基于二維隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)分析的庫(kù)岸節(jié)理裂隙巖邊坡穩(wěn)定性分析

張露譯

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 工程背景

王家坎水庫(kù)始建于1958年，位于遼寧省海城市八里河，下游距離海城市10 km。水庫(kù)大壩為黏土斜墻壩，壩長(zhǎng)525 m，壩頂寬6 m，最大壩高18 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容1706萬m3。由于水庫(kù)設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，因此處于年久失修的狀態(tài)，已經(jīng)不能滿足水利防洪的要求。同時(shí)，發(fā)生于1975年的海城地震也對(duì)水庫(kù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，不僅壩體產(chǎn)生近百條裂縫，庫(kù)區(qū)周邊存在滑移危險(xiǎn)的岸坡。因此，在除險(xiǎn)加固施工過程中，不僅要對(duì)大壩等水工建筑物進(jìn)行加固處理，也需要對(duì)庫(kù)區(qū)部分岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便采取合適的治理措施。其中，庫(kù)區(qū)上游右岸的1000 m位置存在一高陡岸坡，坡度在25°～45°之間，岸坡坡腳部位有庫(kù)區(qū)防洪公路通過，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，必將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

研究岸坡屬于節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖質(zhì)岸坡。前期地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，其結(jié)構(gòu)面分布及特征十分復(fù)雜，很難通過一組或幾組節(jié)理模擬整個(gè)岸坡的實(shí)際情況。但是，模擬計(jì)算中的巖體強(qiáng)度、破壞模式以及邊坡穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面特征的影響較大[1]。因此，為了使構(gòu)建的邊坡模型能夠真實(shí)反映邊坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)特征，研究中以地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究分析結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)分組及概率分布，從而生成二維隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)，并導(dǎo)入U(xiǎn)DEC軟件構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性分析模型，分析其在不同工況下的邊坡穩(wěn)定性。

2 計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 二維隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬

巖體的結(jié)構(gòu)面信息主要包括結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)以及張開度和填充情況[2]。其中，結(jié)構(gòu)面的跡長(zhǎng)、填充情況以及張開度通過工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)景模型直接量取或觀測(cè)[3]。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息由于不能在實(shí)景模型中直接獲取，需要通過如下流程獲得：首先，在岸坡實(shí)景模型上隨機(jī)確定若干個(gè)不共線的點(diǎn)；其次，對(duì)上述點(diǎn)位進(jìn)行平面擬合并獲取最佳平面參數(shù)；最后，通過擬合平面的空間特征與幾何關(guān)系計(jì)算出產(chǎn)狀參數(shù)。利用上述方法，對(duì)研究岸坡進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)面調(diào)查和分析，最終獲得223條結(jié)構(gòu)面。

利用聚類分析法將上述結(jié)構(gòu)面進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分組，最終獲得J1、J2、J3等三個(gè)優(yōu)勢(shì)組。其中，JI優(yōu)勢(shì)組的產(chǎn)狀為16°∠46°；J2優(yōu)勢(shì)組的產(chǎn)狀為233°∠72°；J3優(yōu)勢(shì)組的產(chǎn)狀為320°∠68°。利用MATLAB軟件計(jì)算岸坡主剖面與結(jié)構(gòu)面的夾角，獲得上述各優(yōu)勢(shì)組結(jié)構(gòu)面在二維岸坡模型中的傾角和跡長(zhǎng)信息[3]。利用非線性函數(shù)對(duì)各優(yōu)勢(shì)組的傾角和跡長(zhǎng)進(jìn)行擬合，并檢驗(yàn)其擬合優(yōu)度，從而獲得其概率分布模型。利用MATLAB軟件進(jìn)行基于Monte-Carlo的二維隨機(jī)界面網(wǎng)絡(luò)模擬程序的編寫，并生成二維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)。

2.2 岸坡穩(wěn)定性分析模型的構(gòu)建

由于研究岸坡為巖質(zhì)岸坡，表層的第四系覆土較薄，因此不予考慮，認(rèn)為岸坡的巖性為閃長(zhǎng)巖，并建立底邊長(zhǎng)45 m，高48 m的岸坡模型[4]。將上節(jié)生成的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)DEC模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析模型的構(gòu)建。鑒于結(jié)構(gòu)面數(shù)量較多，而貫通結(jié)構(gòu)面對(duì)岸坡穩(wěn)定性起著決定性的影響，因此模型構(gòu)建和模擬計(jì)算中僅保留貫通結(jié)構(gòu)面[5]。同時(shí)，在岸坡的坡腳、坡腳上方15 m、坡腳上方30 m，以及坡頂?shù)?個(gè)部位分別設(shè)置JC1、JC2、JC3和JC4等四個(gè)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位。對(duì)于構(gòu)建的模型按照1 m的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑罱K獲得13 224個(gè)網(wǎng)格單元，9140個(gè)節(jié)點(diǎn)。

工程所在地區(qū)屬于典型的中溫帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降雨量801 mm，且夏季多暴雨。另一方面，研究區(qū)還處于地震帶上，地震活動(dòng)對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響也不容忽視。因此，模擬計(jì)算考慮自然、暴雨和地震三個(gè)工況[6]。其中，自然工況僅考慮巖體自重的影響，暴雨工況考慮巖體飽和自重的影響；地震工況考慮巖體天然自重和地震力的影響。

研究中的本構(gòu)模型設(shè)置為理想彈塑性模型[7]，結(jié)構(gòu)面節(jié)理的法向和切向強(qiáng)度分別為3.0 GPa/m和1.5 GPa/m；黏聚力為0.376 MPa；內(nèi)摩擦角為37°。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

研究中的地震工況動(dòng)力輸入?yún)?shù)以1975年海城地震實(shí)測(cè)地震波記錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用SeismoSignal 軟件對(duì)原始地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的濾波和基線校正，然后將其加速度按比例進(jìn)行縮放，時(shí)期最大幅值為0.2 g，其加速度曲線如圖1所示。在地震工況下，將模型的兩側(cè)設(shè)置為自由邊界條件，底部為黏滯邊界條件，地震應(yīng)力施加于模型底部[8]。

圖1 地震波加速度時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 自然工況

利用構(gòu)建的計(jì)算模型對(duì)自然工況下岸坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。在計(jì)算結(jié)果中提取出四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位的最大位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)。結(jié)果分別如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在自然工況條件下，各個(gè)計(jì)算點(diǎn)位的水平位移量較小，均<1 mm，且岸坡頂部的水平位移量幾乎為零。同時(shí)，各點(diǎn)位的豎向位移隨著高度的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點(diǎn)，JC4點(diǎn)位的豎向位移量最大為5.40 mm。總體來看，各部位的位移量不大，其計(jì)算中呈現(xiàn)出收斂態(tài)勢(shì)。因此，岸坡在自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來看，無論是水平應(yīng)力還是豎向應(yīng)力，均呈現(xiàn)出隨著高度的減小而增大的變化特點(diǎn)。具體來看，大部分部位的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，僅在坡頂?shù)男〔糠謪^(qū)域存在水平和豎向拉應(yīng)力。由于岸坡巖體比較破碎，抗拉強(qiáng)度低，因此岸坡的坡頂部位巖體易發(fā)生受拉破壞。

表2 自然工況位移與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 暴雨工況

利用構(gòu)建的計(jì)算模型對(duì)暴雨工況下岸坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。在計(jì)算結(jié)果中提取出四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位的最大位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)。結(jié)果分別如表3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在暴雨工況條件下，由于岸坡巖土體飽和自重增加，因此各個(gè)計(jì)算點(diǎn)位的位移量較自然工況均有一定程度的增加。從具體數(shù)值來看，越靠近岸坡的頂部，其位移量的增加幅度越大。總體來看，隨著各部位的位移量增加較為明顯，但是在計(jì)算過程中仍處于收斂狀態(tài)，因此岸坡在暴雨工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來看，暴雨工況下的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力與自然工況下比均有不同程度的增加，但是其變化規(guī)律基本一致：岸坡大部分部位的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，僅在坡頂?shù)男〔糠謪^(qū)域存在水平和豎向拉應(yīng)力，且岸坡的坡頂部位巖體易發(fā)生受拉破壞。

表3 暴雨工況位移與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 地震工況

利用構(gòu)建的計(jì)算模型對(duì)地震工況下岸坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。在計(jì)算結(jié)果中提取出四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位的最大位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)。結(jié)果分別如表4所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在地震工況條件下，各個(gè)計(jì)算點(diǎn)位的位移量較自然和暴雨工況均有大幅增加，且計(jì)算過程中不收斂，說明岸坡在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易誘發(fā)滑動(dòng)、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來看，地震工況下岸坡的中部也存在顯著的拉應(yīng)力，頂部的拉應(yīng)力較自然工況和暴雨工況明顯增大。由此可見，在地震工況下，坡頂?shù)膸r體更容易出現(xiàn)拉裂破壞。

表4 地震工況位移與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性分析對(duì)保證水庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義和作用，是學(xué)者研究和關(guān)注的重要領(lǐng)域，此次研究以具體工程為背景，構(gòu)建起基于二維隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算的方式對(duì)岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，在自然和暴雨工況下，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。研究結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)施工具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，研究中僅采用巖土體飽和參數(shù)方法進(jìn)行模擬，其與岸坡內(nèi)部真實(shí)滲流場(chǎng)存在一定的差異，未來需要耦合滲流穩(wěn)定性分析，以便獲得更貼合實(shí)際的結(jié)果。