水庫邊坡位移監(jiān)測及穩(wěn)定分析

劉惠江

(新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州呼圖壁河流域管理處，新疆 昌吉州 831200)

自20世紀(jì)90年代以后，我國專家學(xué)者針對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了許多的研究，隨著科技不斷的發(fā)展，邊坡監(jiān)測的方式也得到完善，目前不僅能夠進(jìn)行地質(zhì)表面的監(jiān)測，還能對(duì)地下深部及地下水位等區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測。而水庫的建設(shè)及使用對(duì)于我國社會(huì)的發(fā)展具有重要的作用，邊坡的穩(wěn)定作為影響水庫結(jié)構(gòu)的主要因素，受到了廣泛的關(guān)注[1]。在水庫邊坡監(jiān)測的研究中，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式不僅安全系數(shù)較低，而且觀測的頻率也存在一定的短板，張旭等以邊坡變形資料作為研究的基礎(chǔ)，通過將時(shí)效性以及降雨、溫度等影響因素作為決定性因子，構(gòu)建了水庫邊坡變化趨勢的回歸分析模型[2]；楊強(qiáng)等在對(duì)水庫邊坡穩(wěn)定性分析模型進(jìn)行分析后認(rèn)為，使用不考慮具體變異特性的定值法能夠獲得準(zhǔn)確的水庫邊坡安全系數(shù)[3]；張俊等分析了水庫大壩的滲流與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，驗(yàn)證了截水槽在防滲中的作用[4]；賀可強(qiáng)等通過對(duì)水庫進(jìn)水口的邊坡進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，巖層間存在的結(jié)合力差將會(huì)造成邊坡的穩(wěn)定性問題[5]。時(shí)至今日在水庫邊坡的穩(wěn)定性分析以及預(yù)測中，已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行監(jiān)測，并可在監(jiān)測過程中的時(shí)間序列里增加環(huán)境因素，用于反饋水庫邊坡變形時(shí)力的作用，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建出模型對(duì)邊坡的位移變化形式進(jìn)行預(yù)測分析，這種方式已經(jīng)成為目前水庫邊坡穩(wěn)定性分析的主要研究方式[6]。本研究將結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)水庫邊坡的地表及地下位移進(jìn)行監(jiān)測，將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并根據(jù)不確定性原理構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性模型，以此全面地探究水庫邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 庫區(qū)邊坡概況分析

某一級(jí)水電站為流域干流控制性水庫階梯級(jí)電站，水電站壩高為186 m，正常蓄水位為276 m，總庫容為2.8×107m3，調(diào)節(jié)庫容2.1×107m3；庫區(qū)邊坡整體呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀，前后高程具有顯著的差異，其前部高程為109 m、后部高程為577 m，前后高程實(shí)際差為468 m；邊坡的寬度均值為610 m，縱向?yàn)?20 m，平均坡度為28.5°，邊坡的平均厚度為81 m；邊坡中巖石呈現(xiàn)為破碎化狀態(tài)，巖石巖性為三疊系變質(zhì)巖系,有雜谷腦組(T3z)淺灰～灰黑色粉砂質(zhì)細(xì)砂巖夾板巖(千枚巖)，巖石節(jié)理間具有較多的裂隙；該區(qū)域地下水類型主要以松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水為主。

1.2 監(jiān)測點(diǎn)的布置

本研究中邊坡位移監(jiān)測點(diǎn)位布置采用整體控制、組合優(yōu)化的方式，選擇具有較好穩(wěn)定性并適用于本次研究的檢測儀器，根據(jù)研究庫區(qū)邊坡滑坡的地質(zhì)環(huán)境、邊坡的位移變化情況以及實(shí)際的需求等多方因素考慮，最終設(shè)置四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)位布置示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 邊坡數(shù)值模擬計(jì)算

研究采用工程模擬軟件ABAQUS構(gòu)建數(shù)值的有限元網(wǎng)格劃分分析模型，并將自然狀態(tài)以及暴雨作為主要工況，利用彈塑性分析方法對(duì)不同工況下的邊坡變化狀態(tài)進(jìn)行分析[7]。

2.2 安全度系數(shù)計(jì)算

安全度系數(shù)使用Fellenius(費(fèi)倫紐斯)條分法以及增量法計(jì)算，如式(1)所示：

(1)

式中：c為內(nèi)聚力，N；lk為第k個(gè)土條的接觸面的長度，m；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；n為土條的數(shù)量，個(gè)；Wk為第k個(gè)土條的重力，N；θk為第k個(gè)土條的切面和水平面所構(gòu)成的夾角，(°)；γw為水的容重，kg/m3；V為浸潤土層中所含有水的總體積，m3；i為水力的坡降，%。

2.3 Pignistic概率計(jì)算

在獲得庫區(qū)邊坡中不同種類的土壤特征系數(shù)后，便利用Pignistic概率理論所計(jì)算獲得的安全系數(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)镻ignistic概率密度，以便能夠更好地分析庫區(qū)邊坡在不同工況狀態(tài)下的穩(wěn)定性[8]。

3 邊坡位移監(jiān)測、滑動(dòng)面及穩(wěn)定性結(jié)果分析

3.1 邊坡位移監(jiān)測分析

隨著時(shí)間的推移，庫區(qū)邊坡位移首先增加，在一定時(shí)間后增加趨勢逐漸減緩，研究中不同監(jiān)測點(diǎn)位的位移變化發(fā)展趨勢基本保持一致，由于監(jiān)測點(diǎn)位所處位置存在差異，所監(jiān)測到的地表位移數(shù)據(jù)以及變化速率具有一定的差異，地表位移監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 地表位移監(jiān)測結(jié)果

圖3 深層位移監(jiān)測結(jié)果

通過對(duì)地下深層區(qū)域的位移監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(深層位移監(jiān)測結(jié)果如圖3所示)，在地下深度-20～-18 m的區(qū)域位移程度極為顯著，在發(fā)展過程中由正位移轉(zhuǎn)變成了負(fù)位移，并且隨著時(shí)間的推移，-18～0 m范圍內(nèi)的正位移呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而在-20～-18 m深度下負(fù)位移則逐漸地降低，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，深度在-18 m時(shí)位移增加速率最快。因此可見，在進(jìn)行水庫工程施工時(shí)需要注重注意地下-18 m區(qū)域的地質(zhì)勘查工作，并根據(jù)實(shí)際情況制定有效的加固措施。

3.2 邊坡滑動(dòng)面工況模擬分析

通過模擬發(fā)現(xiàn)不同工況下水庫邊坡均出現(xiàn)了顯著的滑動(dòng)破壞現(xiàn)象。在暴雨工況下，其庫區(qū)邊坡的滑動(dòng)破壞面更陡，因此可以說明在暴雨工況下其安全系數(shù)較低。此外，雖然不同工況下，庫區(qū)邊坡的變化趨勢具有一致性，但取值上卻存在差異，如自然條件工況下最大應(yīng)變值為6.56×10-4、暴雨工況下最大應(yīng)變值為9.87×10-4，這也說明了后者安全系數(shù)更低。模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有一致性。水庫邊坡土質(zhì)檢測分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水庫邊坡土質(zhì)檢測分析數(shù)據(jù)

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

(1)不同降雨持續(xù)時(shí)間下安全系數(shù)分析。當(dāng)邊坡持續(xù)受到降雨的影響時(shí)，其安全系數(shù)將呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，此結(jié)論與前文使用Fellenius條分法以及增量法的研究結(jié)果相一致，但需要注意的是，使用Fellenius條分法以及增量法所得到的安全系數(shù)在不同降雨持續(xù)時(shí)間下的數(shù)值均達(dá)到1.0以上，由此可以證明本研究中水庫邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)[9]。

(2)Pignistic概率密度分析。通過分析可以得出，在自然條件工況以及暴雨工況下，水庫邊坡的安全系數(shù)均能達(dá)到1.0以上，說明水庫邊坡具有一定的穩(wěn)定性，結(jié)論與前文相一致，但水庫在水位驟降時(shí)期安全系數(shù)將會(huì)降低到1.0以下，因此在實(shí)際當(dāng)中應(yīng)根據(jù)水庫實(shí)際情況實(shí)施聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，避免發(fā)生水位驟降的情況。

4 結(jié) 論

水庫邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著時(shí)間的推移，庫區(qū)邊坡位移將首先增加，并且在一定的時(shí)間后增加趨勢將會(huì)逐漸地減緩，深度在-18 m時(shí)位移增加速率最快，屬于危險(xiǎn)區(qū)域；在暴雨工況下相比自然條件工況，其庫區(qū)邊坡的滑動(dòng)破壞面更陡，其安全系數(shù)較低，應(yīng)變數(shù)值大，危險(xiǎn)程度高；在自然條件工況以及暴雨工況下，水庫邊坡的安全系數(shù)均能達(dá)到1.0以上，但水庫在水位驟降時(shí)期安全系數(shù)將會(huì)降低到1.0以下，需要在該水庫日常管理中注意此類問題，不斷提升水庫安全管理，杜絕此類問題帶來的安全隱患。