水位升降對庫岸大壩邊坡穩定性影響三維數值模擬研究

黃 亮

(江西省宜春市水利水電工程監理有限公司，江西 宜春 336000)

0 引 言

水位變化對于邊坡穩定而言具有重要的影響，而蓄水條件下庫岸邊坡對于水位變化則更為敏感，極易引起大大小小的失穩滑坡災害。而滑坡主要由人類工程建設活動和強降雨、地震等自然環境影響引起，且可能導致巨大的人員傷亡和財產損失。國內諸多學者也注意到這個問題，對其進行了相關研究，但具體工程存在較大差異，且相關研究停留在二維或簡化模型層面[1-3]。為進一步更好研究水位升降對庫岸邊坡的穩定性影響，提高水庫的安全管理水平，文章綜合使用場地三維BIM軟件及FLAC3D有限元軟件分別計算針對江西省新建水庫項目為例開展三維數值模擬研究，通過研究確定邊坡在暴雨及蓄水位變化作用下的穩定性，為今后類似工程的安全預警提供參考。

1 工程概況

新建水庫在勘察的區域之內，基本上為丘陵斜坡的相關地貌特征。其北區處在邊坡的中間部位，具有東邊高西邊低的總體特征，由于受到放坡的影響而呈現出階梯狀的形式，對應于1°-31°范圍的地形坡角。此外，具有259.88m-196.55m的地形標高，以及值為63.33m的相對高度差。

調查結果表明，該區域在龍王洞背斜的西翼位置，整體上被覆蓋層所覆蓋，當前所開展的勘察主要是在其南東側實驗測定其巖層產狀，發現其裂隙巖層總體上呈現出單斜狀產出的基本特征，而且巖層產狀具體如下：273°-290°∠51°-58°，在該區域之中沒有斷層通過，具有相對簡單的構造地質條件。在實地勘察周邊區域中的基巖出露地段之后發現，局部的巖石層面上含有一定的泥質薄膜，它有著較為平直的外表面，整體上結合不佳，為一種硬性的結構面。

勘察區屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。具冬暖春早，夏熱秋涼，秋雨連綿，無霜期長特點。具有值為1094.6 mm的年均降雨量，在1968年時出現值為1 378.3mm的年最高降雨量，在1961年則出現值為783.2mm的年最低降雨量，降雨一般集中在5-9月，占全年降雨量的2/3。場區內無河流、溪流通過，環場地外側發育一天然溪溝蹬子河，寬約6m，常年有流水，勘察期水位197.50m，據訪其豐水期水位約202.0m，為場區最低侵蝕基準面。規劃大壩長約147m，高28m，規劃水庫正常蓄水位為218.20m，水庫死水位為205.80m。

2 場地三維BIM模型建立與巖土三維數值模擬

為定量分析場地邊坡由降雨引起的變形破壞范圍和變形破壞模式，采用三維BIM軟件犀牛(Rhinoceros 5)建立三維邊坡圖的地質信息模型，并通過相關插件生成巖土三維數值模擬軟件FLA C3D來進行模型識別且進行導入，通過變形理論為基礎的邊坡穩定性分法來對降雨蓄水之前及之后邊坡上應力-應變特征進行實驗模擬。

2.1 計算模型及參數

在該模型的前緣邊界區域上是擬開工建設道路高程帶，而在其頂部邊界上則是新址坡體的后緣到其坡頂的區域。對于邊坡的三維模型而言，需要盡可能地將坡體結構清晰地體現出來。在下伏基巖中，主要為侏羅系中統沙溪廟組的泥巖(為粉砂質的)及互層。此外，對于址區砂巖而言，需對強風化界線進行充分的考慮。其坡體整體上為粉質黏土以及素填土等。在該模型中，其X向及Y向分別是東西以及南北的相關方向，而該模型中的Z向則對應于垂向。其力學邊界主要是通過X向及Y向來進行雙向性的約束，而在模型的底面(也就是Z向)上，則通過垂向來進行約束，此外，其地表則是一個自由面?；谶@些基本原則將邊坡的三維模型成功構建起來，且開展網格化(具體見圖1)。在開展模擬計算的過程中，需對邊坡所發生的整體變形予以充分的考慮，當前的模擬工作側重于在強降雨的情況之下邊坡的穩定性。根據地質勘察報告，并結合現場調查，給出計算使用邊坡下伏基巖及堆積層的物理力學參數取值(表1、表2)。

(a)邊坡三維模型及網格劃

表1 邊坡基巖力學參數綜合取值表

表2 邊坡堆積層強度參數綜合取值表

2.2 暴雨作用下邊坡變形特征

在圖2中，詳細地列出了在暴雨的情況之下所對應的三維位移云圖的相關結果。由圖片可發現，此時潛在的變形位移出現在邊坡的北側上陡坎之處(共計2處)，而在其它的位置上不會出現位移。對于其X及Y向的位移而言，都出現在陡坎土體周邊的區域之中，最大的位移則出現在前緣部位的Z向上。

(a)X向

2.3 考慮庫岸三維空間地下水位面及蓄水工況的數值模擬分析

當前的模擬工作僅分析了在普通的蓄水位條件以及發生水位暴跌(最終到其死水位)的條件之下的相關問題，對于蓄水位和斜坡體內浸潤線之上及之下的邊坡而言，分別選用的是自然條件下力學參數以及長期飽和強度值參數。在圖3中，詳細地展示了在上述兩種條件之下分別對應的邊坡速度云圖結果。根據圖3(a)的結果可發現，對于普通的蓄水條件，前緣蓄水位的高程周邊區域是出現邊坡位移的重要位置，邊而在其它的位置上則不存在位移的趨勢。根據總位移速度場的相關云圖結果可發現，具有最大速度場的是坡體前緣(208m-217m高程帶)。X方向為坡體臨空方向，變形趨勢明顯，Y方向最大位移位于堆積體靠近南側前緣，Z方向位移相對較小。由圖3(b)可以看出，水位暴跌至死水位線工況下，在原址區堆積體的前緣，自前緣至后緣，邊坡位移逐漸減小，主要變形區位于邊坡北側前緣207m-215.2m高程帶，造成了臨空方向上的一定變形，最早出現變形失穩現象的是一部分邊坡前緣，進而朝著邊坡的向方逐漸地進行垮塌。

圖4為普通蓄水條件之下的穩定性系數和最高剪應變增量相關結果，可得其長期穩定性系數等于0.986，處在不穩定的狀態之中，由此可知，體邊坡在長期的浸泡條件之下將會逐漸地發生失穩。根據最大剪應變增量的相關結果可知，坡體前緣第四系堆積體在受到庫水浸泡后，其下伏粉砂質泥巖層對潛在失穩底邊界具有控制作用。

圖5為水位暴跌至死水位線條件之下的穩定性系數和最高剪應變增量相關結果，可得其長期穩定性系數等于0.957，同樣說明正常蓄水后的庫水位陡降工況下，原址區堆積體邊坡將失穩。由最大剪應變增量云圖和塑性區張破壞與剪破壞分布示意圖可以預測該廠址所在邊坡在陡降水位工況下其北側前緣涉水高程范圍內的局部陡坡存在垮塌風險，建議在正常蓄水前開展治理工程措施，預防邊坡體失穩。

3 結 論

文章以江西省新建水庫工程為依托，通過FLAC3D來進行了邊坡三維數值分析模型的成功構建，進而模擬了庫岸邊坡的穩定性。主要結論有：

1)在天然的工況條件之下，邊坡整體上為穩定的；如果是在暴雨的條件之下，則廠區邊坡由于存在西向臨空，穩定性系數為1.22，處于基本穩定狀態。然而因為在邊坡中沒有相互貫通的潛在滑面得以形成，所以也存在著邊坡出現局部性垮塌的可能性。其中坡體的前緣是發生失穩的最可能位置，尤其是邊坡的中部陡坎帶以及邊坡的北側前緣最有可能出現失穩。除此之外的其它區域基本上是穩定的。

2)在蓄水的工況之下，高于常規蓄水位的坡體不會受到顯著的影響，但坡體前緣涉水帶陡坎范圍，且位于正常蓄水位以下，在長期浸泡作用下，坡體內粉砂質泥巖對堆積體位移具有控制作用，臨空方向則存在著較為顯著的變形趨勢，且從其前緣逐漸朝著后緣進行降低，對于常規蓄水位以及水位陡降的條件之下，所對應的坡體穩定性系數分別等于0.986以及0.957?？梢灾?，在蓄水的工況之下，將會出現邊坡的失穩現象，最早出現變形失穩的部位為邊坡的前緣，進而朝著后方進行垮塌。同樣北側東部陡坎需要重點注意，該側相對穩定性較弱。