順層巖質(zhì)邊坡的蓄水響應(yīng)特征研究

張芊冉

（浙江水利水電學(xué)院，杭州310018）

1 引言

庫岸邊坡相比于交通行業(yè)的挖填方邊坡及市政、工民建行業(yè)的基坑邊坡有著顯著不同。這類邊坡具有成因機(jī)制復(fù)雜、隱蔽性好、威脅性大的特點(diǎn)，因此對(duì)這類邊坡進(jìn)行深入研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

通過對(duì)近年來的研究成果進(jìn)行歸納整理， 發(fā)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的研究、 技術(shù)人員主要將研究重點(diǎn)聚焦于將新技術(shù)引進(jìn)至滑坡變形分析。如吳國宏等（2020），將TM30測(cè)量機(jī)器人在水庫地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，研究成果具有一定的推廣價(jià)值［1］。 但更多的研究人員， 還是主要將研究重心聚焦于傳統(tǒng)的機(jī)理分析上［2-5］，譬如，顧東明（2020）對(duì)三峽庫區(qū)反傾巖質(zhì)邊坡的時(shí)效變形特征進(jìn)行了研究［6］。 雷衛(wèi)佳等（2020）對(duì)水位升降對(duì)邊坡滲流場(chǎng)特征進(jìn)行了研究［7］，朱應(yīng)佳等（2020）對(duì)東北某庫岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［8］，周延國等（2020）對(duì)小盤河水庫庫區(qū)的黃土塌岸進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)［9］。

本文以浙江某水電站為研究對(duì)象， 對(duì)場(chǎng)地揭露的順傾邊坡在水位變動(dòng)的情況下進(jìn)行了流固耦合分析，揭示了邊坡變形機(jī)理，本論文的研究成果有望為類似工程提供參加價(jià)值。

2 工程案例基礎(chǔ)條件與數(shù)值計(jì)算前處理

2.1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

位于浙江寧海境內(nèi)的白溪支流大溪上， 其壩址在大溪中游沙地村附近，場(chǎng)地以丘陵、構(gòu)造剝蝕中低山地貌為主，地形地貌如圖1。

圖1 研究區(qū)水庫地形地貌

區(qū)域內(nèi)降雨充沛， 年均降雨量可達(dá)1060mm，最大單日降雨量達(dá)66mm。 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍。 庫區(qū)內(nèi)主要出露有天馬山組的砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。 研究區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體以順傾邊坡為主， 研究區(qū)邊坡細(xì)部發(fā)育情況如圖2。

圖2 順傾邊坡細(xì)部圖

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，自2017年來，隨著每年蓄水、泄水工作的實(shí)施，研究區(qū)邊坡中上部開始出現(xiàn)變形，該病害體一旦失穩(wěn)，可能對(duì)水庫的正常運(yùn)營(yíng)造成威脅，因此筆者以本工點(diǎn)為范例，對(duì)其變形機(jī)理進(jìn)行研究，以期為今后類似工程的建設(shè)提供參考價(jià)值。

2.2 數(shù)值模型建立方法

結(jié)合場(chǎng)地的實(shí)際情況， 分別建立常水位、 蓄水位、泄水位數(shù)值模型，如圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

網(wǎng)格采用四邊形單元與三角形單元混合的形式，單元邊長(zhǎng)范圍在1～3m之間。 水平和豎直方向均采用固定約束。

計(jì)算工況選取3種：

（1）常水位工況（水位線65m）；

（2）蓄水位工況（水位線89m）；

（3）泄水位工況（水位線51m）；

參數(shù)主要依據(jù)場(chǎng)地勘察成果取值，綜合取值如表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值

3 變形機(jī)理分析

3.1 天然工況計(jì)算結(jié)果及分析

圖4～圖8為工況一的研究區(qū)邊坡的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖4 天然工況最小總應(yīng)力云圖

圖5 天然工況最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖6 天然工況合位移分布情況

圖7 天然工況屈服單元分布情況

計(jì)算結(jié)果表明：坡體處于常水位時(shí)，最小總應(yīng)力總體受壓應(yīng)力控制，與重力方向呈近似正交關(guān)系，與實(shí)際情況相符， 但坡表局部位置和坡體內(nèi)部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力單元，說明整體穩(wěn)定性較好，但可能存在局部穩(wěn)定性問題。 最大剪切應(yīng)變?cè)茍D方面，可以發(fā)現(xiàn)在泥巖層內(nèi)部出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中， 說明該區(qū)帶可能為蠕動(dòng)層，為相對(duì)不穩(wěn)定層。 在位移方面，可發(fā)現(xiàn)，最大位移約1.2cm，量值較小，在泥巖層內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的位移增量，從屈服單元云圖來看，坡體內(nèi)部主要在坡體中后部與坡腳位置泥巖層內(nèi)零星分布有屈服單元，結(jié)合前文分析可知：總體拉應(yīng)力區(qū)未貫通，位移量值也比較小，因此整體穩(wěn)定性較好。

3.2 蓄水工況計(jì)算結(jié)果及分析

圖8～圖12為研究區(qū)邊坡在蓄水作用下的計(jì)算結(jié)果云圖。

圖8 蓄水工況最小總應(yīng)力

圖9 蓄水工況最大剪應(yīng)變

圖10 蓄水工況合位移

圖11 蓄水工況水平位移

圖12 蓄水工況屈服單元分布情況

計(jì)算結(jié)果表明：相比天然工況，蓄水后，最小總應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)明顯擴(kuò)展， 沿坡體內(nèi)部逐漸延伸至斜坡前緣。 最大剪應(yīng)變方面，應(yīng)變?cè)隽垦啬鄮r層，量值明顯增加，合位移方面，最大位移量達(dá)8cm，相比天然工況明顯增加， 坡體內(nèi)部屈服單元主要沿泥巖層和坡體上覆粉砂質(zhì)泥巖展布。 綜上可知：蓄水后，坡體內(nèi)和坡表拉應(yīng)力區(qū)不斷延伸并逐漸貫通， 軟弱帶發(fā)育于泥巖層， 位移在重力與蓄水兩種工況組合作用下不斷增加， 坡體內(nèi)部沿泥巖和上覆粉砂質(zhì)泥巖形成屈服面，該屈服面可能為潛在變形面。

根據(jù)以上分析，認(rèn)為水庫蓄水后，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 泄水工況計(jì)算結(jié)果及分析

圖13～圖17為研究區(qū)邊坡在二期蓄水作用下的計(jì)算結(jié)果云圖。

圖13 泄水工況最小總應(yīng)力

圖14 泄水工況最大剪應(yīng)變

圖15 泄水工況合位移

圖16 泄水工況水平位移

圖17 泄水工況屈服單元

計(jì)算結(jié)果顯示：泄水工況下，邊坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但邊坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，泥巖層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，最大位移約3.0cm，比天然工況大2.3cm，但小于蓄水工況，從屈服單元來看，泥巖層內(nèi)完全屈服，坡體上覆粉砂質(zhì)泥巖局部分布有屈服單元，未整體貫通，由以上分析可知：在泄水工況下，研究區(qū)邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，該邊坡受蓄水影響更大。

4 結(jié)語

本文以浙江某水庫壩前邊坡為研究對(duì)象， 結(jié)合實(shí)際情況建立了數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行了在常水位、蓄水、泄水3種工況下的計(jì)算，在此過程中，形成了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）坡體處于常水位時(shí)，最小總應(yīng)力總體受壓應(yīng)力控制，泥巖層為相對(duì)不穩(wěn)定層，坡表局部位置和坡體內(nèi)部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力單元，說明整體穩(wěn)定性較好，但可能存在局部穩(wěn)定性問題。

（2）相比天然工況，蓄水后，最小總應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)明顯擴(kuò)展，沿坡體內(nèi)部逐漸延伸至斜坡前緣。 最大剪應(yīng)變方面，應(yīng)變?cè)隽颗c屈服單元沿泥巖層發(fā)育，說明對(duì)這類順傾邊坡來說，在庫水作用下，應(yīng)注意相對(duì)軟弱層的傾向特征，一旦蓄水，該層極有可能發(fā)育為相對(duì)不穩(wěn)定層。

（3）泄水工況下，邊坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但斜坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，泥巖層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，說明對(duì)順傾邊坡來說，其穩(wěn)定性受蓄水影響更大。