果卜庫岸邊坡穩定數值分析與評價

曹新民

（甘肅省肅南裕固族自治縣大河鄉水利工作站，甘肅 肅南734400）

0 前言

工程活動中必須面臨和解決的一類問題就是邊坡穩定性問題，邊坡穩定性問題的出現和發展與現代科學的發展和進步具有密切的關系[1-5]。最早從十九世紀邊坡穩定性問題才被提出，人類才開始研究該類問題，到二十世紀四十年代邊坡穩定性問題的研究進入到重要的發展階段。

邊坡穩定性問題的研究早期的主要研究對象是土體，并未延伸到巖質邊坡，早期為了研究土體力學問題，往往假設邊坡滑動面的位置和形狀是固定的，同時采用材料力學方法以及基于簡單的均質彈塑性理論為基礎的半經驗半理論的研究方法進行研究。這一時期有若干典型的研究方法，方法較多，但是運用起來往往相當困難，比如彼得森的圓柱滑動面方法，該方法只考慮摩擦力而不考慮粘結力，再比如弗蘭西斯和卡爾門的平面滑動面分析方法等。上述方法所獲得計算結果與實際往往相差較大，這主要是由于上述方法，力學原理粗淺，所作出的有關假設往往脫離了土體的實際力學性質。本文采用數值計算方法獲取果卜庫岸邊坡穩定數值分析，探討超高邊坡的變形機理。

1 工程概況

拉西瓦水電站水庫總庫容10.79億m3，裝機容量4200MW（6×70MW）。根據電力系統負荷發展，裝機程序為連續裝機5臺，第6臺機土建隨前5臺機一次完成。水庫調節庫容1.5億m3，具有日調節能力；電站多年平均發電量102.23億kWh，保證出力990MW。工程樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪表孔深孔壩后消力塘和右岸岸邊進水口地下引水發電系統組成。水庫正常蓄水位2452m，壩頂高程2460m。果卜岸坡位于右岸壩前石門溝上游~雙樹溝范圍內，岸頂高程距大壩500 m~1200 m（黃花溝）和1500 m（雙樹溝）；正常蓄水位高程時距大壩900 m~1700m范圍。岸坡高700m，屬于超高邊坡。

2 數值模型

2.1 計算原理與方法

岸坡破壞失穩全過程包括三個階段：岸坡破壞孕育、岸坡局部失穩跌落、庫區涌浪。合理描述上述三個階段的其中每一個，需要有限元、流體動力學等數值方法耦合使用。采用變形加固理論進行穩定和加固分析。計算參數采用位移反演得到。計算程序采用非線性有限元程序TFINE。剪切吸水現象一般是指飽和堆積體在自然排水條件下含水率隨著剪切作用而增大的行為。相應的剪切吸水率是指剪切過程中飽和堆積體的含水率隨著剪應變的變化，它的大小主要是采用體應變增量和剪應變增量之比來度量來度量的。平衡和穩定條件在連續介質力學里面是被連續化成場的概念的。微元體的平衡微分方程和屈服條件都要求在連續介質的結構內逐點得到滿足的。為了體現巖體次級結構的力學效果，本文從復合材料力學的角度出發，將巖塊看成基質，將次級結構和巖體各種加固措施看成是夾雜。現有模擬方法的缺點可以由材料力學方法克服。其實彈塑性有限元與材料力學方法都是通過求取本征應變引起的材料力學。

2.2 計算模型

計算采用設計院提供的果卜岸坡地質平、剖面圖，建立果卜岸坡完整的數值計算模型。模型模擬范圍為：垂直向，向河床以下深度方向延伸到2048m高程，頂部向上延伸到2980m高

2.3 材料力學參數

巖體及結構面的物理力學參數建議值分別如表1所示。

數值計算分析中，①、②組結構面取碎屑夾泥型參數；③組的溝底以外淺部取碎屑夾泥型和巖塊巖屑型的程；橫河向，后緣以LF1至岸里100m為界，前緣延伸至左岸2250m高程為界。順河向：從雙樹溝到石門溝之間1200 m范圍。模型以豎直向下為Z軸正方向，水平指向山體為X軸正方向，指向上游為Y軸正方向。模型模擬范圍為：X方向：-1877m~0；Y 方向：-1200m~0；Z 方向：0~932m。

網格采用六面體和五面體單元，以保證能獲得較高的計算精度。計算網格如圖1所示。其中：整體模型總節點數：309108；總單元數：293863。基于材料力方法來模擬巖體次級結構，模擬了4組結構面。結構面模型和總體模型相互獨立，結構面模型總節點數：177133；總單元數：149805。平均值。溝底以里取巖塊巖屑型參數；④組的淺部取碎屑夾泥型參數，深部取巖塊巖屑型的適當折減參數；各組裂隙型結構面可在巖塊巖屑型和硬性結構面強度參數之間選取。

圖1 果卜岸坡整體計算網格

表1 果卜錯落體巖體力學參數建議值

3 邊坡穩定分析

3.1 邊坡變形預測

預測邊坡從當前狀況下，水位在一個月內逐步抬升到2452m邊坡的整體變形，并計算了水位穩定在2452 m后一個月內邊坡的時效變形。

由結果可知，（1）各個測點預測結果增量下：監測點k1：水位抬升過程中較反演結果約增大了14 cm。水位穩定在2452 m一個月后變形約增大10 cm。（2）水位上升到2452 m后，邊坡整體變形不大，總體能保持穩定。各剖面的位移分布情況為：（a）I-I剖面：橫河向最大位移為20.7 m，順河向最大位移為11.7 m，豎直向最大位移為22.9 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內延伸約50 m。內部巖體橫河向位移大部分在20 mm以下，順河向位移在10 mm以下，豎直向位移在20 mm以下。（b）III-III剖面：橫河向最大位移為13.7 m，順河向最大位移為5.1 m，豎直向最大位移為6.9 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內延伸約30m。內部巖體橫河向位移大部分在20mm以下，順河向位移在15mm以下，豎直向位移在25mm以下。（c）VI-VI剖面：橫河向最大位移為16.9m，順河向最大位移為4.2m，豎直向最大位移為12.5 m。剖面頂部大變形（大于1 m）向山體內延伸約40 m。內部巖體橫河向位移大部分在30 mm以下，順河向位移在10 mm以下，豎直向位移在20 mm以下。

3.2 邊坡穩定性評價和開挖方案建議

由結果可以看出：（1）正常工況下，邊坡屈服區主要集中在坡腳、坡頂處。坡腳處由于應力集中，邊坡屈服區較大。頂部產生較大的傾倒變形，巖體屈服，進入塑性變形。（2）頂部和坡腳處均出現很大的不平衡力。頂部巖體出現很大的不平衡力，反映了頂部巖體處在局部失穩或臨界穩定的狀態，穩定性差。屈服區和不平衡力的分布，反映了邊坡當前的穩定狀況，即頂部巖體處于臨界失穩，部分處于局部破壞，坡腳處巖體應力集中（3）由于不平衡力是自平衡力系，在方向相反的不平衡力的分解部位，就是可能的滑動面的部位，因此，可以根據不平衡力的分布，可以大致確定可能滑坡體的滑動面。（4）水位上升至2452 m后，邊坡屈服區和不平衡力變化不大。

同時由結果可以看出：（1）按照設計院提供的方案（方案4A）進行開挖，邊坡回彈位移橫河向最大值為65.9 mm，順河向為-45.4mm，豎直向為-119.2 mm。（2）按照方案4B進行開挖，邊坡回彈位移橫河向為59.0 mm，順河向為104.7 mm，為-126.8mm。（3）按照方案4C進行開挖，邊坡回彈位移橫河向為88.7mm，順河向為103.6mm，豎直向為-154.6m。各方案回彈位移量值均較小。實際工程中可以將2860 m高程以上LF1前緣挖除一部分，2860m高程以下按照設計院方案階梯狀開挖，開挖方量約為1200萬m3。這樣既能減少開挖方量，也能降低頂部繼續發生傾倒變形，甚至發生滑坡的可能。

4 結語

通過對果卜岸坡穩定性計算，可以得到如下結論：（1）果卜產生傾倒大變形的主要因素為：a）底部浸水巖體的力學參數變化；b）有效球應力降低引起的剪切放大效應；c）頂部傾倒巖體的臨界破壞。（2）邊坡的總體變形規律為：頂部巖體為傾倒大變形，邊坡內部位移較小，與實測變形過程及大小基本一致。（3）在當前工況下，邊坡整體穩定安全度約為1.1，但安全余度自上而下，由低變高，上部淺層有可能出現局部失穩。（4）三個開挖方案均有效果，整體靜力穩定性可提高至1.3以上。

[1]將忠信,基于反算原理的滑坡推力的簡易估算 [J].巖土工程技術,2005,19(6):319-322.

[2]豐定祥,吳家秀,葛修潤.邊坡穩定性分析中幾個問題探討[J].巖土工程學報,1990,12(3):1-9.

[3]黃潤秋,許強,陶連金,林峰.地質災害過程模擬和過程控制研究[M],北京:科技出版社，2002.

[4]伍法權,云母石英片巖斜坡彎曲傾倒變形的理論分析[J].工程地質學報,1997,5(4):306-311.

[5]范文,俞茂宏,李同錄等.層狀巖體邊坡變形破壞模式及滑坡穩定性數值分析[J].巖石力學與工程學報2000,19(增刊):983-986.