猴山水庫左岸邊坡崩塌變形破壞特征研究

汪慶一

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

狗河發源于綏中縣西北部山區，是綏中縣較大的獨流入海山溪河流之一。建設猴山水庫是為解決綏中西部發展，特別是綏中濱海經濟區建設和發展的水資源問題。但是，在水庫建設中，經常遇到崩塌的情況，嚴重威脅到施工人員的安全和后期水電站的正常運轉。因此，對崩塌進行研究具有重要意義。目前有較多的專家學者對崩塌進行了研究[1-6]，主要集中在崩塌破壞方式、運動軌跡等方面，而對崩塌變形內因進行研究的較少。本文以猴山水庫為例，對其左岸邊坡崩塌變形的機理及失穩模式進行研究分析。

1 工程概況

猴山水庫位于綏中縣范家鄉境內，壩址位于狗河中游范家鄉薛家村趙家店屯北。猴山水庫設計總庫容1.02億m3(大Ⅱ型)，防洪庫容2230萬m3，興利庫容8190萬m3。將修建溢洪道，長度300 m；漿砌石重力壩，壩長310 m，最大壩高43.5 m。重力壩分擋水、溢流兩部分，大壩中間為溢流部分共分九孔，總長124 m，每孔凈寬12 m，每孔設弧形鋼閘門。大壩右側設輸水洞，其洞徑2.0 m。

水庫壩址區為梁山組和韓家店組粉砂質粘土巖，山體陡峭，除S1sh及O2sh＋b層以中硬的灰巖、砂巖為主外，其余各層主要為頁巖、粘土巖及泥質粉砂巖，巖石軟弱，易風化，其中，兩岸強、弱風化層厚5 m～17 m，河床強、弱風化層厚6 m～10 m。在水庫施工過程中，左岸邊坡產生崩塌，崩塌源高約10 m，寬約9 m，平均厚約1 m～3 m。崩塌規模約180 m3。嚴重威脅到施工人員的安全和后期水電站的正常運轉。崩塌前、后現場照片見圖 1、圖 2。

圖1 崩塌前邊坡全貌

圖2 崩塌后邊坡全貌

2 基于非連續變形分析（DDA）的崩塌失穩模式及運動特征的數值模擬

石根華博士提出了（DDA）數值模擬方法，廣泛應用于非連續變形分析。關于DDA方法在實際問題上的應用，更多的成果是利用DDA方法進行巖體成因機理、非連續變形特征、運動特征的分析[7-9]。

DDA適用于巖體非連續變形特征和破壞模式的分析，利用DDA可以有效模擬不同工況下危巖體的破壞模式和變形失穩特征。

（1）模型的建立和參數選取

根據崩塌的典型工程地質剖面圖，建立數值模擬模型。研究區主要發育四組節理，①層面：43°∠25°，②構造裂隙:302°∠77°，③卸荷裂隙：52°∠76°～83°，此外在巖層中發育一條拉裂縫（④）。為提高運算速度，除崩塌體外其它巖層可作為一個整體來計算。

在崩塌源中布置P1-P3三個監測點，位置分別位于頂部，底部前緣，巖橋段中部，見圖3。

計算時步取22000步，每時步的時間為0.01s～0.1s。

圖3 邊坡剖面及概化數值模型

各巖層及節理的參數選取見表1。

表1 模型各元素參數取值表

（2）模型結果分析

數值模擬過程重現了本次崩塌的變形失穩模式和運動過程，對其過程分解見圖4。

圖4 崩塌演化過程

a.當模擬進行到第500時步，崩塌體底部強度較低的巖體受擠壓開始出現臨空面變形，表明上部巖體對底部巖體壓力增大，底部軟巖難以支撐開始向外鼓脹，上部巖體應力逐漸增大。

b.當模擬進行到第720時步，底部巖體出現明顯變形，支撐力劇烈降低。上部巖體應力增大超過其抗拉、抗剪強度，產生拉剪破裂，巖體連接部位產生裂縫。

c.當模擬進行到第1940時步，受擠壓的軟弱巖體脫離母巖，向臨空面拋出，沿坡面向坡腳運動。上部巖體由于失去了下部軟巖的支撐，向下錯斷，撞擊坡面，開始破碎解體向坡腳運動。

d.當模擬進行到第22000時步，巖體停止運動，堆積于河床部位。

3 成因機理及失穩模式分析

根據現場調查和數值模擬分析，控制該崩塌發生的主要因素為底部軟巖和上部巖橋。

崩塌體上部巖體強度較高、下部巖體強度較低。軟巖在上部巖體的擠壓和長期的風華博士作用下，強度逐漸降低，產生向臨空面方向的溯流。底部軟巖的溯流導致上部巖橋應力集中，逐漸產生拉張裂縫，這種裂縫的特征為下部寬上部窄。在時間的累積作用下，拉裂縫逐漸向上發展，崩塌源與母巖接觸位置逐漸減小直至全部貫通，與母巖分離產生崩塌。

在發生崩塌之前，該地區產生了連續的降水，雨水的入滲對崩塌穩定性的影響主要集中在三個方面：①雨水入滲使巖土體重量增大，上部巖體對下部巖體的壓力增大。②雨水入滲造成下部軟弱巖體的強度明顯降低，更難以抵抗上部巖體的壓力。③雨水沿已經貫通的結構面下滲，會產生動水壓力和靜水壓力，加劇上部卸荷裂隙的擴張；同時雨水入滲會造成巖體和結構面強度降低，巖橋部位巖體強度降低會更加促進崩塌源向下運動變形。

邊坡巖體傾向下游，下游巖體對上游巖體有支撐作用。因此，應力集中在下游部位巖橋處，巖橋部位較為薄弱，控制了崩塌的產生。在雨水、自重、上部巖體的壓力作用下，巖橋部位首先產生破壞。下游部位巖橋斷裂和底部巖體受擠壓變形，造成上游部位巖橋位置應力集中，也產生斷裂變形，崩塌源完全脫離母巖，向下錯落。因此，巖體在向坡腳運動過程中失去了側向支撐力，崩塌體會向下游側運動。

因此，誘發此次崩塌的主要因素為：自重、雨水入滲、巖體質量（軟弱巖層）。崩塌源底部的軟弱巖體控制了巖土體的長期緩慢變形，促進巖橋部位逐漸減小，同時巖橋部位減小也會加劇底部軟巖的變形；同時雨水下滲直接導致了本次崩塌的發生，雨水入滲造成巖體強度、結構面強度急劇降低，底部軟巖強度降低會加劇變形的發生，上部巖橋應力急劇上升，當應力大于能抵抗強度時，巖橋錯斷，巖體整體下座。

4 結論

（1）崩塌產生時，首先產生破壞的是邊坡下游側強度較低的薄弱巖體，接著上游側底部巖體受擠壓產生向坡體外側的鼓脹變形，進而上游側巖體產生整體破壞，向下游傾倒墜落；向下墜落過程中下部軟巖受擠壓向外拋出。破壞巖體向河流下游側運動。

（2）通過DDA數值模擬分析，對該崩塌的產生過程和運動軌跡進行模擬重現。雨水入滲造成上部巖體自重增大，底部軟巖強度、巖橋強度急劇降低，難以抵抗上部巖體的重量，變形迅速增大，巖橋部位應力集中大于巖體強度，巖橋斷裂，崩塌體與母巖完全脫離，導致崩塌的產生。

（3）降水、地下水入滲是造成崩塌產生的主要因素。因此，在生產中應注意防范降水、地下水等對工程體的影響。