某水電站傾倒巖體基于UDEC變形評價方法研究

王 蓓，呂城騰，紀 南

某水電站傾倒巖體基于UDEC變形評價方法研究

王 蓓，呂城騰，紀 南

（河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

以瀾滄江上游某水電站為例，對區域內的勘探平硐進行詳細的編錄、統計和分析，通過勘查和實地調查對庫區傾倒變形體的位置、巖性及產狀、結構面特征和規模進行詳細分析，發現水電站庫岸的傾倒變形嚴重。借助UDEC軟件采用最大水平位移、變形面積、總位移這三種方案對傾倒變形進行評價，得出用總位移作為傾倒變形巖體變形的評價方法更為準確。

傾倒變形； 影響因子； 評價指標； UDEC

我國的西南地區地勢高差大，因此水能資源很豐富，對這些水能資源的開發可以解決電力資源短缺的問題。但是，這些區域的地質條件較復雜，使得工程建設比較困難。傾倒變形體經常在這些工程岸坡中出現，對岸坡的穩定性的影響較大。水位的升降、暴雨、地震等一些因素會導致傾倒體發生變形，因此對傾倒變形程度選擇正確的評價方案就顯得尤為重要了。對于傾倒體變形的研究，一直受到廣泛學者的關注，如極限平衡分析法（G-B法）和解析法[1-2]，這些方法往往都有很多假設條件作為基礎。隨著計算機軟件成熟，數值模擬開始被大家運用[3]。本文選擇瀾滄江上的某水電站為例，對岸坡上的傾倒體進行仔細研究，發現傾倒體的變形對水電站施工安全和后期運營都有很大的影響。采用數值模擬的方法，選用不同的變形評價進行對比分析，為后期對傾倒體變形的研究提供正確方法。

1 工程概況

水電站是瀾滄江上游河段一庫七級開發方案的最下游一個梯級電站[4]。控制流域面積9.40×104km2，多年平均流量957 m3/s，多年平均懸移質2 692萬t/年，推移質135萬 t/年。兩岸斜坡巖體主要以傾倒變形為主，變形影響范圍較大，其對工程邊坡穩定性影響顯著。

水庫區位于瀾滄江斷裂帶（區域構造斷層編號為F8）以東，石登-中排復式背斜的南部，以陡立褶皺為主，庫區巖層總體產狀為N5°～20°W，NEE或SWW∠75°～90°，強烈傾倒變形發育地段巖層傾角變緩為 30°～50°[2]，如圖 1。

2 傾倒變形巖體特征

根據調查，水庫兩岸都有明顯傾倒變形，巖體按照成因可以分為原生結構面、構造結構面和淺表生結構面[3]。按照充填物組合類型又可以分為夾泥型、巖屑夾泥型、含礫巖屑型、角礫夾屑型、角礫、巖屑夾泥型和硬性結構面[4]。庫區內共統計14個傾倒體，對這些傾倒體的結構特征進行描述（表1）。

水電站傾倒體主要分布于縱向谷的一岸或兩岸。這些傾倒體分為傾倒潰屈、傾倒松動、傾倒松弛、傾倒蠕變等四種類型。

其中傾倒潰屈岸坡表層巖體強烈傾倒折斷、墜覆，整體張裂松弛，無法識別巖層產狀，屬于散體結構邊坡，巖性主要為薄層板巖與泥巖，巖體風化非常嚴重，厚度2～20 m不等，穩定性差，但其在庫區分布相對較少。水庫蓄水后，在庫水的作用下，坡腳巖塊被沖蝕，會導致邊坡表層產生崩塌。傾倒松動岸坡淺表層巖體強烈傾倒折斷，整體張裂松弛，局部架空，張裂隙張開度幾厘米甚至十厘米左右，張裂隙有碎石或黏土填充，屬于碎裂結構邊坡。巖性主要為板巖泥巖或板巖間夾薄層變質砂巖，巖層傾角20°～40°左右，巖體風化嚴重，傾向坡外的結構面非常發育，間距5～30 cm。順向坡松動厚度2～20 m，反向坡松動厚度大于順向坡5～40 m不等，最大可達50 m，其穩定性較差，水庫蓄水后，在庫水的作用下，傾倒變形程度加劇，可能會導致邊坡表層局部產狀崩塌。傾倒松弛岸坡巖體傾倒較為強烈，巖體不僅發生層內張裂變形，局部也發生切層剪張破裂，張開寬度幾毫米左右，屬于層狀結構邊坡。巖性主要為板巖與變質砂巖或石英砂巖互層，巖層傾角為40°～50°左右，巖體風化較為嚴重傾向坡外的結構面較為發育，間距10～50 cm不等。仍存在順向坡松弛發育厚度小于反向坡松弛厚度，順向坡5～20 m左右，反向坡10～40 m，最大可達50～60 m。傾倒-松弛岸坡穩定性較好，水庫蓄水后，在庫水的作用下，岸坡表層覆蓋層可能會發生局部崩塌，但岸坡整體穩定。傾倒蠕變岸坡巖體傾倒變形較弱，層內錯動帶剪切錯位，層內巖體微量張裂變形，屬于層狀結構或塊狀結構邊坡，巖性主要為石英砂巖、變質砂巖等，風化程度比較弱，巖層傾角為50°～80°左右，與基巖深部產狀相差不大。傾倒-松弛岸坡基本穩定，水庫蓄水對其岸坡整體穩定性無較大影響，可能發生局部塊石崩塌。

3 傾倒變形評價方法

3.1 數值模擬方法

數值模擬方案所用的軟件主要是UDEC軟件，傾倒變形巖體邊坡的簡化模型如圖2。對各反傾邊坡數值模型迭代計算50萬次，坡度的變化通過改變B點的位置。

圖1 庫區地質構造剖面圖Fig.1 Reservoir geological structure profile

邊坡的變形是能量轉化和消耗的過程，在宏觀的變現是巖土體發生位移變化[5-6]，所以，評價斜坡變形程度可以用變形位移和變形范圍表示。一般大多數學者都是選取坡頂位移（圖2中A點）作為評價指標，也有的學者采用變形面積作為評價指標。所以本文將坡頂位移和變形面積這兩個指標考慮在內，還運用了一個新的評價指標——總位移，分別分析這3種方案，選擇最優的評價方案。

表1 傾倒巖體基本特征Tab.1 Basic characteristics of toppling rock mass

圖2 數值模型簡化圖Fig.2 A simplified diagram of numerical model

3.2 影響傾倒變形的因子

傾倒巖體的變形受到外部誘因和地質內因綜合影響，其中地質內因主要有層理力學參數、斜坡結構和幾何特征、巖塊物理力學參數等，外因主要包含降雨、庫水、地震和人類工程活動[5]。

傾倒破壞是巖層在重力作用下向臨空方向傾倒，產生層間剪切錯動，當拉應力超過巖體抗拉強度，產生拉裂縫，拉裂縫進一步發育貫通巖層[7]。邊坡幾何參數、巖體參數、層理參數共同控制傾倒變形的過程。對傾倒變形成因的考慮[8]，分出12個影響因子構成了傾倒變形因子體系（圖3）。

3.3 參數選擇

選取水電站8組具有代表性的傾倒變巖體的物理力學參數，見表2。

4 評價方法的分析

4.1 最大水平位移評價指標曲線特征分析

根據傾倒變形將點A用作最大水平位移點，并在數值模擬期間觀察點A的水平位移。 讀取點A的水平位移，以獲得每個方案的最大水平位移演化曲線（圖4）。 不同方案的最大水平位移曲線不同，方案3中每個方案的最大水平位移為3.74 m。 根據水平位移值，最大位移位移曲線的大小分為三個等級：變形積明顯、變形較大、變形不明顯。

圖3 影響反邊坡傾倒變形的因子Fig.3 Effect of reverse slope toppling deformation factor

表2 參數取值表Tab.2 Parameter table

根據每個方案的最終水平位移值，可以把方案分為：位移大于2 m的傾倒變形明顯——方案2和3；水平位移大于1.3 m的傾倒變形較大——方案4和7；傾倒變形不明顯——方案1、5、6、8。

圖4 倒變形最大水平位移變化曲線Fig.4 The maximum horizontal displacement curve of toppling deformation

4.2 變形面積評價指標曲線特性分析

對傾倒巖體不同時間段的變形面積進行計算，對所有變形區的變形面積進行統計，得到不同方案的傾倒巖體變形面積變化曲線。圖5顯示，這些曲線除了一些曲線早期突然增加的情況外，大部分曲線幾乎平行，曲線較少交錯， 但是變形面積差小，分布均勻，不容易區分。 根據傾倒巖體變形面積大小分為三個等級：變形明顯、變形較大、變形不明顯。

圖5 傾倒巖體變形面積變化曲線Fig.5 Deformation area curve of the toppling rock mass

根據最終的變形面積大小，將方案分為：變形面積大于700 m2的，變形明顯方案——方案1和2；變形面積380～600 m2，變形較大方案——方案5和6；變形面積小于230 m2，變形不明顯方案——方案 3、4、7、8。

4.3 總位移評價指標曲線特性分析

總位移指標將變形面積（標量）與變形位移（矢量）綜合考慮，對不同方案進行模擬得到不同時期傾倒總位移大小變化曲線（圖6）。從圖6可以看出，曲線幾乎都勻速的變化，每條傾倒變形總位移曲線間的交錯很少，而且隨著循環次數的增多，每條曲線分布相對離散，可以容易地區分等級。根據傾倒巖體變形總位移大小分為三個等級：變形明顯、變形較大、變形不明顯。

圖6 傾倒巖體變形總位移變化曲線Fig.6 Total displacement of the toppling rock mass

依據總位移后期數值大小，將方案分為：總位移均大于900 m，變形明顯——方案1；總位移小于620 m、大于390 m，變形大——方案2、3；總位移均小于360 m，變形不明顯——方案4、5、6、7、8。

5 結論

1）把最大水平位移用作傾倒巖體變形的評價指標時， 每個方案的變形程度區域可以更好地分離，可以較好地劃分變形等級，可以反映傾倒變形演化過程。但是，缺點也比較明顯。很多曲線是交錯的，導致不同時間段傾倒變形分級結果會出現一些波動。

2）把變形面積用作傾倒巖體變形的評價指標時，在巖體變形后期曲線交錯少，相對位置也相對確定，但是缺點就是變形面積數值的差異較小，無法區分變形程度。

3）把總位移用作傾倒巖體變形的評價指標時，優點突出，不僅曲線的交錯很少，而且每個曲線的值之間的差異很大，易于區分。

4）將基于最大水平位移、變形面積、總位移這三種方案得出的結果進行分析，發現把總位移作為評價指標可以改善另外兩種評價指標的缺點，而且得到的結果更加符合實際。

[1]翟 崇.云南苗尾水電站溢洪道進水渠邊坡傾倒巖體穩定性研究[D]. 四川：成都理工大學，2015.

[2]張浴陽.瀾滄江苗尾水電站引水隧洞進水口邊坡及圍巖穩定性研究[D].四川：成都理工大學，2016.

[3]韓貝傳，王思敬.邊坡傾倒變形的形成機制與影響因素分析[J].工程地質學報，1999，7(3)：213-217.

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Study on the evaluation method of toppling rock mass of a hydropower station based on UDEC

WANG Bei，LV Chengteng，JI Nan
(Hohai University，School of Earth Science and Engineering，Nanjing 210098，China)

Taking a hydropower station in the upper reaches of Lancang River as an example， the detailed survey， statistics and analysis of the exploration Adit in the area are carried out， and the location，lithology， occurrence， structure and characteristics of the toppling deformation body are analyzed in detail. It is found that the toppling deformation of the reservoir bank is serious. With the passage of time， the dumping rock experience further deformation under the internal and external force. It seriously restricts the construction of hydropower station. The deformation of the correct methods of evaluation is of great significance to the safety of the bank. With the help of UDEC software， the maximum horizontal displacement， the deformation area and the total displacement are used to evaluate the toppling deformation.It is concluded that the method of evaluating the deformation of rock mass with total displacement is more accurate.

toppling deformation； Influence factor； evaluating indicator； UDEC

TU47

A

1673-9469（2017）03-0060-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.013

2017-04-03

“十一五”國家科技支撐計劃項(2008BA29B03-2)；中國水利水電科學研究院開放基金資助項目（IWHRO2009011）

王蓓（1993-），女，江蘇鎮江人，碩士，主要從事巖體結構與工程穩定方面的研究。