基于數值模擬的水位升降對傾倒變形體穩定性影響研究

黎萬昌

（貴州省畢節市金海湖新區毛栗水庫管理所，貴州 畢節 551600）

1 引言

水電站受活躍的構造運動和高地應力等因素影響，兩側邊坡存在大量不穩定巖質邊坡，一旦變形破壞，會對水電站的安全運營造成巨大影響。丁陽波等在Sarma法基礎上，編寫了Fortran 強傾倒變形體穩定性分析程序，研究苗尾水電站工程傾倒變形體體的穩定性，并與離散元程序對比驗證，結果表明，坡角越陡穩定性越低，蓄水后穩定性比蓄水前穩定性大大降低。李興明等采用UDEC 進行數值模擬，分析了某電站邊坡的傾倒變形破壞特點，揭示了其失穩破壞規律。以某水電站傾倒變形體為例，分析其失穩破壞機制，采用數值模擬了水位波動對傾倒變形體的影響程度，對于相似工程具有參考意義。

2 工程概況

研究區傾倒變形體地處高山峽谷區，地形坡度變化較大，呈陡緩相間地貌，陡坡段坡度65°～70°，局部緩坡段坡度20°～25°見圖1。出露地層為侏羅系中統-上統拉貢塘組（J1-2l）石英砂巖，巖層產狀：N60°～70°E/NW∠60°～65°。巖性為石英砂巖和少量石英巖，未見灰巖等可溶巖，構造及卸荷裂隙發育，所切割危巖塊體塊徑一般2～5 m不等。

傾倒變形體范圍主要分布在壩址左岸上游，巖體發生明顯傾倒變形現象。變形體主要為板巖、石英砂巖，石英砂巖自身抗風化的能力較強，板巖抗風化能力較弱。

3 傾倒變形體發育及破壞特征

3.1 傾倒變形體發育特征

變形體緊臨進水口，順河長120 m，橫河寬約240 m。根據傾倒變形強弱，可分為強傾倒變形體（傾倒后巖層傾角小于等于30°，以下簡稱“強變形”）和弱傾倒變形體（傾倒后巖層傾角小于60°大于30°，以下簡稱“弱變形”）。其中強傾倒變形巖體水平深度5 m，初估方量約19 萬m3；弱變形體水平深度5～18 m，則約11 萬m3；兩者合計約30 萬m3。由于修建公路開挖邊坡，導致變形體前緣發生局部垮塌，順河長20 m，橫河長50 m，厚度約10 m，預估方量為1萬m3。

3.2 變形體可能失穩模式分析

在研究區布置了4條平硐進行探測。以平硐PD03和PD07勘查結果為例。硐口可以清晰見到巖層發生傾倒，巖層傾倒后傾角在50°左右，根據傾倒變形強弱判定為弱傾倒。PD03硐內上游壁40 m處可見巖層發生折斷，折斷面呈折線狀，折斷面下段的產狀為N60°W／NE＜21°，上段的產狀為N60°W／NE＜70°，折斷面以上的巖層發生傾倒產狀為N60°W／SW＜51，折斷面以下的巖層為正?；鶐r，產狀為N80°E／SE＜80°，折斷面是巖層弱傾倒的底界，也是巖層發生破壞的潛在滑移面。PD03硐內上游壁62.50 m處可見巖層發生折斷，折斷面的產狀為N70°W／NE＜33°，折斷面以上的巖層發生弱傾倒，產狀為為N60°W／NE＜55°，折斷面以下的巖層未發生傾倒，為正常基巖，產狀為N70°W／NE＜75°。

根據分析，變形體所在部位以板巖和石英砂巖為主，岸坡巖體陡立。傾倒變形體是伴隨河流下切、地殼抬升而成的，并隨著地質歷史傾倒變形由表及里，由強而弱，斜坡表部的強變形體隨著坡腳鎖固段的坍滑而逐漸誘發牽引其上的其他強變形體下滑，最終形成目前的地形地貌特點。目前所見的傾倒變形體。同時可以按傾倒～彎曲、彎曲～拉裂的變形程度的強弱劃分為強變形體和弱變形體，強變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角小于30°，而弱變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角在30～60°。

4 數值模擬計算

4.1 模型及計算參數

基于FLAC 3D數值有限元建立模型進行分析。設定模型材料靜力參數和模型靜力邊界條件，計算自重應力的初始應力場；設定材料本構模型、材料動力參數，進行模型分析。采用典型剖面為圖1中的1-1’剖面。建立數值模型見圖1所示。

圖1 典型剖面數值計算模型圖

暴雨狀態下板巖強傾倒潛在滑面內摩擦角取27°，粘聚力取35 kPa；根據工程經驗，天然狀態下板巖強傾倒潛在滑面滑面內摩擦角取29°，粘聚力取43 kPa。采用工程類比法，結合常見石英砂巖物理力學參數，將暴雨狀態下滑面內摩擦角取37.80°，粘聚力取100 kPa；天然狀態下滑面內摩擦角取40°，粘聚力取120 kPa。

4.2 計算結果

計算工況①正常蓄水位下工況，水位3 723 m；②考慮水位驟降5 m，即3 718 m工況。

蓄水前坡體塑性區云圖表明，坡體的剪切應變集中在強弱傾倒變形體的底界以及兩個潛在滑移面上，傾倒變形體底界前部的剪切應變最大，最大值為4.58×10-4。結果表明，坡體的剪切應變集中在強傾倒變形體的底界上，最大值為0.01。應變增量云圖表明，強傾倒變形體穩定性較差。

不同水位下，傾倒變形體塑性區云圖表明，底界潛在滑面未出現塑性屈服現象，強傾倒變形體處于穩定狀態；弱傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區，弱傾倒變形體處于穩定狀態；潛在滑移面Ⅰ未出現塑性屈服現象，處于穩定狀態；潛在滑移面Ⅱ未形成貫通塑性屈服區，處于穩定狀態。水位驟降后，強傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區，強傾倒變形體處于穩定狀態；弱傾倒變形體底界潛在滑面未形成貫通塑性屈服區，處于穩定狀態；潛在滑移面Ⅰ未形成貫通塑性屈服區，處于穩定狀態；潛在滑移面Ⅱ未形成貫通塑性屈服區，處于穩定狀態。

不同水位工況下，傾倒變形體水平位移云圖表明，弱傾倒變形體前緣的水平位移最大，最大值為1.63×10-3m，弱傾倒變形體上的水平位移較小，基巖上的水平位移最小。水位驟降后強傾倒變形體前緣的水平位移最大，最大值為0.02 m，弱傾倒變形體上的水平位移較小，基巖的水平位移最小。

綜合有限元數值模擬可以看出，水位驟降對研究區傾倒變形體的穩定性影響較大，當水位降低時，邊坡水平位移大幅增大，塑性區擴展較快，穩定性降低。

5 結論

①變形體所在部位以板巖、石英砂巖為主。隨著河谷下切、地殼相應抬升，使得岸坡巖體向臨空面方向發生傾倒～彎曲、彎曲～拉裂、彎曲折斷面形成潛在底滑面的過程模式?，F場調查及統計分析，強變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角一般小于30°，而弱變形體傾倒～彎曲變形后的巖層傾角30°～60°。②FLAC數值模擬結果表明，傾倒變形體邊坡在蓄水前主要為強傾倒變形體的表面發生淺表層變形破壞。不同蓄水位工況下傾倒變形體的穩定性結果表明，當蓄水位為3 723 m 時，變形體前緣的水平位移最大，最大值為1.63×10-3m；水位為3 718 m 時，最大值水平位移為0.02 m。整體來看，水位驟降對傾倒變形體的穩定性影響較大，但數值結果表明強傾倒變形體和弱傾倒變形體的滑面均為發生貫通，壩庫水位驟降導致的失穩的可能性較小。