邢萬波,周 鐘

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

巖體的復雜力學特性實際上是巖體內(nèi)在結(jié)構(gòu)的反映,是受復雜巖體結(jié)構(gòu)所制約的。正如 Müller指出:“巖體力學特性,尤其是它的強度,主要取決于單元巖塊之間接觸面上的強度;對于巖體變形,主要或者可以說有 90%～95%的變形產(chǎn)生于節(jié)理裂隙,而不是巖塊的變形?！睅r體受力后變形、破壞的可能性、方式和規(guī)模是受巖體自身結(jié)構(gòu)所制約的,因此,任何巖體力學分析都必須以選取合理的介質(zhì)(結(jié)構(gòu))模型與準確的力學參數(shù)為基礎[1]。

工程實踐表明,幾乎所有硬質(zhì)巖邊坡的穩(wěn)定性都受到結(jié)構(gòu)面的控制。有限元、FLAC等基于連續(xù)介質(zhì)力學數(shù)值分析方法通常只能考慮少量、規(guī)模較大的斷層,而對于數(shù)量眾多的優(yōu)勢節(jié)理裂隙只能進行簡單的等效連續(xù)處理。但事實上,對于復雜巖體結(jié)構(gòu),等效連續(xù)方法往往難以建立理想的復雜本構(gòu)關系以反映巖體固有的非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性和各向異性等特征,因此,連續(xù)介質(zhì)力學數(shù)值方法缺乏模擬大量結(jié)構(gòu)面的能力,存在建立復雜本構(gòu)模型的困難,其在巖體工程中的應用存在著先天不足;相反,針對巖體非連續(xù)性而開發(fā)出的一系列非連續(xù)介質(zhì)力學方法,特別是三維離散元單元法,能夠反映復雜巖體結(jié)構(gòu)特征,適合于分析具有復雜巖體結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性問題。

錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡高陡,地質(zhì)條件極其復雜,發(fā)育著多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(含多條斷層)、深部裂縫和卸荷裂隙,邊坡穩(wěn)定問題突出。因此,本文結(jié)合錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡工程地質(zhì)條件及邊坡監(jiān)測資料,考慮巖體的非連續(xù)性及各向異性特征,采用 3DEC建立計算模型,分析其開挖變形特征及潛在失穩(wěn)模式,評價其安全穩(wěn)定性。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

錦屏一級水電站壩址位于普斯羅溝壩址區(qū),工程邊坡規(guī)模大,工程技術(shù)條件復雜,自然谷坡高陡,地應力水平較高,巖體卸荷強烈,并發(fā)育有斷層、層間擠壓帶、深部裂縫,場地地質(zhì)條件復雜,在國內(nèi)外水電工程中十分罕見。

2.1 邊坡地質(zhì)條件

錦屏一級水電站左岸邊坡高度超過千米,邊坡開挖高度為 540m,自然邊坡在高程 1900m以下的坡度為 60°～90°;邊坡上部為砂板巖、下部為大理巖,巖體中發(fā)育有少量后期侵入的煌斑巖脈 X,形成典型的“上軟下硬”結(jié)構(gòu);發(fā)育有空間延展性好且性狀差的 f5、f8、f42-9等斷層,深切河谷地形的深部裂縫帶 SL44-1以及遇水或暴露后性狀極差的煌斑巖脈X;卸荷巖體卸荷強烈,具有卸荷深度大、卸荷裂隙張開寬、卸荷類型復雜的特點,存在 4組節(jié)理裂隙。圖 1顯示了位于壩軸線上左岸的Ⅱ1-Ⅱ1剖面的工程地質(zhì)平面圖。

左岸樞紐區(qū)工程邊坡于 2005年 9月開始開挖,至 2006年 12月完成纜機平臺 1960m高程以上邊坡開挖;2007年 6月完成壩頂 1885m高程以上邊坡開挖,至 2009年 8月底左岸邊坡的開挖與支護施工基本完成。

圖1 Ⅱ1-Ⅱ1剖面工程地質(zhì)圖

2.2 巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

綜合考慮前期現(xiàn)場巖石力學試驗與經(jīng)驗性巖體質(zhì)量評價得出的各類巖體建議參數(shù)值[2],確定本文3DEC計算的巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值見表1、2。

表1 3DEC計算所取的巖體力學參數(shù)值

對錦屏左岸邊坡而言,其變形主要受結(jié)構(gòu)面和節(jié)理面所控制,巖體采用 Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型是適宜的,且其屈服后發(fā)生應變軟化的塑性變形量很小,相對結(jié)構(gòu)面作用可忽略不計。

結(jié)構(gòu)面剛度取決于充填物的性狀、尺寸效應和圍壓效應,取值困難,對經(jīng)驗依賴性較強。但結(jié)構(gòu)面剛度對開挖邊坡的變形場的影響相對較小,是工程中不太關心的一個參數(shù)指標。因此,結(jié)構(gòu)面剛度參數(shù)可結(jié)合工程經(jīng)驗確定。

表2 3DEC計算所取的結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)值

結(jié)構(gòu)面的強度特征取決于許多因素,準確描述非常困難。應變軟化模型是描述結(jié)構(gòu)面力學行為的最為經(jīng)典的模型,數(shù)值模型能否合理描述結(jié)構(gòu)面的軟化特征成為結(jié)構(gòu)面控制型邊坡穩(wěn)定數(shù)值計算的基本因素之一。本文采用應變軟件模型來描述結(jié)構(gòu)面的強度特征,結(jié)合工程實際情況,通過試算確定結(jié)構(gòu)面的軟化參數(shù)取值(見表3)。

表3 結(jié)構(gòu)面屈服軟化殘余強度取值

3 3DEC分析方法和計算模型

3.1 3DEC分析方法

三維離散單元程序 3DEC[3]是針對非連續(xù)介質(zhì)(節(jié)理巖體)開發(fā)的三維離散元程序,它從空間三維角度描述了結(jié)構(gòu)面切割塊體的非連續(xù)力學行為和結(jié)構(gòu)面切割形成塊體的連續(xù)力學行為。3DEC對巖體的處理符合巖體結(jié)構(gòu)力學的基本思想,相應的參數(shù)也有清楚的物理意義。

三維離散元程序 3DEC是處理結(jié)構(gòu)控制型巖體工程問題最為成熟的技術(shù)之一[3]。3DEC基于“拉格朗日算法”,根據(jù)牛頓第二定律及力 -位移定律處理巖塊及節(jié)理面的力學行為。

具體而言,首先以牛頓第二定律計算塊體的運動,由已知的作用力求出巖塊運動的速度及位移,再配合力 -位移定律,根據(jù)所求得的巖塊位移,計算出巖體中不連續(xù)面間的作用力,作為下一時階計算時所需的初始邊界條件。由于 3DEC將巖體離散化,因此適合于多塊系統(tǒng)的運動和大變形的模擬。其中完整巖塊可被模擬成剛體或可變形體。當塊體被處理成變形體時,程序?qū)r塊自動分割成許多次級塊體,每個次級塊體可配合所選用的材料本構(gòu)關系及外力作用情況,計算巖塊的受力及應力分布。在節(jié)理的模擬方面,主要根據(jù)位移 -作用力法則,計算巖塊在節(jié)理面上的法向應力和切向應力,作為巖塊的應力邊界條件,因此可以模擬巖塊大位移與轉(zhuǎn)動的情況。

3DEC的特點[1]可歸納為:

(1)可模擬三維剛體或可變形巖體的力學行為。對塊體而言,視問題的需要既可以處理成變形體也可以處理成剛體。

(2)將不連續(xù)面視為完整巖塊的邊界,即節(jié)理巖體的各個完整巖塊由不連續(xù)面分隔而成。結(jié)構(gòu)面是可以張開和滑動的,結(jié)構(gòu)面本身可以產(chǎn)生法向和切向變形。

(3)可模擬各種巖體介質(zhì)在靜、動荷載下的應力及位移。

此外,3DEC針對問題的性質(zhì)可以實現(xiàn)三種求解方式,即完全不連續(xù)解、蛻化成連續(xù)力學解(類似于FLAC3D)和混合不連續(xù)解。其中蛻化連續(xù)力學解和混合不連續(xù)解均對結(jié)構(gòu)面進行粘合處理,全部或局部地把結(jié)構(gòu)面切割的不連續(xù)巖體蛻化成連續(xù)體。

3.2 3DEC三維計算模型

錦屏一級左岸邊坡發(fā)育的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面有煌斑巖脈 X和斷層構(gòu)造 f5、f8、f42-9,這些結(jié)構(gòu)面延伸長度均大,具有一定寬度的破碎帶和影響帶,帶內(nèi)物質(zhì)力學性質(zhì)差,構(gòu)成控制邊坡變形和潛在滑動破壞的邊界。同時,左岸還發(fā)育有 4組節(jié)理裂隙,形成左岸相對松散破碎的巖體結(jié)構(gòu),邊坡穩(wěn)定問題突出。

邊坡開挖區(qū)域位于河谷岸坡中上部的淺表區(qū)域,遠離了邊坡高應力區(qū),可直接采用重力場作為初始應力場。

對錦屏一級左岸壩肩邊坡進行合理的地質(zhì)概化,建立三維離散元3DEC邊坡計算模型(見圖2)。

圖2 錦屏一級左岸壩肩邊坡 3DEC計算模型

4 基于 3DEC的開挖變形特征分析

4.1 開挖變形地質(zhì)影響因素分析

錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡發(fā)育有幾條控制性結(jié)構(gòu)面和多組節(jié)理,為了深入了解這些地質(zhì)構(gòu)造對邊坡變形特征的影響程度,分別對邊坡無任何結(jié)構(gòu)面下的理想模型、各控制性結(jié)構(gòu)面(f42-9、煌斑巖脈 X、f5、f8和 SL44-1)存在與否、控制性結(jié)構(gòu)面延伸情況及次級優(yōu)勢節(jié)理(f42-9伴生斷裂、順坡 SN向節(jié)理組、NWW向節(jié)理組和 NE順坡節(jié)理組)在開挖狀態(tài)下的變形特征進行總結(jié)分析(見表4)。

表4 控制性結(jié)構(gòu)面對開挖邊坡橫河向坡外位移的影響

4.1.1 控制性結(jié)構(gòu)面存在性

分別分析幾條控制性結(jié)構(gòu)面存在情況下開挖邊坡向坡外的橫河向變形特征。

就幾個控制性結(jié)構(gòu)面對邊坡開挖變形特征的影響而言,f42-9對邊坡變形的控制性作用是顯而易見的,其次是 f5,再次是煌斑巖脈 X,f8和 SL44-1對開挖邊坡變形影響則最小。

4.1.2 控制性結(jié)構(gòu)面延伸情況

錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡的 f42-9和 SL44-1客觀上都可能存在延伸長度問題。分別將 f42-9向上和向山體內(nèi)均延伸到模型邊界、SL44-1向上延伸到地表,考察它們空間延伸情況對開挖邊坡變形的影響。

SL44-1延伸時對邊坡變形影響相對不明顯,而f42-9的延伸可以在一定程度上改變邊坡變形范圍及變形量的大小。因此,在實際模型中需要適當延伸f42-9使開挖邊坡變形影響范圍得到合理反映。

4.1.3 次級優(yōu)勢節(jié)理組

次級優(yōu)勢節(jié)理組對開挖邊坡變形也具有非常大的影響,分別比較了f42-9伴生斷裂、順坡 SN向節(jié)理組、NWW向節(jié)理組和 NE順坡節(jié)理組對左岸壩肩邊坡開挖變形的影響。

f42-9伴生斷裂對開挖邊坡變形場影響甚小,可不予以考慮;順坡 SN向節(jié)理組對開挖變形場影響很明顯,其對整體變形的貢獻主要體現(xiàn)為以向外和向下為主,必須在計算模型中予以考慮;NWW向節(jié)理組由于與f42-9之間組合關系導致向坡外變形趨勢更為突出,對變形場影響較大,必須在計算模型中予以考慮;NE順坡節(jié)理組對邊坡變形的貢獻主要是向外和向下,但作用甚小,計算模型中可不予以考慮。

4.2 3DEC計算成果與監(jiān)測成果的對比分析

根據(jù)所建立計算模型和計算參數(shù),同時考慮邊坡加固措施(錨索和抗剪洞),采用 3DEC對錦屏左岸壩肩邊坡進行開挖分析。分析表明,計算開挖變形特征與表面變形監(jiān)測成果達到了最大程度的吻合。表5給出了三個開挖區(qū)不同監(jiān)測點在 2006～2007年期間各變形分量的增量。從表中可以看出,邊坡變形量從Ⅲ區(qū)到Ⅰ區(qū)不斷減少的特點在計算成果中也得到了反映;從數(shù)值平均值看,Ⅲ區(qū)一些監(jiān)測點部位計算結(jié)果和檢測結(jié)果具有很好的一致性,各分量的絕對差別僅在 2～3mm的量級水平,滿足分析工作的精度要求。

表5 各開挖區(qū)變形增量計算值和監(jiān)測值統(tǒng)計 mm

4.3 開挖邊坡變形特征分析

根據(jù)所建立計算模型和計算參數(shù),同時考慮邊坡加固措施(錨索和抗剪洞),采用分布開挖方式模擬邊坡開挖過程中的變形場和分布特征。開挖過程中邊坡變形場的分布特征見圖3。

總體上,在高程 1960m到 1885m的開挖過程中,從煌斑巖脈與 f42-9的交匯帶被揭露臨空到開挖底板的一定高度部位,出現(xiàn)了一個明顯的變形增大過程。第二個變形相對明顯的時期出現(xiàn)在 f5和f42-9斷層交匯帶在坡面被揭露以后數(shù)十米高度的開挖過程中,此時開挖面在大理巖內(nèi),水平開挖深度相對較大,應力調(diào)整相對起到了更大一些的作用。而1730m高程以下超過 100m高度的開挖對上部邊坡變形雖有一定影響,但強度較弱,表現(xiàn)為變形量略有增大。

圖3 邊坡開挖過程中變形特征

圖4 完全開挖狀態(tài)下邊坡變形場特征

圖4給出了完全開挖完成狀態(tài)下邊坡的總變形 、X(上游方向 )、Y(坡外)、Z(鉛直向上)向的變形場。由圖表可見,各分量與監(jiān)測成果大體吻合,在邊坡開挖過程中上部變形不斷增大,以坡外偏下方向為主,略偏上游方向,X、Y、Z方向變形量的比值關系大致為 0.36∶1.71∶1。

4.4 對開挖過程中斷層 f42-9變形特征的認識

結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和 3DEC數(shù)值分析可知,斷層f42-9對于錦屏邊坡穩(wěn)定性有著控制性的作用,其物理性狀和開挖情況下的力學性狀對整個壩肩邊坡穩(wěn)定性至關重要。為了能對 f42-9在開挖過程中力學性狀的變化進行了解,圖5給出幾個開挖高程下斷層 f42-9的剪切位移分布。

顯然,f42-9受開挖影響發(fā)生了較大的剪切變形,可以看到,在 1915m高程以上,斷層 f42-9剪切變形主要集中在高高程區(qū)域,且逐漸向斷層分布帶坡內(nèi)部位轉(zhuǎn)移,呈現(xiàn)出一種偏向下游坡外的“傾倒”趨勢;隨著壩肩邊坡向下開挖,該斷層最大剪切變形逐漸向開挖底板高程的坡面位置轉(zhuǎn)移,且最大剪切變形量顯著增大;隨著開挖至 f42-9和 f5交匯帶,f5外側(cè)阻滑巖體被挖除,且由于 f5斷層的阻隔作用,斷層 f42-9最大剪切變形不再繼續(xù)向下發(fā)展,而出現(xiàn)在f42-9和 f5交匯帶的 1780m高程附近;至完全開挖完成后,斷層 f42-9的最大剪切變形量達到 125mm。在開挖過程中 f42-9發(fā)生了一定程度的錯動變形,存在一定的屈服軟化行為,但在邊坡 1780～1580m高程的繼續(xù)開挖過程中,f42-9的整體變形量增幅不大,在可控范圍內(nèi),這與地質(zhì)判斷相一致。

同時,斷層 f42-9也發(fā)生了一定程度的拉張破壞,它多集中在開挖底板高程上。這是由于開挖卸荷回彈所引起的,量級較剪切變形小一個量級,不會給 f42-9斷層的整體問題性造成困擾。

圖5 開挖過程中 f42-9剪切變形分布

5 開挖邊坡的穩(wěn)定性評價

5.1 穩(wěn)定性分析

用離散元來評價邊坡安全性的一條思路是強度折減計算,即對巖體和結(jié)構(gòu)面的摩擦強度和粘結(jié)強度同時除以一個常數(shù),利用折減后的強度進行計算。如果計算結(jié)果中的速度場和位移場顯示了破壞特征,則可以大致地認為這部分巖體的安全性與折減系數(shù)相同。之所以說大致相同,是因為計算中可能涉及到非線性行為。

本文,同樣借助 3DEC強度折減過程來分析錦屏一級左岸壩肩邊坡開挖完成后的整體安全穩(wěn)定性。圖 6給出了強度折減過程的邊坡變形場與穩(wěn)定性特征。由圖可以看出,當折減系數(shù)大于 1.2時,邊坡變形急劇增大,也即變形量的增幅急劇增大,表現(xiàn)出變形失控的現(xiàn)象,在考慮安全儲備的情況下,其整體滑移破壞的安全系數(shù)定在 1.2～1.3之間較為合適,也即大塊體(由煌斑巖脈 X、f42-9和 SL44-1構(gòu)成的楔形體)的穩(wěn)定性在 1.2～1.3之間。

5.2 邊坡變形破壞機理及安全評價

大型高邊坡的變形機理往往不單一,變形機理可以相對復雜。錦屏一級左岸壩肩邊坡的穩(wěn)定性除了受控于大塊體的穩(wěn)定性外,還受控于高高程傾倒變形巖體的穩(wěn)定性。

圖7以云圖和矢量疊加的方式顯示了 f42-9上盤區(qū)域范圍內(nèi)邊坡變形場特征,它清楚地顯示了煌斑巖脈上、下盤巖體變形場存在的差別,上部以向外為主、同時下沉的傾倒型變形趨勢表現(xiàn)得很充分。這種變形趨勢對煌斑巖脈和 f5斷層之間的巖體存在一種擠壓作用,使得變形矢量的方向有所變化。

根據(jù)強度折減分析成果,當折減系數(shù)在 1.3范圍內(nèi),邊坡并沒有顯示整體滑移破壞的特點,而主要是傾倒型解體型的潛在破壞方式。事實上,錦屏一級左岸壩肩邊坡的穩(wěn)定性更多地體現(xiàn)為變形穩(wěn)定而非傳統(tǒng)意義上的滑移破壞,即更多地是局部變形發(fā)展到一定程度以后的解體破壞。從計算結(jié)果看,大約 2150～2230m高程區(qū)間的山梁地形是最危險的部位,解體破壞或許從該部位最先開始。

圖6 強度折減過程的邊坡變形場與穩(wěn)定性特征

圖7 f42-9斷層上盤巖體變形場(等值云圖和矢量)分布

6 結(jié) 論

鑒于錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡復雜的地質(zhì)構(gòu)造,變形表現(xiàn)出非常明顯的非連續(xù)性特征,本文采用三維離散元 3DEC方法,結(jié)合左岸邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)對整體計算模型和結(jié)構(gòu)面計算參數(shù)進行設計,在此基礎上分析其開挖變形特征及潛在變形失穩(wěn)模式,并對安全穩(wěn)定作出評價。錦屏一級左岸壩肩邊坡結(jié)構(gòu)面的發(fā)育致使邊坡開挖變形受結(jié)構(gòu)面控制明顯,且上部傾倒變形特征顯著,體現(xiàn)出 2150～2230m高程區(qū)間傾倒型解體型的潛在破壞方式,其整體滑移穩(wěn)定安全系數(shù)大致在 1.2～1.3。

[1]孟國濤.柱狀節(jié)理巖體力學分析及其工程應用[D].南京:河海大學,2007,6.

[2]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.雅礱江錦屏一級水電站可行性研究報告 3:工程地質(zhì)[R].2005.

[3]Itasca Consulting Group.Inc.,3 Dimensional Distinct Element Code Theory and Background,Minneapolis[M].M innesota,USA,2007.

[4]Itasca(武漢)咨詢有限公司.金沙江白鶴灘水電站可行性研究階段壩區(qū)自然邊坡穩(wěn)定性調(diào)查與研究報告[R].2008,8.