大沂河水利樞紐工程邊坡穩定性的數值模擬研究

趙 山

（沂水縣跋山水庫管理中心,山東 沂水 276400）

1 引言

降雨對邊坡穩定具有較大的影響,降雨對邊坡破壞的主要作用是通過滲流引起巖質邊坡容重增大,進而影響巖體內部的應力分布,使得產生位移或失穩破壞,甚至使得巖質邊坡出現暫態飽和區,這對于邊坡的穩定極其不利。

目前,降雨或其它水對巖質邊坡穩定性影響的研究已經較為廣泛地開展,并取得了較為豐碩的成果：黃濤等［1］分析了地下水對邊坡穩定性的影響,對影響邊坡穩定的因素進行了較為詳盡的分析；劉才華等［2］從力學角度分析了水進入邊坡內部后對邊坡力學參數的影響；何滿潮等［3］對邊坡巖體本身進行了分析,將巖體劃分為不同種介質材料,并分別對每種介質材料的力學及滲透特征進行研究；王輝等［4］分析了邊坡穩定性與坡體壓力水頭值的關系,并對降雨滲流作用與邊坡巖體的巖質特性關系進行研究；楊治林［5］分析了邊坡水位對邊坡穩定性的影響,并結合實際工程給出了邊坡破壞界限的計算公式；陳志堅等［6］分析了巖質邊坡巖性與地下水分布的關系,進而提出保證巖體穩定性的計算公式；胡其志等［7］運用數值分析的方法,研究了在不同內聚力、內摩擦角的巖質邊坡中,巖質邊坡穩定性的判定依據；張卓等［8］結合實際工程案例,分析了巖質邊坡中內部應力與滲透性的關系。

2 模型建立

由于Geostudio軟件在巖體邊坡穩定性研究中應用廣泛,且適用性強,對巖質邊坡開挖、邊坡滲流、邊坡降雨破壞的研究具有很好的模擬效果,因而本研究采用Geostudio軟件對某大沂河水利樞紐工程邊坡建立數值分析模型,邊坡網格模型圖見圖1,模型假設該邊坡巖體為均勻連續介質,巖體結構力學模型服從M-C準則,利用極限平衡法則計算邊坡的穩定性。對于邊坡穩定性的研究主要分析降雨條件下降雨入滲對邊坡穩定性的影響。研究中巖體的強度準則采用Hock-Brown強度準則,巖體的力學參數及滲透系數見表1。

表1 巖體的力學參數

圖1 邊坡網格模型圖

模型邊界條件的選取如下：上部邊界為坡體后緣平臺,坡體擋水面邊界為河道中心線,下部邊界為河床面以下,應力邊界只考慮重力作用,水頭邊界為河床面以下以及遠離擋水面截面。

3 降雨條件下數值模擬分析

3.1 降雨條件下巖質邊坡滲流分析

由該區域原始地質資料顯示,該區域屬于半干旱區域,年降雨量較少,年平均降雨量為430.6 mm,降雨期主要為7 月、8 月兩月,對于降雨的模擬設計三種工況,見表2,分別對表2中的三種工況進行數值模擬,并對其進行滲流分析,得到其壓力水頭分布,見圖2。

表2 降雨條件下工況設計

圖2 壓力水頭分布

對比分析圖2中的三種工況,分析可得：

（1）對于降雨量大且降雨持續時間較短,第四系覆蓋層和邊坡坡腳位置的壓力水頭值有明顯增大,其中第四系覆蓋層壓力水頭值變化最大,其余部分壓力水頭值有變化但不明顯,且在第四系覆蓋層和邊坡坡腳位置有部分區域的巖體出現暫態飽和；

（2）邊坡基巖部分壓力水頭隨著降雨量的不同基本沒有變化；

（3）各工況條件下,對于內部基巖部分的地下水位變化不明顯,而邊坡坡腳位置的地下水位有明顯上升,且降雨量大且降雨持續時間較短的工況1上升最為明顯。

分析以上現象可得：巖質邊坡滲流作用受降雨的影響較大,當總降雨量相同時,每小時降雨量越大,巖質邊坡坡體壓力水頭值越大,且在部分位置易出現暫態飽和區；當每小時降雨量和降雨持續時間均相同時,巖質邊坡坡體滲流作用效果與該部分邊坡的滲透系數呈正相關。

對于該巖質邊坡,坡體基巖部分滲透性小,巖石較為完整且風化程度低,在降雨作用下,滲透量幾乎為0,因而對基巖部份壓力水頭值和地下水位的影響極小；第四系覆蓋層位于坡頂位置,且其滲透系數大,降雨入滲作用較強,其壓力水頭值和地下水位的影響較大；坡面位置覆蓋有一層較為松散的覆蓋層,其表面風化作用較為強烈,巖體完整性較低且有裂隙存在,因而具有很強的滲透性,壓力水頭值和地下水位變化較為明顯,且在坡面位置存在有較為軟弱的巖體分布,其密實性較低,易受水侵蝕作用,因而在該部分易出現暫態飽和區,且隨著降雨強度增加以及降雨持續時間延長,暫態飽和區的巖體范圍逐漸擴大,同時地下水位上升也較為明顯,上身幅度主要取決于每小時降雨量、持續時間以及該部分巖體的滲透系數；對于邊坡坡腳位置的巖體由于存在風化裂隙,在淺層位置處壓力水頭值和地下水位的影響較大。

3.2 降雨條件下巖質邊坡應力應變值分析

對于降雨條件下,巖質邊坡應力應變值分析主要包含以下部分：最大主應力分析、最小主應力分析、邊坡巖體剪應力分析、邊坡坡體位移。

3.2.1最大主應力分析

分別對三種工況進行數值模擬分析,得到最大主應力分布圖,見圖3。

圖3 最大主應力分布圖

分析模擬結果,工況1中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應力值為0.1 MPa~2.0 MPa,工況2中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應力值為0.1 MPa~1.6 MPa,工況3中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應力值為0.1 MPa~1.0 MPa。降雨條件下相較于蓄水對邊坡滲流的影響較小,但降雨條件下巖體滲流會增加巖體的容重,進而使得巖體的最大主應力發生變化,比較工況1與工況2,雖然兩工況下降雨量相同,但工況1降雨強度較大,降雨時間短,降雨入滲入巖體后排除相較于工況2困難,因而增加了工況1條件下的巖體容重,使得邊坡坡體最大主應力大于工況2；比較工況2與工況3,雖然兩工況下降雨時間相同,但工況2降雨強度較大,降雨滲入巖體后排除相較于工況3困難,因而增加了工況2條件下的巖體容重,使得邊坡坡體最大主應力大于工況3。因而三種工況下邊坡巖體最大主應力值由大到小順序為：工況1、工況2、工況3。

3.2.2最小主應力分析

分別對三種工況進行數值模擬分析,得到最小主應力分布圖,見圖4。

圖4 最小主應力分布圖

分析模擬結果,工況1中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應力值為0.1 MPa~0.55 MPa,工況2中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應力值為0.1 MPa~0.65 MPa,工況3中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應力值為0.1 MPa~0.50 MPa。隨著降雨滲入巖質邊坡坡體,降雨對邊坡最小主應力值具有較大的影響。降雨量相同的情況下,降雨持續時間越長,最小主應力增大幅度越大,降雨持續時間相同的情況下,每小時降雨量越大,最小主應力增幅越大。

3.2.3剪應力分析

分別對三種工況進行數值模擬分析,得到剪應力分布圖,見圖5。

圖5 剪應力分布圖

分析模擬結果,中斷層破碎帶上方的剪應力值最大的為工況1,其次為工況2,最小的為工況3。同一種工況下,巖質邊坡坡體剪應力分布為：由左側坡體向右側坡體的剪應力逐漸減小。分析其原因,主要是由于隨著降雨的入滲,降雨沿著破碎裂隙進入邊坡巖體,進而增大了巖體容重,使得邊坡巖體滑移面上方的巖體逐漸飽和,沿著巖體豎向方向剪應力增大,滑移的趨勢逐漸增大。

3.2.4位移分析

分別對三種工況進行數值模擬分析,得到位移值分布圖,見圖6。

圖6 位移值分布圖(單位：mm)

由模擬結果可得,工況1中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.06 mm~0.35 mm,工況2中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.03 mm~0.25 mm,工況3中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.015 mm~0.10 mm。由于巖質邊坡坡體存在節理裂隙,降雨沿著邊坡逐漸進入到巖體內部,增大了巖體的容重,隨著雨水的不斷滲流,邊坡局部區域形成暫態飽和區,又由于裂隙與破碎帶的存在,巖質邊坡整體性降低,進而出現由右側向左側區域位移逐漸增大的變化趨勢,且降雨強度越大,降雨時間越長,巖質邊坡坡體的位移越大。

4 結論

本研究以大沂河水利樞紐工程邊坡為研究對象,通過Geostudio軟件建立數值分析模型,分析降雨條件下巖質邊坡的滲流、最大主應力、最小主應力、剪應力、位移,主要得到以下結論：

（1）巖質邊坡滲流作用受降雨的影響較大,當總降雨量相同時,每小時降雨量越大,巖質邊坡坡體壓力水頭值越大,且在部分位置易出現暫態飽和區。

（2） 當每小時降雨量和降雨持續時間均相同時,巖質邊坡坡體滲流作用效果與該部分邊坡的滲透系數呈正相關。

（3） 降雨量相同的情況下,降雨持續時間越長,最小主應力、最小主應力、剪應力、位移均越大,且降雨持續時間相同的情況下,最小主應力、最小主應力、剪應力、位移值與降雨強度呈正相關。