蓄水條件下庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

丁成有

（岫巖滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧岫巖滿族自治縣114300）

1 工程背景

岫巖縣位于遼東半島東部，近年來經(jīng)濟社會發(fā)展十分迅速。隨著該縣城鎮(zhèn)面積的不斷擴大以及城鎮(zhèn)人口的迅速增加，供水安全問題也日漸突出。為了提高城區(qū)供水安全系數(shù)，當?shù)卣當M在岫巖縣前營子鎮(zhèn)西大營村與狄家堡村交界處新建1 座蓄水調(diào)節(jié)中型水庫——前營子調(diào)節(jié)水庫，作為岫巖縣的備用水源水庫。前營子調(diào)節(jié)水庫的設計庫容為3 350 萬m3，配套設施為日處理3.5 萬m3的凈水廠1 座，輸水管線5 km。工程建成后可以為岫巖縣城區(qū)、前營子農(nóng)高區(qū)、雅河園區(qū)提供生活生產(chǎn)用水，項目計劃投資5 億元。前營子調(diào)節(jié)水庫位于岫巖縣城區(qū)西南部山區(qū)，為典型的河谷地貌，兩岸的山勢陡峭，地質(zhì)條件十分復雜。特別是庫區(qū)左岸距離壩址200～400 m 的區(qū)域存在較多的斷層、層內(nèi)和層間錯動帶、原生和構(gòu)造裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造，在蓄水過程中會產(chǎn)生比較復雜的應力變形，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，必將對工程的安全運行造成極大威脅[1]。因此，針對該段岸坡蓄水條件下的穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義和價值。

2 岸坡三維有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

根據(jù)對研究區(qū)岸坡的野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及工程設計資料的整理和分析，得到岸坡內(nèi)部空間分布情況，進而建立有限元計算模型[2]。該模型的海拔高程差為400 m，最高點和最低點的海拔高程分別為155 m 和555 m，順河谷向長度為300 m，寬度為250 m。在岸坡內(nèi)部分布有2 條較大的斜切帶，岸坡表層分布有2 個大規(guī)模的碎裂松動巖體。從岸坡的地質(zhì)巖性來看，主要為二疊紀玄武巖，自上而下分別為碎裂松動巖體、強卸荷巖體、弱卸荷巖體以及微新巖體。

研究中利用FLAC3D 三維有限元軟件進行岸坡計算模型的構(gòu)建[3]。模型以壩軸線指向左岸的方向為X 軸正方向，以垂直于X 軸指向下游的方向為Y 軸正方向，以豎直向上的方向為Z 軸正方向。模型在X 軸和Y 軸方向的寬度分別為300 m 和250 m，Z 軸方向的高度為400 m。在模型進行網(wǎng)格劃分時，選擇四面體和六面體組合單元并進行局部加密處理，最終獲得122 457個計算節(jié)點，681 024個網(wǎng)格單元[4]。有限元模型的示意圖如圖1所示。

2.2 計算參數(shù)和約束條件

圖1 有限元模型示意圖

FLAC3D 可以提供多種不同形式的模型邊界條件，以滿足不同用戶的研究需要[5]。結(jié)合此次研究的目的以及研究對象的實際特點，選擇位移和應力邊界條件[6]。因此，模型的X 軸方向的兩側(cè)需要施加應力邊界條件；Y 軸方向的2 個側(cè)面與模型的底面施加法向約束條件；模型的上部為自由邊界條件；根據(jù)現(xiàn)場的實測地質(zhì)數(shù)據(jù)資料確定初始應力場[7]。在水庫建成后的蓄水過程中，研究岸坡受到滲流場和地質(zhì)構(gòu)造的雙重作用，會形成比較明顯的應力集中現(xiàn)象。因此，在研究中不僅需要考慮岸坡的自重應力和內(nèi)部構(gòu)造的作用，還應該考慮滲流作用的影響[8]。因此，研究中將模型的底面和Y 軸方向視為不透水面；模型的X 軸方向為已知水頭邊界。

鑒于模型的物理力學參數(shù)會對計算結(jié)果造成顯著影響，研究中結(jié)合相關(guān)資料和試驗結(jié)果，采用表1 所示的計算材料體物理力學參數(shù)。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

研究中，利用上節(jié)構(gòu)建的三維有限元模型，對岸坡蓄水前后的應力、位移以及剪應變增量進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果對水庫蓄水后岸坡的穩(wěn)定性進行綜合評價。

3.1 應力場分析

利用模型對前營子調(diào)節(jié)水庫蓄水后岸坡的最大主應力進行模擬計算，獲得如圖2 和圖3 所示的邊坡蓄水前后最大主應力云圖。由2，3 圖可知，相對于水庫蓄水前，研究岸坡在蓄水后的最大主應力分布特征存在一定的變化，主要表現(xiàn)為最大主應力的值有一定程度增大，且蓄水位以下的部位增大更為明顯。究其原因，主要是隨著水庫的蓄水，庫區(qū)水位不斷上升，而孔隙水的壓力也不斷增大。同樣，在蓄水之后，岸坡額河谷部位也呈現(xiàn)出比較明顯的應力集中現(xiàn)象，主要是韌性帶的巖體巖質(zhì)相對比較松軟，會造成應力松弛，而與其相鄰的巖體則會出現(xiàn)一定程度的應力集中。

圖2 蓄水前岸坡最大主應力云圖

圖3 蓄水后岸坡最大主應力云圖

利用構(gòu)建的模型，對岸坡的最小主應力進行模擬計算，獲得如圖4 和圖5 所示的邊坡蓄水前后最小主應力云圖。由圖4，5 可知，水庫蓄水前后的最小主應力均表現(xiàn)為壓應力，且表現(xiàn)出坡表較小，深部較大的特征。同時，在坡表的部分區(qū)域表現(xiàn)為拉應力，但是分布的區(qū)域并不大，雖然可能誘發(fā)局部巖體的張拉破壞，但是對邊坡的整體穩(wěn)定性影響極為有限。

綜合最大和最小主應力的計算和分析結(jié)果，研究邊坡在蓄水前后的應力場并沒有出現(xiàn)明顯變化，可能發(fā)生張拉破壞的范圍較小，影響極為有限。

圖4 蓄水前岸坡最小主應力云圖

圖5 蓄水后岸坡最小主應力云圖

3.2 位移場計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的模型，對岸坡的位移量進行模擬計算，獲得如圖6 和圖7 所示的邊坡蓄水前后位移云圖。由圖6，7可知，與水庫蓄水前相比，研究岸坡發(fā)生位移變形的區(qū)域有所擴大，并且主要集中于水庫蓄水位以下的岸坡部位，水面線以上的部位與蓄水前相比變化不大。雖然，位移區(qū)域較蓄水前有明顯擴大，但是位移量均相對較小，都在10 cm以下，不會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的直接影響。從最大位移量來看，蓄水前后并無顯著變化，分別為69 mm 和71 mm，其位置位于蓄水水位以上的韌性剪切帶上方的巖體破碎松動區(qū)。

圖6 蓄水前岸坡整體位移云圖

圖7 蓄水后岸坡整體位移云圖

3.3 剪應變增量計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的模型，對岸坡的剪應變增量進行模擬計算，獲得如圖8 和圖9 所示的典型剖面A-A剖面蓄水前后剪應變增量云圖。由圖8，9 可知，與蓄水前相比，研究岸坡的剪應變增量均表現(xiàn)為不同程度地增加。但是，剪應變增量相對較大的區(qū)域與蓄水前相比變化并不明顯。從剪應變增量的具體變化特征來看，研究岸坡的坡表部位剪應變增量相對較大，其余部位的變化并不明顯。此外，研究岸坡的韌性剪切帶部位的剪應變增量與周圍區(qū)域相比明顯偏大，但是受到周圍致密穩(wěn)固巖體的約束作用，并沒有貫通，因此不會對岸坡的整體穩(wěn)定性造成顯著影響。從云圖上看，岸坡坡表部位的碎裂松動巖體已經(jīng)貫通到前緣部位，可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，但由于區(qū)域范圍較小，不會對邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大危害，這與應力分析結(jié)果基本一致。

圖8 蓄水前典型剖面剪應變增量云圖

圖9 蓄水后典型剖面剪應變增量云圖

4 結(jié)論

庫區(qū)岸坡的穩(wěn)定性對水利工程的安全和穩(wěn)定運行具有重要影響，針對蓄水過程對岸坡穩(wěn)定性的潛在影響，此次研究以遼寧省岫巖縣擬建的前營子調(diào)節(jié)水庫上游復雜地質(zhì)條件岸坡段為例，利用數(shù)值模擬的方法對該段岸坡在蓄水條件下的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1）綜合最大和最小主應力的計算結(jié)果，研究岸坡在蓄水前后的應力場并沒有出現(xiàn)明顯變化，可能發(fā)生張拉破壞的范圍較小，不會對岸坡的整體穩(wěn)定造成明顯影響。

2）從岸坡的位移量來看，蓄水前后的最大位移量和位置沒有明顯變化，蓄水位以下的岸坡發(fā)生位移變形的區(qū)域有所擴大，但是位移量均相對較小，都在10 cm 以下，不會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的直接影響。

3）研究岸坡的坡表部位剪應變增量相對較大，其余部位的變化并不明顯；韌性剪切帶部位的剪應變增量與周圍區(qū)域相比明顯偏大，但是受到周圍致密穩(wěn)固巖體的約束作用，并沒有貫通，因此不會對岸坡的整體穩(wěn)定性造成顯著影響；岸坡坡表部位的碎裂松動巖體已經(jīng)貫通到前緣部位，可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，但由于區(qū)域范圍較小，不會對邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大危害。

4）綜上，水庫蓄水并不會對研究岸坡的整體穩(wěn)定造成顯著影響，岸坡的整體穩(wěn)定性較好，暫不需要采取工程干預措施。