庫岸邊坡研究方法

(西安工業大學建筑工程學院 陜西 西安 710021)

庫岸邊坡研究方法

李珅熠賈二帥

(西安工業大學建筑工程學院陜西西安710021)

水庫庫岸失穩是水利水電工程中常見的邊坡變形方式，水電站庫岸邊坡穩定性問題與樞紐建筑，水庫淤積等直接相關。水巖作用對岸坡穩定性有重大影響，水位上升及下降過程中，岸坡破壞概率較大。數值模擬技術現已廣泛應用于邊坡問題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過程模擬以及穩定性分析方面發揮了重要作用。對于邊坡穩定性的研究可以分為地質分析、數值模擬和物理模擬三種。

庫岸穩定性;水位升降;水巖作用;數值模擬

一、邊坡研究的歷史發展

人們對邊坡穩定性的關注和研究最早是從滑坡現象開始的。19世紀末和20世紀初期,伴隨歐美資本主義國家的工業化而興起的大規模土木工程建設，出現了較多的人工邊坡，誘發了大量滑坡和崩塌，造成了很大的損失。這時，人們才開始重視邊坡失穩對人類造成的威脅，并開始借用一般材料分析中的工程力學理論對滑坡進行半經驗、半理論的研究。早期對邊坡穩定性的研究主要從兩個方面進行，一是借用土力學中極限平衡的概念，由靜力平衡條件計算邊坡極限狀態下的穩定性；二是從邊坡所處的地質條件、影響因素和失穩現象上進行對比分析[1]。

對岸坡穩定性的重要性的認識是隨著工程實踐逐步提高的。20世紀60年代以前，主要側重于土質庫岸的塌岸研究。直到60年代初，法國60m高的馬爾帕塞薄拱壩，于1959年(蓄水后5年)，由于左壩頭沿片麻巖中的絹云母頁巖發生滑動，最終導致壩體破裂而失事；1963年瓦依昂滑坡引起涌浪超過壩頂150-250m，致使一村莊被毀，2600多人死亡，整個水庫變成一座石庫。這兩件駭人聽聞的災難，向全世界的水庫建設者們敲響了警鐘：在高山峽谷區修建大壩時，必須十分小心岸坡的穩定性。

20世紀70年代，邊坡研究者從大量的工程實踐和斜坡失穩事件中，逐漸認識到邊坡穩定性研究必須重視其變形破壞過程和機制的研究，提出了累進性破壞的觀點以及邊坡變形破壞的機制模式，使邊坡穩定問題的研究工作步入了地質分析和巖石力學分析相結合的時代。這期間，國內學者通過國內外大量的現場調研，深入研究了斜坡變形破壞演化機制的一般規律，提出了斜坡變形的6種主要模式，即蠕滑—拉裂、滑移—壓致拉裂、滑移—拉裂、彎曲—拉裂、塑流—拉裂和滑移—彎曲，以及斜坡失穩的3種基本破壞方式，即崩落(塌)、滑落(坡)、(側向)擴離[2]。

20世紀80年代,邊坡穩定性研究進入了一個新的階段。這期間，在系統科學方法論的指導下，對邊坡巖體的賦存環境、坡體結構、內部應力狀態、變形破壞機制、影響穩定性的因素等進行系統研究，形成了較為系統的邊坡穩定性研究思路；邊坡變形破壞的地質模式得到了進一步的補充和完善，針對不同的地質模式提出了一些相應的穩定性計算方法；數值和物理模擬手段被引入邊坡研究中，人們借助有限元法、離散元法、地質力學模型試驗等再現邊坡變形破壞的全過程，從整體上、內部作用機理等方面對邊坡進行全面的認識和評價；

近幾十年來，我國大興水利水電工程，長江三峽工程、金沙江溪洛渡水電站和龍羊峽水電站等重大工程的建設或論證遇到了前所未有的岸坡穩定性問題。人們對岸坡問題也越來越重視，國家專門立項開展了工程邊坡穩定性及其加固配套技術的研究。

二、岸坡研究的現狀

Gorbushina(1997)討論了水庫修建和運營對庫區滑坡的影響。Abam等對尼日爾Orashi河岸坡失穩概率與河水位的變化關系發現，水位上升及下降過程中，岸坡破壞概率較大。

王士天等認為水巖作用對岸坡穩定性有重大影響[3]。水庫的修建，會引起地表水和地下水環境及其動力作用系統的重大變化，庫內水力坡度和流速的顯著降低，使原有的河流侵蝕作用為庫底淤積和庫岸的浪蝕作用所代替。水環境的重大變化，不僅會加劇原有水巖作用的進程，而且往往會引起一些新形式水巖作用的發展。這些作用，不是通過改變巖土體的狀態，就是通過改變其結構或成分，不斷惡化巖土體的性質,最終導致巖土體因不能繼續保持與周圍環境的原有平衡態而使岸坡發生突躍式的災變，從而達到與周圍環境的新平衡態[4]。

李天斌以金沙江溪洛渡水電站進水口岸坡為研究對象，認為巖體的淺表生改造是地質體演化的一個重要階段。它以巖體的地質建造和構造改造為基礎，在區域性剝蝕和河谷深切過程中形成的淺表生結構，又對邊坡巖體在重力場作用下的進一步演化起著重要的控制作用。

數值模擬技術現已廣泛應用于邊坡問題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過程模擬以及穩定性分析方面發揮了重要作用。近年來,在計算方法、計算模型、軟件編制和巖土力學參數確定等方面都有了很大的進展。目前，常用的數值模擬方法有：有限單元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、流形元法、非連續變形分析法(DDA)以及各種耦合計算方法等。

巖土力學參數由過去的主要由實驗室試驗和現場試驗確定，發展到采用多種方法綜合確定，如數值反分析法、野外抽樣與統計推斷技術等。有關巖體結構特性研究的進展，使得巖質邊坡的數值計算結果更為可靠。目前，可以在計算機上模擬巖體的裂隙網絡，確定裂隙網絡的結構特征參數，定量評價巖體的質量、力學參數,仿真模擬邊坡的應力場、位移場、形成演化過程、人工開挖過程以及加固結構的作用等。引入損傷、斷裂力學理論及大變形理論使數值計算結果更接近實際。快速拉格朗日差分法(Flac)、離散單元法(Dem)和非連續變形分析法(DDA)讓我們能夠考慮邊坡的大變形問題，在計算機上模擬邊坡運動的特征與失穩過程等。

三、岸坡穩定性研究方法

國內外學者對于斜坡穩定性的研究提出了各種不同的方法。歸納起來，對于斜坡穩定性的研究可以分為地質分析、數值模擬和物理模擬三種。

(1)地質分析屬于反分析方法類。根據斜坡當前狀態，所處的地質環境以及當前的變形破壞跡象來研究其變形破壞機制。

(2)數值模擬是依靠現代計算機技術，將地質學與數學結合起來，通過數值計算來解決地質問題[5]。八十年代以來，隨著對材料性態、本構模型研究的深入，數值計算理論水平的提高以及計算機軟硬件和圖形處理技術的長足發展，使得數值模擬技術更加完備、成熟和實用，得以廣泛采用。尤其是有限元法、邊界單元法、有限差分法、離散單元法和快速拉個郎日差分分析等。

(3)物理模擬是在實驗室按照一定的比例建造研究斜坡的物理模型，在相似規律條件下，研究模型的破壞機理及過程，進而反推其破壞機理及過程。

[1]劉朋輝，王小非，劉利，滑坡演化過程分析[J].西部探礦工程.2007,(10):20～22

[2]張楠,許模.水庫庫岸滑坡成因機制研究[J].甘肅水利水電技術.2011,47(1):19～22

[3]周保.黃河上游拉干峽一寺溝峽段特大型滑坡發育特征與群發機理研究[D].西安:長安大學，2010

[4]朱冬林,任光明,聶德新,葛修潤.庫水位變化下對水庫滑坡穩定性影響的預測[J].水文地質工程地質,2002(3):43～46

[5]余仁福.黃河上游岸坡穩定與水電建設[J].地質災害與防治.1991,2(2):20～26

李珅熠(1991-)，男，碩士研究生，研究方向巖土工程。