地下水與荷載聯合作用的邊坡穩定性數值分析*
——以重慶奉節電廠邊坡為例

2022-06-27 09:10:24戴小軍吳晨威蔣仕林劉建軍賈小波

災害學 2022年2期

戴小軍，吳晨威，蔣仕林，劉建軍，賈小波

(1.西南石油大學, 四川成都 610500；2.西南石油大學測繪遙感地理信息防災應急研究中心, 四川成都 610500；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北武漢，430071；4.核工業西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

地下水因素是影響邊坡穩定性的重要因素之一，而地下水的變化除了水源因素外，排水失效是很重要的因素。同時，地下水對巖質邊坡穩定性的影響主要通過荷載變化和軟化作用。因此，研究不同地下水條件及相關聯合作用對邊坡穩定性的影響是邊坡工程不可或缺的一個工作[1]。

前人在對工程邊坡的地下水影響的研究中，通過數值模擬對邊坡在地下水作用下的變形破壞進行了分析研究[2-3]，對于地下水的抬升作用、滲流作用、地下水位等方面對于邊坡穩定的影響程度做出了一定的研究與分析[4-6]。但是，對于邊坡地下水影響作用的多方面綜合分析，以及與關聯影響因素的聯合分析相對匱乏[7]；這主要是由于邊坡的地下水條件復雜，導致其難以獲取。以重慶奉節電廠邊坡為例，邊坡在排水失效時的穩定性與地下水入滲量、邊坡排水條件等密切相關，目前幾乎不可能可靠地獲得這些信息。

本文將結合重慶奉節電廠易發失穩區域的邊坡這一實例，通過設置邊坡及其地下水條件，綜合考慮邊坡在不同地下水位、排水條件、坡頂荷載、軟化作用的影響條件，運用UDEC離散元程序構建研究邊坡穩定性的計算模型；針對不同地下水及相關聯合影響的情況設置工況及條件，采用強度折減方法對不同條件下的邊坡進行計算與穩定性分析，得出不同情況下邊坡的穩定情況，并分析地下水及其聯合作用對邊坡穩定性產生的影響。

1 廠區相關地質條件

電廠廠區屬剝蝕的低山、丘陵地貌，中上部由渾圓型丘包與其間沖溝和下部人工平臺組成，東、南、西三面被河流環繞。廠區位于川東褶皺帶、梁平向斜次級褶皺康樂向斜內的轉折端。總體地勢為東北高、西南低，廠區高程180～298 m，地形坡度20 °～30°，場平標高約262.5 m。廠區表部以殘坡積成因的粘性土為主，混多量碎石，主要分布在斜坡中下部及溝谷地段，厚度一般小于1.20 m；下部為侏羅系下統珍珠沖組(J1z)砂巖與頁巖互層地層，巖體完整性差，強風化一般厚度1.0～3.0 m。在開挖形成的露頭揭示了該組地層的巖性主要分布有粉砂質頁巖、泥質粉砂巖、砂巖、含硅碳質頁巖、頁巖夾砂巖互層。除平緩層面構造以外，廠區還普遍發育斷層和節理，現場調查和統計結果表明，廠區斷裂主要包括NE向斷裂、近SN向節理和近EW向節理。在廠區現場巡視調查過程中，發現巖體破裂和裂縫普遍地存在。這些裂縫的部分部位張開明顯，最大寬度達到20 cm。圖1為廠區地形及主要研究剖面位置的示意圖，其中西南側剖面是現場裂縫最發育的區域，適合分析沿巖層發生順層滑移變形和失穩的基本特征，因此本文將基于此剖面研究邊坡層面的影響。

圖1 廠區平面布置與計算剖面位置及地質信息

廠區基巖產狀變化較大，總體上以傾向193°～266°、傾角8°～27°為主；巖層傾角總體較平緩，多在8°～15°之間，局部超過20°。層面均呈閉合狀，層面新鮮程度總體良好，風化程度一般弱于同一部位的節理。廠區未見沿層面出現的泥質充填和泥化現象，即便在裂縫發育部位，未觀察到沿層面錯動的跡象。廠區內沿層面局部發育有褐色松散物質充填夾層，厚度一般不超過3～5 cm，延伸長度小，數米乃至十余米后即尖滅。現場觀察到的夾層物質松散特征非常明顯，天然條件下含水量相對較高。

依據水文勘察資料，廠區內地下水埋深約為6 m，地下水位在坡眉部位發生變化。地下水位拐點距離砂巖頂板的高度為5～20 m，平均高度為15 m。拐點與邊坡面之間水平距離為34～130 m，平均76 m。地下水位按照直線向邊坡流動，在坡面距離砂巖頂板高4 m、8 m、12 m、16 m等不同部位排泄出露。

2 運行模型及計算方法

2.1 邊坡剖面的選擇及采用的模型

本文工作中選用的離散元UDEC程序特別針對了本項目研究的需要。程序所具備的同時考慮巖塊體連續變形和結構面非連續變形的求解方式兼顧了塊體和結構面的變形破壞，這一點在本項目研究中非常重要。UDEC可以使得完整巖體的連續變形、乃至連續大變形得到正確體現。結構面非連續變形能力的模擬是巖質邊坡問題研究的基礎，邊坡性質軟弱頁巖的存在、且頁巖內節理極不發育的特點揭示了頁巖的變形不是沿結構面發生，而是表現為完整巖體的壓縮、剪切等形式。

由于奉節電廠西南側巖層傾角較大，邊坡穩定程度會有所降低，在具體計算中采用二維平面假設，考慮廠區西南側的一個典型邊坡剖面。本次計算選擇的基于非連續介質力學理論的離散元方法，可以滿足同時模擬大量結構面非連續變形和巖體非線性大變形的要求，即滿足本項目研究的需要。本研究將廠區邊坡剖面在離散元UDEC中進行表達，圖 2表示了以西南側典型邊坡剖面為例的UDEC計算模型，真實地模擬了該剖面方向的巖性分層，包括沿剖面方向層面的空間起伏[8](場平高度為262.5 m)。

圖2 UDEC計算模型(以奉節電廠西南側的選定剖面為例)

2.2 強度折減法

本研究將采用強度折減法進行計算，得出邊坡在不同地下水條件下的安全系數。粘聚力C和內摩擦角Φ是影響邊坡穩定性抗剪強度的重要指標[9]。下面以C、Φ值為例說明強度折減的表達公式：

c′=c/ks；

(1)

Φ′=arctan(tanΦ/ks)。

(2)

式中：C′和Φ′為折減后參數[10]。

2.3 模型參數取值

本研究廠區西南側剖面的離散元模型以巖體力學參數、結構面參數作為基本輸入條件，評價邊坡的安全性。奉節邊坡的巖體力學參數取值依據地質調查、經驗積累及室內試驗等技術手段的應用，結合Hoek給出的巖石類型推薦值(mi)、地質強度指標(GSI)，獲取研究邊坡地層的主要巖性的巖體力學參數取值如表1所示。

結構面條件是現場地質調查的基本內容之一，依據相關研究成果得到的結構面參數列于表 2。

2.4 失穩判斷準則

為避免計算誤差對研究工作的影響，本次研究采取了兩種邊坡失穩的判別方式。

(1)監測點變化歷史過程和趨勢判斷方式：計算前在模型中所關心的部位布置監測點，監測計算過程中速度的變化，在經歷足夠長的運算以后，根據監測點部位速度收斂于零的狀態判斷該部位是否失穩。

(2)速度場判斷方式：即利用計算完成以后的速度場分布，當某個不利區域的速度明顯大于其他部位時，速度場分布區域可以明確勾畫失穩區域。

表1 巖體力學參數

表2 結構面參數取值(參考水電工程實踐)

3 地下水位影響分析

3.1 地下水條件設置

電廠運行期間排水失效的影響與地下水入滲量、邊坡排水條件等密切相關。為此，依據水文勘察的地下水位情況，本次計算中對地下水條件進行了一系列設計。從相對較好和相對較差兩種條件下評價地下水的影響。先不考慮軟化現象，設置地下水作用在結構面上，結構面之間的巖體不透水，但可以因為結構面充水產生變形；本次研究中對地下水條件設計了兩種工況：

工況一，認為廠區內巖體保持良好的排水條件，廠區內地下水埋深為6 m，而地下水排泄點在岸坡砂巖底板(碳質頁巖頂板)，及入滲點和排泄點均固定，然后設置坡體不同的滲透特性而形成不同的地下水位形態，即坡體內地下水位存在差異。

工況二，認為廠區巖體排水不暢，排水系統失效以后生產用水入滲到巖體內，直接導致地下水位抬升到地表，然后設置坡體不同的滲透特性而形成不同的地下水位形態。工況二認為坡面排水條件也存在一定差別，排泄點在坡面可以高出砂巖頂板，高出程度存在差異。

3.2 工況一分析

對工況一設計了兩種情況(圖3)。情況一認為地下水位在坡眉部位發生變化，在保持該變化點(距離碳質頁巖露頭76 m)固定，設定該部位地下水位高程砂巖底板分別為5 m、10 m、15 m和20 m四種情形。情況二則變化地下水位拐點距離砂巖頂板的高度為15 m保持不變，而拐點與邊坡面之間水平距離發生變化，即圖中d值分別取34 m，76 m和130 m三種情形。

圖3 與工況一相對應的地下水位情況

地下水作用邊坡穩定性分析大量采用了強度折減計算，具體是對邊坡按照上述設置模擬地下水的存在，然后進行運算(對應的強度折減系數為1.0)，達到平衡以后將折減系數作為強度折減計算的基礎。

圖4表示了工況一、情況一中4種地下水條件下邊坡安全系數計算結果。在H為5 m的情況下，當k大于2.4時，速度曲線難以趨近于零，獲得的邊坡安全系數區間為[2.2, 2.4]水平。按照失穩判斷準則及保守取值原則，安全系數取值結果為2.2(k為強度折減系數)。

以此類推，當在設置坡眉部位地下水位高出砂巖底板10 m、15 m、和20 m這三種條件下，邊坡安全系數分別為2.0、1.8和1.6。

圖5表示了工況一、情況二中3種地下水條件下邊坡安全系數計算結果，在給定的三種假設條件下，按照前述假設一的安全系數取值方法，獲得結果分別為1.6、1.8和1.9左右，揭示出坡面一帶排水條件對邊坡穩定的顯著影響。

圖4 工況一情況一中在工作狀態下的計算結果

圖5 工況一情況二中的計算結果

工況一的兩種設計條件均對應于坡面一帶巖體排水條件相對較好的情形，在不考慮結構面強度軟化的情況下，地下水作用可以導致邊坡安全系數的顯著變化，從2.4可以降低到1.6的水平。

3.3 工況二分析

工況二設定邊坡上部出現水的入滲、且地下水位保持與場地持平，此時設置地下水位按照直線向邊坡流動，在坡面距離砂巖頂板高4 m、8 m、12 m、16 m等不同部位排泄出露，此時的入滲條件和排水條件均劣于工況一的假設。

圖6表示了工況二設定條件下的計算結果，當坡面上排水點位置與砂巖頂板的高度不大于8 m時，邊坡保持穩定。當該高度增加到12 m及其以上時，邊坡前緣一帶出現失穩破壞(圖中紅色區域)，破壞范圍以坡面水位高程密切相關，排水不暢、坡面地下水位越高時，破壞范圍相應越大一些。

圖6 工況2的設置和相應的計算結果

4 荷載和地下水的聯合作用

設置荷載分布于整個場地范圍內(場平高度處)，坡頂等效均布荷載水平在250 kPa左右，同時考慮荷載和地下水聯合作用的邊坡穩定性計算。

依據水文勘察資料，地下水條件參照了廠區邊坡平均水平，即認為地下水位拐點與邊坡面之間水平距離為76 m(距離碳質頁巖露頭76 m)，在坡眉處地下水位拐點高于不透水層(碳質頁巖)15 m；認為場地內有持續的補給來源，在補給部位保持地下水位和場地高程持平，同時設置排水邊界，具體參考圖7所示。圖7給出了這種設定條件下邊坡西南側剖面穩定性的計算結果，不同測點變形、速度曲線差異不大，即坡面呈整體變位狀態。當k大于2.0時，變形曲線逐漸發散且速度曲線難以趨近于零，獲得的邊坡安全系數區間為[1.8, 2.0]水平，按照前述安全系數取值方法獲得的結果為1.8。

圖7 250 kPa荷載和地下水共同作用下的邊坡穩定性計算結果

5 考慮地下水導致的結構面軟化作用

本小節是在前面同時考慮建筑物荷載和地下水壓力作用基礎上，增加考慮結構面軟化效應，具體地，水位形態和水頭設置沿用上一小節設定，設置軟化后層面內摩擦角和粘聚力分別為Φ=15°，C=30 kPa(其他參數維持不變)。這種工況的計算流程為：在場平完成后模型的基礎上先設置前述確定的地下水位并迭代至平衡狀態，繼而對結構面進行參數軟化設置且再次計算至平衡，由此獲得考慮結構面軟化條件下邊坡安全性評價和強度折減分析的初始狀態。

圖8給出了軟化條件下西南側剖面分析成果，采用強度折減的評價準則分析，當k大于1.6時，變形曲線逐漸發散且速度曲線難以趨近于零，獲得的邊坡安全系數區間為[1.4, 1.6]水平，保守取值為1.4，與同等條件下不考慮結構面軟件時的計算結果相比，其安全系數降低0.4。