某水利工程岸邊坡穩(wěn)定性影響分析研究

孫文雯

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 伊犁 835000)

水位變化對將對庫岸邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果邊坡失穩(wěn)，可能導致巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-4]。國內(nèi)諸多學者對邊坡穩(wěn)定進行了相關研究，但具體工程存在較大差異[4-7]。為進一步更好研究水位升降對庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響，提高水庫的安全管理水平，本文對某水庫在水位變化下的邊坡穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

某水利工程位于疆內(nèi)，降雨一般集中在5-9月，占全年降雨量的2/3。工程主要由攔河引水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。電站攔河引水樞紐正常引水位1 550 m，壓力前池正常水位1 547.33 m，引水系統(tǒng)為引水明渠，全長11.628 km，發(fā)電引水流量358 m3/s。電站總裝機容量203 MW，多年平均年發(fā)電量6.20億 kW·h，裝機年利用小時數(shù)3 054 h，其中主電站裝機容量200 MW，多年平均年發(fā)電量5.96億 kW·h；生態(tài)電站裝機容3 MW，多年平均年發(fā)電量0.24億 kW·h，電站建成后向南疆四地州電網(wǎng)供電，在電力系統(tǒng)基荷運行。樞紐兩岸山體陡峻，兩岸山坡為第四系堆積物，河床兩岸沖溝發(fā)育。

2 場地三維BIM模型建立與巖土三維數(shù)值模擬

為定量分析場地邊坡由降雨引起的變形破壞范圍和變形破壞模式，采用三維BIM軟件建立三維邊坡圖的地質(zhì)信息模型，并通過相關插件生成巖土三維數(shù)值模擬軟件FLA C3D來進行模型識別且進行導入，通過變形理論為基礎的邊坡穩(wěn)定性分法來對降雨蓄水之前及之后邊坡上應力-應變特征進行實驗模擬。

2.1 計算模型及參數(shù)

模型下部邊界區(qū)為建設道路，頂部邊界為邊坡坡頂，通過現(xiàn)場巖土勘察，邊坡基巖及堆積層的力學參數(shù)取值見表1、表2。模型中，其X為東西向，Y為南北向，Z向為垂向。其力學邊界主要是通過X向及Y向來進行雙向性的約束，模型的底面(Z向)上，則通過垂向來進行約束，此外，其地表為一個自由面。構(gòu)建坡的三維模型見圖1。在開展模擬計算的過程中，需對邊坡所發(fā)生的整體變形予以充分的考慮，當前的模擬工作側(cè)重于在強降雨的情況之下邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 邊坡計算模型

表1 邊坡基巖力學參數(shù)綜合取值表

表2 邊坡堆積層強度參數(shù)綜合取值表

2.2 降雨作用下邊坡穩(wěn)定分析

暴雨的情況之下所對應的三維位移云圖見圖2?？芍藭r潛在的變形位移出現(xiàn)在邊坡的北側(cè)上陡坎之處(合計2處)，而在其它的位置上不會出現(xiàn)位移。對于其X及Y向的位移而言，都出現(xiàn)在陡坎土體周邊的區(qū)域之中，最大的位移則出現(xiàn)在前緣部位的Z向上。

圖2 降雨作用下邊坡三維位移云圖

2.3 正常蓄水位條件邊坡分析

正常蓄水位條件下邊坡三維總速度場云圖見圖3。可知，坡角蓄水位位置可能出現(xiàn)邊坡位移，其他區(qū)域未見明顯的位移趨勢。通過總位移速度場云圖發(fā)現(xiàn)，具有最大速度場的是坡角(208～217 m高程帶)。X方向為坡體臨空方向，變形趨勢明顯，Y方向最大位移位于堆積體靠近南側(cè)坡角，Z方向位移相對較小。

正常蓄水條件之下的穩(wěn)定性系數(shù)和最高剪應變增量見圖3，可得其長期穩(wěn)定性系數(shù)等于0.986，處在不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，由此可知，邊坡在長期的浸泡條件之下將會逐漸地發(fā)生失穩(wěn)。根據(jù)最大剪應變增量圖得出，坡角堆積體水位升高后受水浸泡，其下伏粉砂質(zhì)泥巖層對邊坡穩(wěn)定起到了穩(wěn)定作用。

圖3 正常蓄水工況邊坡最大剪應變增量及塑性區(qū)

3 結(jié)語

本文以某實際水庫工程為案例，通過FLAC3D來對水庫邊坡進行有限元分析得到如下結(jié)論：

(1)在天然的工況條件之下，邊坡整體上為穩(wěn)定的；即使是在暴雨的條件之下，邊坡也基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，但可能出現(xiàn)局部破壞及滑坡可能性。其中坡角位置及邊坡的中部陡坎帶以及邊坡的北側(cè)前緣最有可能發(fā)生失穩(wěn)。

(2)在正常蓄水的情況下，土體經(jīng)過長期浸泡，坡體內(nèi)粉砂質(zhì)泥巖對堆積體位移具有控制作用，臨空方向則存在著較為顯著的變形趨勢，且從其前緣逐漸朝著后緣進行降低，對于常規(guī)蓄水位條件下的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為0.986，邊坡在長期的浸泡條件之下將會逐漸地發(fā)生失穩(wěn)。最早發(fā)生在坡角，然后向后方發(fā)展。