某水庫(kù)工程左岸巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性分析

何 華

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061)

1 引言

在水利水電工程中，庫(kù)岸邊坡的失穩(wěn)可能造成大壩功能的喪失，甚至造成潰壩威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)直接影響大壩的施工和運(yùn)行等各個(gè)過(guò)程。對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)是一個(gè)重要的工作。特別是對(duì)于修建在復(fù)雜地質(zhì)條件和工作環(huán)境中的大型水利工程，邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。我國(guó)目前大多數(shù)大壩修建在西部地區(qū)，而西部地區(qū)是我國(guó)主要的地震區(qū)域，因此展開(kāi)庫(kù)岸邊坡的地震穩(wěn)定性分析非常必要[4-5]。地震是促使邊坡失穩(wěn)的一個(gè)重要因素，在運(yùn)行期如果發(fā)生地震，庫(kù)岸邊坡必須具有抵抗變形的能力，因此評(píng)價(jià)庫(kù)岸邊坡地震穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文對(duì)某水庫(kù)左岸巖質(zhì)邊坡展開(kāi)地震穩(wěn)定性分析，評(píng)價(jià)邊坡的安全與穩(wěn)定性。

2 工程概況

某水庫(kù)引水工程由水庫(kù)樞紐和輸水工程兩大部分組成。水庫(kù)樞紐主要由擋水建筑物、泄水與引水建筑物及壩后電站等組成；輸水工程主要包括總干渠、南支線、北干線三部分。某水庫(kù)位于西安市藍(lán)田縣境內(nèi)，水庫(kù)樞紐位于灞河的一級(jí)支流輞川河中游河段。對(duì)外交通狀況良好。施工場(chǎng)地主要利用樞紐下游沿河耕地及灘地布置。擋水建筑物設(shè)計(jì)為碾壓砼拱壩，最大壩高98.50 m；泄水建筑物為泄洪表孔和泄洪底孔，泄洪表孔孔寬12 m，堰頂高程872.00 m，泄洪底孔進(jìn)口高程828.00 m，孔口尺寸4.0 m×4.5 m；引水洞布置于右岸，隧洞斷面為圓形，成洞直徑2.5 m；電站裝機(jī)2×2000 kW+1×800 kW。

某水庫(kù)左岸巖質(zhì)邊坡存在不利結(jié)構(gòu)面和臨空面，相關(guān)的結(jié)構(gòu)面和臨空面將巖體切割成可能產(chǎn)生失穩(wěn)和滑動(dòng)破壞的楔形體。在水利工程中楔形體的破壞是比較常見(jiàn)一種破壞形式，它在各類(lèi)巖質(zhì)邊坡中占有重要的地位。楔形體主要由花崗巖組成巖結(jié)構(gòu)面分布有細(xì)粒巖脈，寬度為1.0 m～1.5 m。巖體主要由弱風(fēng)化層組成，分布較為完整。強(qiáng)風(fēng)化層大約為3 m～5 m，存在一定的卸荷松動(dòng)現(xiàn)象。

3 數(shù)值模型

3.1 計(jì)算模型

為計(jì)算的方便，本文只進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的二維數(shù)值計(jì)算，所采取的模型為二維平面應(yīng)變模型。計(jì)算模型盡量考慮水庫(kù)左岸巖質(zhì)邊坡的地質(zhì)條件特點(diǎn)，模擬邊坡的相關(guān)結(jié)構(gòu)面和裂隙斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造。模型計(jì)算范圍取得足夠大，在包含主要研究邊坡部位的基礎(chǔ)上向外分別延伸至少1倍的邊坡高程。模型的總體尺寸為：豎直方向上總的高度取為1000 m，包含主要研究區(qū)域，模型水平方向前沿取為邊坡的凌空面或者開(kāi)挖面，而后沿盡量取完整新鮮巖體部位，以使邊坡盡量包含區(qū)域內(nèi)的不利結(jié)構(gòu)構(gòu)造部位。巖體的結(jié)構(gòu)面采用上述介紹的方法進(jìn)行模擬，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以達(dá)到即滿足精度要求，又能盡量刻畫(huà)結(jié)構(gòu)面的分布。模型的計(jì)算網(wǎng)格主要采用四邊形和三角形單元進(jìn)行剖分，計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖1。其中總節(jié)點(diǎn)數(shù)4323，總單元數(shù)3773。

圖1 邊坡計(jì)算網(wǎng)格

3.2 計(jì)算方案

為詳細(xì)獲取庫(kù)岸邊坡的地震穩(wěn)定性，本文進(jìn)行三個(gè)方案的邊坡地震穩(wěn)定性分析。方案1進(jìn)行邊坡常規(guī)情況下的地震穩(wěn)定性分析，對(duì)邊坡穩(wěn)定性展開(kāi)分析和評(píng)價(jià)。方案2：基于方案1的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況提出保證邊坡穩(wěn)定的削坡方案A，對(duì)邊坡采用削坡方案A情況下，邊坡的穩(wěn)定性展開(kāi)地震穩(wěn)定性分析。方案3：根據(jù)邊坡常規(guī)穩(wěn)定分析結(jié)果提出的另一種削坡方案B下，對(duì)邊坡基于削坡方案2，進(jìn)行地震情況下穩(wěn)定分析。

加速度時(shí)程通過(guò)規(guī)范譜生成，最大加速度0.104 g，地震持續(xù)時(shí)間30 s，輸入的地震加速度時(shí)程見(jiàn)圖2。

圖2 x方向輸入的地震加速度時(shí)程

4 庫(kù)岸邊坡地震穩(wěn)定性分析

4.1 當(dāng)前邊坡地震穩(wěn)定性分析

方案1中，地震持續(xù)過(guò)程中，邊坡整體余能范數(shù)變化產(chǎn)生相應(yīng)變化見(jiàn)圖3。每個(gè)時(shí)刻余能范數(shù)的大小就反映了該時(shí)刻結(jié)構(gòu)的整體抗震穩(wěn)定性。如果余能范數(shù)為0，則表示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；余能范數(shù)越大，結(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞程度越大。正常情況下，余能范數(shù)時(shí)程呈現(xiàn)出尖峰性。也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)僅在某些危險(xiǎn)時(shí)刻動(dòng)力破壞程度較大，隨著地震中的卸載過(guò)程，結(jié)構(gòu)可以暫時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 方案1邊坡余能范數(shù)變化

當(dāng)前邊坡在地震情況下，余能范數(shù)最大值出現(xiàn)在4.86 s，其它時(shí)刻，余能范數(shù)值亦較大，如1.64 s、2.36 s、3.02 s、3.76 s、6.74 s、7.96 s、8.14 s等。選取余能范數(shù)最大值出現(xiàn)時(shí)刻4.86 s，對(duì)邊坡的穩(wěn)定情況進(jìn)行分析。對(duì)4.86 s時(shí)，邊坡及截面位移云圖；邊坡及截面屈服區(qū)；邊坡及截面不平衡力矢量圖展開(kāi)分析。由結(jié)果可以看出：(1)4.86 s時(shí)，邊坡位移橫河向最大為0.98 m，順河向?yàn)?.65 m，豎直向?yàn)?.97 m。(2)屈服區(qū)主要集中在頂部和坡腳處，內(nèi)部屈服范圍很小。屈服區(qū)范圍比靜力情況下略大。(3)邊坡發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性大。

4.2 邊坡開(kāi)挖后地震穩(wěn)定性分析

方案2、方案3，地震持續(xù)過(guò)程中，邊坡整體余能范數(shù)變化產(chǎn)生相應(yīng)變化。方案2，余能范數(shù)最大值出現(xiàn)在3.04 s，從量值看，僅為方案1最大值的一半。其它余能范數(shù)值較大時(shí)刻有2.34 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s，8.08 s等。選取余能范數(shù)最大值出現(xiàn)時(shí)刻3.04 s，對(duì)邊坡的穩(wěn)定情況進(jìn)行分析。

同時(shí)對(duì)方案2在3.04 s時(shí)，邊坡及截面位移云圖；邊坡及截面屈服區(qū)；邊坡及截面不平衡力矢量圖展開(kāi)分析，分析所得結(jié)果和結(jié)論與方案1結(jié)果基本一致。

方案3，余能范數(shù)最大值出現(xiàn)在3.10 s，從量值看，比方案2略小。其它余能范數(shù)值較大時(shí)刻有2.12 s，2.34 s，3.1 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s等。選取余能范數(shù)最大值出現(xiàn)時(shí)刻3.10 s，對(duì)邊坡的穩(wěn)定情況進(jìn)行分析。

對(duì)方案3在3.10 s時(shí)，邊坡及截面位移云圖，邊坡及截面屈服區(qū)，邊坡及截面不平衡力矢量圖展開(kāi)分析發(fā)現(xiàn)該方案上述結(jié)果與方案2和方案1均基本相似，總體并未呈現(xiàn)明顯的不同。

各方案余能范數(shù)特征值對(duì)比見(jiàn)表1。各方案位移對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 各方案余能范數(shù)特征值對(duì)比 單位：N·m

表2 各方案位移對(duì)比

由上述圖表的對(duì)比可以看出：(1)方案2，整體余能范數(shù)為4.8×105，比方案1降低了52%。3.04 s時(shí)，邊坡位移橫河向最大為-0.49 m，順河向?yàn)?0.29 m，豎直向?yàn)?.27 m，內(nèi)部變形在20 cm以下。屈服區(qū)主要集中在頂部、中部和坡腳處。范圍比方案1要小。邊坡內(nèi)部幾乎沒(méi)有屈服。(2)方案3，整體余能范數(shù)為4.1×105，比方案1降低了59%。3.10 s時(shí)，邊坡位移橫河向最大為-0.16 m，順河向?yàn)?0.09 m，豎直向?yàn)?.12 m，內(nèi)部變形在20 cm以下。僅在表面有少量的屈服存在，內(nèi)部幾乎沒(méi)有屈服區(qū)。

5 結(jié)論

本文對(duì)某水庫(kù)左岸巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，結(jié)果認(rèn)為在地震荷載作用下，頂部巖體和邊坡表面巖體出現(xiàn)了較大變形，可能會(huì)出現(xiàn)傾倒破壞。各個(gè)方案開(kāi)挖后，邊坡穩(wěn)定性均有明顯提高，以方案3效果最優(yōu)，但邊坡局部不平衡力都較大，很可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)。失穩(wěn)區(qū)大小因開(kāi)挖方案不同有顯著差異。從安全與經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議一個(gè)開(kāi)挖量介于2與3兩方案之間的推薦方案。總體而言左岸巖質(zhì)邊坡在天然條件下，較難保證地震穩(wěn)定性，有必要采取相關(guān)的削坡方案以提高邊坡的穩(wěn)定性。