向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預(yù)警研究

於浩 姜龍 孫建會(huì)

(1.長江空間信息技術(shù)工程有限公司，湖北武漢 430010;2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著對環(huán)境與資源問題的重視，對國家能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整，對優(yōu)先開發(fā)利用水電可再生清潔能源的認(rèn)識(shí)日益清晰，中國的水電開發(fā)正處于一個(gè)新的高峰期。然而，水電站大多修建在地質(zhì)條件復(fù)雜的高山峽谷地區(qū)，各種高壩的興建將不可避免地涉及工程高邊坡的穩(wěn)定性等工程地質(zhì)問題[1，2]。工程高邊坡的穩(wěn)定性直接決定著工程修建的可行性，影響工程的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。工程高邊坡穩(wěn)定問題成為了我國水電工程建設(shè)中面臨的主要技術(shù)問題之一，深入系統(tǒng)地對工程高邊坡穩(wěn)定性和邊坡預(yù)警進(jìn)行研究，分析工程高邊坡穩(wěn)定性、建立邊坡預(yù)警模型和健康診斷體系，不僅可以直接服務(wù)于工程建設(shè)，也可指導(dǎo)其他類似工程設(shè)計(jì)和施工。

1 馬延坡邊坡工程地質(zhì)特征及現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 馬延坡邊坡工程地質(zhì)特征

馬延坡巖層中有4條軟弱夾層，自上而下分別編號為JC①～JC④:JC①層砂巖與下部的泥巖分界面下部，夾層組成物質(zhì)為灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖塊巖屑夾淺灰色的泥，結(jié)構(gòu)松散，干燥狀態(tài)手捏易碎，遇水可塑狀;JC②層灰白色、棕黃色泥巖碎塊及其風(fēng)化形成的灰白色泥，遇水粘性較強(qiáng)，可塑狀;JC③層灰白色、棕黃色砂巖及其風(fēng)化形成的泥，遇水呈流塑～可塑狀;JC④層灰白色、棕黃色泥巖及其風(fēng)化形成的泥，遇水呈流塑～可塑狀。工區(qū)地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，地下水由降雨補(bǔ)給，覆蓋層滲透性較好，地震基本烈度為7度區(qū)。

1.2 馬延坡邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)成果分析

在外部變形特性方面，選取典型斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3]，繪制了水平、垂直位移隨時(shí)間變化曲線，如圖1所示。圖1中P為斷面的觀測墩，如P08表示08號測墩的水平位移隨時(shí)間變化曲線，P08'表示08號測墩的垂直位移隨時(shí)間變化曲線，以此類推。

在深部變形特性方面，選取典型測斜孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了深部位移隨深度變化曲線，如圖2所示。

從圖1可見，水平、垂直位移隨時(shí)間增加而增大。位移變化可分為三個(gè)階段，前期(2007年9月以前)為變形快速增加階段;中期(2007年9月～2008年12月)為變形緩慢增加階段;后期(2008年12月以后)為變形逐漸趨穩(wěn)階段。

從圖2可見，測斜孔的位移變形隨深度增加而減小，隨時(shí)間增加而增大。距孔口一定深度處均有位錯(cuò)位移，反映了邊坡在某一深度位置已發(fā)生滑動(dòng)變形。2007年9月以后，孔口位移和位錯(cuò)位移均變化較小，這與邊坡加固處理結(jié)束時(shí)間較為吻合，整體變形主要表現(xiàn)為受季節(jié)和降雨影響的波動(dòng)變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。位錯(cuò)位置深度以下，位移變形較小，達(dá)到一定深度后位移變形基本不變。

2 馬延坡邊坡穩(wěn)定性分析

基于樁土和巖土體內(nèi)裂隙間罰函數(shù)接觸，依據(jù)巖土體物理力學(xué)參數(shù)表1和表2，建立了滲流—應(yīng)力耦合的三維模型，進(jìn)行數(shù)值模擬邊坡穩(wěn)定性分析。巖土體采用C3D8RP單元，抗滑樁采用C3D8R單元的粘—滑接觸摩擦模型，分析過程中摩擦系數(shù)保持不變。

表1 巖土層劃分及參數(shù)

有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定分析的基本原理就是將邊坡強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和tanφ(φ為內(nèi)摩擦角)同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)值c'和tanφ'。然后作為新的材料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，直至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時(shí)得到臨界滑動(dòng)面，此時(shí)對應(yīng)的折減系數(shù)F即為最小安全系數(shù)。經(jīng)過折減后的剪切強(qiáng)度參數(shù)c'和φ'為[4-6]:

表2 抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)

在進(jìn)行馬延坡邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。通過試算分析，不同折減系數(shù)的塑性應(yīng)變云圖如圖3所示。不同折減系數(shù)的側(cè)向變形如圖4所示。

從圖3可見，在折減系數(shù)較小時(shí)，塑性區(qū)域變化較小。塑性區(qū)域的發(fā)生從局部開始，隨著折減系數(shù)的增大，逐漸向塑性區(qū)域貫通趨勢發(fā)展。

從圖4可見，側(cè)向變形隨折減系數(shù)增加而增大。強(qiáng)度折減系數(shù)較小時(shí)，側(cè)向變形增幅較小;強(qiáng)度折減系數(shù)較大時(shí)，側(cè)向變形增幅較大。在折減系數(shù)F=1.72附近，側(cè)向變形增幅驟然增加，即將產(chǎn)生很大的且無限發(fā)展的塑性變形和位移。

3 馬延坡邊坡滑坡預(yù)警分析

在邊坡的滑坡預(yù)警方面進(jìn)行研究，無論定性分析還是定量分析，都能歸結(jié)為對控制效應(yīng)量的閥值選取問題。在現(xiàn)有的定性分析方法、定量分析方法、不確定性分析方法、模型試驗(yàn)及監(jiān)測分析方法等研究手段中，不是用工程類別來判定，就是用強(qiáng)度折減來分析，再就為監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)程曲線預(yù)測。本文突破常規(guī)方法解決邊坡穩(wěn)定性問題的思維，采用預(yù)先施加邊界位移方法，用等效塑性應(yīng)變區(qū)域貫通作為判據(jù)，對邊坡的滑坡預(yù)警進(jìn)行分析[7-10]。

為分析該方法的可行性，建立與現(xiàn)場工況一致的預(yù)先施加邊界位移的數(shù)值模型。按勻速遞增地施加位移，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。首先將施加位移的區(qū)域先進(jìn)行實(shí)體剖分，讓單元面與實(shí)體面重合，也就是施加在實(shí)體面的位移即為單元面的位移。施加位移荷載的側(cè)向變形云圖如圖5所示，不同施加荷載方式下的側(cè)向變形如圖6所示。

從圖5，圖6可見，隨著邊界位移逐漸增加，側(cè)向變形逐漸增加。變形增加逐漸向有利于變形發(fā)展的區(qū)域發(fā)展。側(cè)向變形隨著施加荷載或位移增加而逐漸增加。前期階段兩種加荷方式條件下變形基本無變化，隨著施加荷載或位移增加變形變化逐漸增加，最大增幅為2.2mm。故建立的施加邊界位移條件的滲流—應(yīng)力耦合三維數(shù)值模型也能很好地模擬邊坡現(xiàn)場基本工況的側(cè)向變形，在研究邊坡變形方面是可行的。

依據(jù)施加邊界位移條件的滲流—應(yīng)力耦合三維數(shù)值模型，以等效塑性應(yīng)變區(qū)域貫通為判據(jù)，通過在原模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加邊界位移方法，進(jìn)行邊坡滑坡預(yù)警研究。通過模型計(jì)算，變形云圖如圖7所示。

從圖7可見，隨著邊界位移增加，側(cè)向變形逐漸增加，等效塑性應(yīng)變逐漸貫通。最大變形為102.6mm，相應(yīng)測斜孔位置的變形為75.2mm。

將各個(gè)荷載分析步的有效應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)出，作為數(shù)值模型的初始條件，進(jìn)行施加位移邊界條件的邊坡穩(wěn)定性分析。其側(cè)向變形、安全系數(shù)隨各荷載步變化曲線如圖8所示。

從圖8可見，隨著側(cè)向變形增加，安全系數(shù)逐漸減小。隨著變形增加，安全系數(shù)減小變化大致可分為三個(gè)階段:快速發(fā)展階段、勻速過渡階段和緩慢趨穩(wěn)階段。依據(jù)位移變形量和安全系數(shù)雙重指標(biāo)，進(jìn)行邊坡滑坡預(yù)警控制研究，建立針對向家壩水電站馬延坡邊坡滑坡預(yù)警監(jiān)控體系，如表3所示。

從表3可見，邊坡預(yù)警監(jiān)控受位移變形量和安全系數(shù)雙重指標(biāo)控制，不僅從單點(diǎn)進(jìn)行變形控制，也從整體進(jìn)行塑性應(yīng)變區(qū)域控制。該預(yù)警監(jiān)控體系能很好地為后期邊坡加固處理實(shí)施方案提供重要的科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程施工、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，為類似工程提供技術(shù)支持。

表3 邊坡滑坡預(yù)警監(jiān)控體系

4 結(jié)語

1)位移變形隨時(shí)間增加而增大，隨深度增加而減小。位移變化可分為三個(gè)階段，前期(2007年9月以前)為變形快速增加階段;中期(2007年9月～2008年12月)為變形緩慢增加階段;后期(2008年12月以后)為變形逐漸趨穩(wěn)階段。

2)邊坡地層中有一定厚度的軟弱層，存在明顯位錯(cuò)位置。抗滑樁和錨索聯(lián)合加固措施效果很顯著，能很好地控制邊坡滑移變形。

3)采用有限元強(qiáng)度折減法，進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析。馬延坡邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.72。側(cè)向變形隨折減系數(shù)增加而增大。強(qiáng)度折減系數(shù)較小時(shí)，側(cè)向變形增幅較小;強(qiáng)度折減系數(shù)較大時(shí)，側(cè)向變形增幅較大。

4)采用施加邊界位移方法，以等效塑性應(yīng)變區(qū)域貫通作為判據(jù)，進(jìn)行了邊坡滑坡預(yù)警分析，建立了基于位移變形量和安全系數(shù)雙重指標(biāo)控制的邊坡預(yù)警監(jiān)控體系。該預(yù)警監(jiān)控體系能很好地為后期邊坡加固處理實(shí)施方案提供重要的科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程施工、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，為今后類似工程提供技術(shù)支持。

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