邸海燕

(西安外事學(xué)院,陜西西安710077)

0 前 言

黑河水利樞紐工程是西安市黑河飲水工程的主要水源工程,由于該工程是西安人民的“生命線”工程,故水庫(kù)的安全問(wèn)題,尤其是壩肩高陡邊坡的穩(wěn)定條件倍受人們關(guān)注。而從2004年起,右壩肩坡體上游靠近引水洞放水塔附近的高邊坡部分地段發(fā)生明顯的變形破壞現(xiàn)象。特別是2005年夏季以來(lái),由于降雨量比往年明顯增多,坡體滲水量的增加導(dǎo)致邊坡變形加速,坡體中上部出現(xiàn)多處錯(cuò)動(dòng)和拉張裂縫,部分區(qū)段噴護(hù)層發(fā)生嚴(yán)重的開(kāi)裂和脫落,坡體局部地段甚至發(fā)生嚴(yán)重滑塌[1]。因此,該邊坡已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)對(duì)庫(kù)區(qū)安全,尤其是對(duì)放水塔構(gòu)成嚴(yán)重威脅的不穩(wěn)定變形體。本文采用二維離散元軟件對(duì)滑坡的變形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別從應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)分布等方面分析滑坡的變形特征,并對(duì)坡面一點(diǎn)的速率、位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),以便對(duì)滑坡的穩(wěn)定問(wèn)題有較為全面的了解,為提出相應(yīng)的滑坡體綜合治理方案提供參考。

1 滑坡體工程地質(zhì)條件概況

1.1 地形地貌

滑坡體位于黑河水庫(kù)大壩右岸引水洞上部NE30°方向、約150 m處的高陡邊坡上,坡度為 38°～40°,滑坡后緣出露的是相對(duì)穩(wěn)定的基巖,左邊界落在一個(gè)地貌不太明顯的小沖溝中。滑坡右邊界緊鄰下游區(qū)已治理的2號(hào)滑坡,滑坡左翼中下部段有噴護(hù)層、導(dǎo)水渠等工程防護(hù)措施,坡體滑動(dòng)后已遭破壞?；律喜考s海拔720 m以上地形相對(duì)寬緩,坡度角為25°～33°。具體位置見(jiàn)滑坡平面分布圖[2](圖1)。

圖1 滑坡平面分布圖

1.2 地層巖性

研究區(qū)滑坡地段基巖主要為前震旦系寬坪群大鎮(zhèn)溝組綠泥石片巖(Sc)和云母石英片巖(Se)軟弱變質(zhì)巖,其片理面產(chǎn)狀穩(wěn)定,基本呈條帶狀展布。覆蓋層為第四系殘坡積物(Q4del)及滑坡碎裂巖(巖為云母石英片巖、綠泥石片巖)[3]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)位于秦嶺東西向構(gòu)造帶北緣西駱峪——田峪背斜南翼,巖層傾向SSW～SE,傾角 32°～60°,走向約NW290°～NE70°?；聟^(qū)由于長(zhǎng)期受S-N向擠壓應(yīng)力的作用,斷層、節(jié)理裂隙較發(fā)育[4]。

1.4 地下水

據(jù)平洞揭露,滑坡體內(nèi)存在一定量的不穩(wěn)定地下水,且主要為地表降水形成的滲入水。

2 滑坡體變形破壞特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn),滑坡表層覆蓋有第四系殘坡積物(Q4del)及滑坡碎裂巖,基巖為云母石英片巖(Se)和綠泥石片巖(Sc)軟弱變質(zhì)巖,滑坡周界清晰、剪出口明顯。隨連續(xù)的降雨,在坡體上部部分陡峭地段(45°～60°)滑坡體表面多處出現(xiàn)明顯的瀉溜現(xiàn)象。

滑坡上部至后緣的地表裂縫與錯(cuò)臺(tái)非常發(fā)育,除了所見(jiàn)到的噴護(hù)層中裂縫外,其它區(qū)段的裂縫也多達(dá)二三十條,寬度3 cm～20 cm。在地表有裂縫出現(xiàn)的地方,受坡體蠕動(dòng)變形的影響,多伴有不同程度的垂直錯(cuò)動(dòng),部分區(qū)段還出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)臺(tái),最大錯(cuò)距達(dá)1.5 m。

滑坡右邊界將跨過(guò)右岸坡體上的噴護(hù)層拉裂、錯(cuò)斷,特別是在坡體的中間至右翼區(qū)段地表拉張裂縫非常發(fā)育。其中,在噴護(hù)層上的豎向裂縫多達(dá)十幾條,最長(zhǎng)有30余米,裂縫相互間基本平行,并與滑坡體總體滑動(dòng)方向近于垂直。滑坡體左邊界的巖層受到坡體蠕動(dòng)變形的影響被揉皺或折斷,巖體結(jié)構(gòu)松散、破碎、產(chǎn)狀變化復(fù)雜,其中有一些巖層表現(xiàn)為整體的滑動(dòng)[1,3]。

3 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 參數(shù)選取

本次滑坡穩(wěn)定性計(jì)算所用剖面是A1-A′1剖面(圖2),巖體結(jié)構(gòu)按變形破壞特征分為上部淺層已經(jīng)滑動(dòng)的滑坡體、深部的變形體和其下面的基巖三種,節(jié)理主要考慮淺層部分,斷層考慮剖面圖A1-A′1中F1、F2。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型見(jiàn)圖3所示。區(qū)域A代表基巖滑床,區(qū)域B代表變形體,區(qū)域C代表淺層滑坡體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)地質(zhì)資料及室內(nèi)試驗(yàn),參考鄰近的原2號(hào)滑坡及壩址山區(qū)軟弱變質(zhì)巖的性質(zhì),綜合選定模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[5-6]。

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面

在數(shù)值模擬中,巖體采用理想彈塑性巖體材料,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,節(jié)理和裂隙、軟弱結(jié)構(gòu)面采用庫(kù)倫滑動(dòng)準(zhǔn)則,對(duì)模型的左右邊做x方向的約束,底邊做 x,y兩方向的約束,坡面不加約束為自由面。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型建立

借助于FISH語(yǔ)言可以編寫(xiě)建立模型的命令流,計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

3.3 模擬結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6,分別是塑性區(qū)分布圖4、剪應(yīng)力(Sxy)分布云圖5和1點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果圖6。

圖3 計(jì)算模型

圖4 塑性區(qū)分布

圖5 剪應(yīng)力(Sxy)分布

圖6 對(duì)1點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)

從塑性區(qū)分布圖4可見(jiàn),剪切應(yīng)力屈服區(qū)在滑坡體淺層分散分布,在坡體局部較集中,坡腳全部位于剪切應(yīng)力屈服區(qū),在此會(huì)形成剪出口。同時(shí)可以看出拉應(yīng)力屈服區(qū)在坡體上部淺層位置分布,在坡體后緣和坡體中局部出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而在這些部位易產(chǎn)生破壞。

由剪應(yīng)力分布圖5可知,在天然狀態(tài)下不穩(wěn)定滑坡體前緣剪切應(yīng)力比較集中,在外部營(yíng)力作用下可能會(huì)形成剪出口,剪應(yīng)力等值線圖可以看出,由于坡體的淺層分布有一定厚度的碎裂巖出現(xiàn)了應(yīng)力降低現(xiàn)象,最大剪應(yīng)力帶在變形體底界面有發(fā)展貫通的跡象,坡體沿次軟弱結(jié)構(gòu)面(潛在滑帶)有整體下滑的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)坡面上一點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄圖6可以看出坡體沿次軟弱結(jié)構(gòu)面(潛在滑帶)有整體下滑的位移,隨著時(shí)間的推移速度逐漸增大,伴隨位移量在繼續(xù)增大。這表明了軟弱變質(zhì)巖坡體隨時(shí)間在不斷的發(fā)生蠕滑變形,滑坡體處于持續(xù)發(fā)展變形階段。

實(shí)際上2004年～2005年發(fā)生滑坡及坡體變形之后,水庫(kù)管理方于2006年對(duì)部分拉張裂縫進(jìn)行了灌縫封護(hù)或修整,但作者2007年9月考察時(shí)發(fā)現(xiàn)坡體仍在不斷地進(jìn)行蠕滑變形,最明顯的表現(xiàn)特征是早期出現(xiàn)的拉裂縫,雖然做了灌縫封護(hù)處理,但其后再次出現(xiàn)拉裂縫寬達(dá)2 cm。由此可知隨時(shí)間變形體繼續(xù)發(fā)展變形與蠕變。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果大體上是吻合的。

4 結(jié) 論

采用離散元法對(duì)所研究的滑坡體從速度矢量圖、應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)等方面進(jìn)行分析得出如下結(jié)論:

(1)坡體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài),有整體下滑的位移,離散元分析法基本上反映了所研究滑坡體的變形破壞趨勢(shì);

(2)由于計(jì)算模型中節(jié)理、裂隙的存在,應(yīng)力在此出現(xiàn)了集中現(xiàn)象;

(3)二維離散元分析一定程度上影響著分析結(jié)果,主要表現(xiàn)在節(jié)理、裂隙的影響,計(jì)算結(jié)果有所變化。從某種程度上講,人為的塊體分割和基于非連續(xù)介質(zhì)的算法(假定各不同巖石塊體為剛性,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總位移僅僅是由各接觸點(diǎn)(面)的變形所引起),也影響了模擬的坡體變形變化的結(jié)果,使局部可能出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[6-7];

(4)通過(guò)對(duì)坡面上一點(diǎn)的速度和位移進(jìn)行歷史監(jiān)測(cè),可以看到隨著時(shí)間的推移速度逐增大,相伴的位移量在繼續(xù)增大,坡體在不斷地蠕滑變形;

(5)采用離散元數(shù)值分析方法模擬斜坡體的變形破壞特征,考慮坡體里的節(jié)理和裂隙后,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果大體上是吻合的,離散元數(shù)值模擬在一定程度上反映了坡體變形破壞的總體趨勢(shì)。

[1] 邸海燕.黑河水庫(kù)引水洞上部滑坡穩(wěn)定性分析與治理設(shè)計(jì)[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009:1-2,9-14,32-34.

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