某水庫工程左岸巖質邊坡地震穩定性分析

何 華

(中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430061)

1 引言

在水利水電工程中，庫岸邊坡的失穩可能造成大壩功能的喪失，甚至造成潰壩威脅到人民生命財產安全[1-3]。庫岸邊坡失穩直接影響大壩的施工和運行等各個過程。對大壩進行穩定性分析和評價是一個重要的工作。特別是對于修建在復雜地質條件和工作環境中的大型水利工程，邊坡穩定性的評價至關重要。我國目前大多數大壩修建在西部地區，而西部地區是我國主要的地震區域，因此展開庫岸邊坡的地震穩定性分析非常必要[4-5]。地震是促使邊坡失穩的一個重要因素，在運行期如果發生地震，庫岸邊坡必須具有抵抗變形的能力，因此評價庫岸邊坡地震穩定性顯得尤為重要。本文對某水庫左岸巖質邊坡展開地震穩定性分析，評價邊坡的安全與穩定性。

2 工程概況

某水庫引水工程由水庫樞紐和輸水工程兩大部分組成。水庫樞紐主要由擋水建筑物、泄水與引水建筑物及壩后電站等組成；輸水工程主要包括總干渠、南支線、北干線三部分。某水庫位于西安市藍田縣境內，水庫樞紐位于灞河的一級支流輞川河中游河段。對外交通狀況良好。施工場地主要利用樞紐下游沿河耕地及灘地布置。擋水建筑物設計為碾壓砼拱壩，最大壩高98.50 m；泄水建筑物為泄洪表孔和泄洪底孔，泄洪表孔孔寬12 m，堰頂高程872.00 m，泄洪底孔進口高程828.00 m，孔口尺寸4.0 m×4.5 m；引水洞布置于右岸，隧洞斷面為圓形，成洞直徑2.5 m；電站裝機2×2000 kW+1×800 kW。

某水庫左岸巖質邊坡存在不利結構面和臨空面，相關的結構面和臨空面將巖體切割成可能產生失穩和滑動破壞的楔形體。在水利工程中楔形體的破壞是比較常見一種破壞形式，它在各類巖質邊坡中占有重要的地位。楔形體主要由花崗巖組成巖結構面分布有細粒巖脈，寬度為1.0 m～1.5 m。巖體主要由弱風化層組成，分布較為完整。強風化層大約為3 m～5 m，存在一定的卸荷松動現象。

3 數值模型

3.1 計算模型

為計算的方便，本文只進行邊坡穩定的二維數值計算，所采取的模型為二維平面應變模型。計算模型盡量考慮水庫左岸巖質邊坡的地質條件特點，模擬邊坡的相關結構面和裂隙斷層等不良地質構造。模型計算范圍取得足夠大，在包含主要研究邊坡部位的基礎上向外分別延伸至少1倍的邊坡高程。模型的總體尺寸為：豎直方向上總的高度取為1000 m，包含主要研究區域，模型水平方向前沿取為邊坡的凌空面或者開挖面，而后沿盡量取完整新鮮巖體部位，以使邊坡盡量包含區域內的不利結構構造部位。巖體的結構面采用上述介紹的方法進行模擬，并進行適當的簡化，以達到即滿足精度要求，又能盡量刻畫結構面的分布。模型的計算網格主要采用四邊形和三角形單元進行剖分，計算網格見圖1。其中總節點數4323，總單元數3773。

圖1 邊坡計算網格

3.2 計算方案

為詳細獲取庫岸邊坡的地震穩定性，本文進行三個方案的邊坡地震穩定性分析。方案1進行邊坡常規情況下的地震穩定性分析，對邊坡穩定性展開分析和評價。方案2：基于方案1的計算結果，根據邊坡穩定情況提出保證邊坡穩定的削坡方案A，對邊坡采用削坡方案A情況下，邊坡的穩定性展開地震穩定性分析。方案3：根據邊坡常規穩定分析結果提出的另一種削坡方案B下，對邊坡基于削坡方案2，進行地震情況下穩定分析。

加速度時程通過規范譜生成，最大加速度0.104 g，地震持續時間30 s，輸入的地震加速度時程見圖2。

圖2 x方向輸入的地震加速度時程

4 庫岸邊坡地震穩定性分析

4.1 當前邊坡地震穩定性分析

方案1中，地震持續過程中，邊坡整體余能范數變化產生相應變化見圖3。每個時刻余能范數的大小就反映了該時刻結構的整體抗震穩定性。如果余能范數為0，則表示結構穩定；余能范數越大，結構動力破壞程度越大。正常情況下，余能范數時程呈現出尖峰性。也就是說，結構僅在某些危險時刻動力破壞程度較大，隨著地震中的卸載過程，結構可以暫時恢復穩定狀態。

圖3 方案1邊坡余能范數變化

當前邊坡在地震情況下，余能范數最大值出現在4.86 s，其它時刻，余能范數值亦較大，如1.64 s、2.36 s、3.02 s、3.76 s、6.74 s、7.96 s、8.14 s等。選取余能范數最大值出現時刻4.86 s，對邊坡的穩定情況進行分析。對4.86 s時，邊坡及截面位移云圖；邊坡及截面屈服區；邊坡及截面不平衡力矢量圖展開分析。由結果可以看出：(1)4.86 s時，邊坡位移橫河向最大為0.98 m，順河向為0.65 m，豎直向為0.97 m。(2)屈服區主要集中在頂部和坡腳處，內部屈服范圍很小。屈服區范圍比靜力情況下略大。(3)邊坡發生局部失穩的可能性大。

4.2 邊坡開挖后地震穩定性分析

方案2、方案3，地震持續過程中，邊坡整體余能范數變化產生相應變化。方案2，余能范數最大值出現在3.04 s，從量值看，僅為方案1最大值的一半。其它余能范數值較大時刻有2.34 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s，8.08 s等。選取余能范數最大值出現時刻3.04 s，對邊坡的穩定情況進行分析。

同時對方案2在3.04 s時，邊坡及截面位移云圖；邊坡及截面屈服區；邊坡及截面不平衡力矢量圖展開分析，分析所得結果和結論與方案1結果基本一致。

方案3，余能范數最大值出現在3.10 s，從量值看，比方案2略小。其它余能范數值較大時刻有2.12 s，2.34 s，3.1 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s等。選取余能范數最大值出現時刻3.10 s，對邊坡的穩定情況進行分析。

對方案3在3.10 s時，邊坡及截面位移云圖，邊坡及截面屈服區，邊坡及截面不平衡力矢量圖展開分析發現該方案上述結果與方案2和方案1均基本相似，總體并未呈現明顯的不同。

各方案余能范數特征值對比見表1。各方案位移對比見表2。

表1 各方案余能范數特征值對比 單位：N·m

表2 各方案位移對比

由上述圖表的對比可以看出：(1)方案2，整體余能范數為4.8×105，比方案1降低了52%。3.04 s時，邊坡位移橫河向最大為-0.49 m，順河向為-0.29 m，豎直向為0.27 m，內部變形在20 cm以下。屈服區主要集中在頂部、中部和坡腳處。范圍比方案1要小。邊坡內部幾乎沒有屈服。(2)方案3，整體余能范數為4.1×105，比方案1降低了59%。3.10 s時，邊坡位移橫河向最大為-0.16 m，順河向為-0.09 m，豎直向為0.12 m，內部變形在20 cm以下。僅在表面有少量的屈服存在，內部幾乎沒有屈服區。

5 結論

本文對某水庫左岸巖質邊坡穩定進行數值計算和分析，結果認為在地震荷載作用下，頂部巖體和邊坡表面巖體出現了較大變形，可能會出現傾倒破壞。各個方案開挖后，邊坡穩定性均有明顯提高，以方案3效果最優，但邊坡局部不平衡力都較大，很可能出現局部失穩。失穩區大小因開挖方案不同有顯著差異。從安全與經濟角度考慮，建議一個開挖量介于2與3兩方案之間的推薦方案?？傮w而言左岸巖質邊坡在天然條件下，較難保證地震穩定性，有必要采取相關的削坡方案以提高邊坡的穩定性。