研究中結(jié)合相關(guān)資料和試驗(yàn)結(jié)果，采用表1 所示的計(jì)算材料體物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

研究中，利用上節(jié)構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)岸坡蓄水前后的應(yīng)力、位移以及剪應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水庫蓄水后岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

利用模型對(duì)前營子調(diào)節(jié)水庫蓄水后岸坡的最大主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖2 和圖3 所示的邊坡蓄水前后最大主應(yīng)力云圖。由2，3 圖可知，相對(duì)于水庫蓄水前，研究岸坡在蓄水后的最大主應(yīng)力分布特征存在一定的變化，主要表現(xiàn)為最大主應(yīng)力的值有一定程度增大，且蓄水位以下的部位增大更為明顯。究其原因，主要是隨著水庫的蓄水，庫區(qū)水位不斷上升，而孔隙水的壓力也不斷增大。同樣，在蓄水之后，岸坡額河谷部位也呈現(xiàn)出比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是韌性帶的巖體巖質(zhì)相對(duì)比較松軟，會(huì)造成應(yīng)力松弛，而與其相鄰的巖體則會(huì)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。

圖2 蓄水前岸坡最大主應(yīng)力云圖

圖3 蓄水后岸坡最大主應(yīng)力云圖

利用構(gòu)建的模型，對(duì)岸坡的最小主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖4 和圖5 所示的邊坡蓄水前后最小主應(yīng)力云圖。由圖4，5 可知，水庫蓄水前后的最小主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且表現(xiàn)出坡表較小，深部較大的特征。同時(shí)，在坡表的部分區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但是分布的區(qū)域并不大，雖然可能誘發(fā)局部巖體的張拉破壞，但是對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響極為有限。

綜合最大和最小主應(yīng)力的計(jì)算和分析結(jié)果，研究邊坡在蓄水前后的應(yīng)力場(chǎng)并沒有出現(xiàn)明顯變化，可能發(fā)生張拉破壞的范圍較小，影響極為有限。

圖4 蓄水前岸坡最小主應(yīng)力云圖

圖5 蓄水后岸坡最小主應(yīng)力云圖

3.2 位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)岸坡的位移量進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖6 和圖7 所示的邊坡蓄水前后位移云圖。由圖6，7可知，與水庫蓄水前相比，研究岸坡發(fā)生位移變形的區(qū)域有所擴(kuò)大，并且主要集中于水庫蓄水位以下的岸坡部位，水面線以上的部位與蓄水前相比變化不大。雖然，位移區(qū)域較蓄水前有明顯擴(kuò)大，但是位移量均相對(duì)較小，都在10 cm以下，不會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的直接影響。從最大位移量來看，蓄水前后并無顯著變化，分別為69 mm 和71 mm，其位置位于蓄水水位以上的韌性剪切帶上方的巖體破碎松動(dòng)區(qū)。

圖6 蓄水前岸坡整體位移云圖

圖7 蓄水后岸坡整體位移云圖

3.3 剪應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)岸坡的剪應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖8 和圖9 所示的典型剖面A-A剖面蓄水前后剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。由圖8，9 可知，與蓄水前相比，研究岸坡的剪應(yīng)變?cè)隽烤憩F(xiàn)為不同程度地增加。但是，剪應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較大的區(qū)域與蓄水前相比變化并不明顯。從剪應(yīng)變?cè)隽康木唧w變化特征來看，研究岸坡的坡表部位剪應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較大，其余部位的變化并不明顯。此外，研究岸坡的韌性剪切帶部位的剪應(yīng)變?cè)隽颗c周圍區(qū)域相比明顯偏大，但是受到周圍致密穩(wěn)固巖體的約束作用，并沒有貫通，因此不會(huì)對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性造成顯著影響。從云圖上看，岸坡坡表部位的碎裂松動(dòng)巖體已經(jīng)貫通到前緣部位，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，但由于區(qū)域范圍較小，不會(huì)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大危害，這與應(yīng)力分析結(jié)果基本一致。

圖8 蓄水前典型剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖9 蓄水后典型剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

4 結(jié)論

庫區(qū)岸坡的穩(wěn)定性對(duì)水利工程的安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響，針對(duì)蓄水過程對(duì)岸坡穩(wěn)定性的潛在影響，此次研究以遼寧省岫巖縣擬建的前營子調(diào)節(jié)水庫上游復(fù)雜地質(zhì)條件岸坡段為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)該段岸坡在蓄水條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1）綜合最大和最小主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，研究岸坡在蓄水前后的應(yīng)力場(chǎng)并沒有出現(xiàn)明顯變化，可能發(fā)生張拉破壞的范圍較小，不會(huì)對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定造成明顯影響。

2）從岸坡的位移量來看，蓄水前后的最大位移量和位置沒有明顯變化，蓄水位以下的岸坡發(fā)生位移變形的區(qū)域有所擴(kuò)大，但是位移量均相對(duì)較小，都在10 cm 以下，不會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的直接影響。

3）研究岸坡的坡表部位剪應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較大，其余部位的變化并不明顯；韌性剪切帶部位的剪應(yīng)變?cè)隽颗c周圍區(qū)域相比明顯偏大，但是受到周圍致密穩(wěn)固巖體的約束作用，并沒有貫通，因此不會(huì)對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性造成顯著影響；岸坡坡表部位的碎裂松動(dòng)巖體已經(jīng)貫通到前緣部位，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，但由于區(qū)域范圍較小，不會(huì)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大危害。

4）綜上，水庫蓄水并不會(huì)對(duì)研究岸坡的整體穩(wěn)定造成顯著影響，岸坡的整體穩(wěn)定性較好，暫不需要采取工程干預(yù)措施。