，，，，

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

考慮劣化效應(yīng)的三峽庫區(qū)某岸坡抗震性能分析

王晨璽杰，鄧華鋒，張恒賓，方景成，肖瑤

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)蓄水之后，在庫水位大幅度升降變化、降雨、高頻中低強(qiáng)度地震等因素作用下，庫岸邊坡巖土體物理力學(xué)特性不可避免地存在逐漸劣化的趨勢(shì)，這將直接影響庫岸邊坡的變形穩(wěn)定?；诖?，以三峽庫區(qū)某庫岸邊坡為研究對(duì)象，考慮巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的劣化效應(yīng)，對(duì)其抗震性能進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：對(duì)于該庫岸邊坡，①在各特征水位情況下，隨著庫水位的上升，岸坡的整體安全系數(shù)略有增加，隨著地震加速度的增加，岸坡安全系數(shù)降低趨勢(shì)明顯；②在各級(jí)地震作用下，考慮巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化效應(yīng)之后，岸坡的抗震能力逐漸降低，岸坡堆積體中下部可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞，隨著庫水位的上升，岸坡不穩(wěn)定區(qū)域的后緣逐漸上升。研究思路和成果可為庫岸邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固提供較好的參考。

三峽庫區(qū)；庫岸邊坡；水庫地震；參數(shù)劣化；抗震性能

1 研究背景

近年來，水庫地震及其對(duì)庫區(qū)岸坡穩(wěn)定的影響是三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的研究熱點(diǎn)。自2003年6月三峽水庫蓄水以來，在水庫沿岸及周邊地區(qū)監(jiān)測(cè)到了大量微小地震或震群。截至2015年底，三峽庫區(qū)共發(fā)生過4次4.0級(jí)以上地震，即2008年4.1級(jí)(秭歸，2008年11月22日，震源深度8 km);2013年5.1級(jí)(巴東，2003年12月16日，震源深度5 km);2014年4.3級(jí)和4.7級(jí)(秭歸，2014年3月27日，震源深度7 km；2014年3月30日，震源深度5 km)。2008年三峽水庫三期蓄水以來，地震活動(dòng)的頻次與強(qiáng)度有所增強(qiáng)，因此，在庫區(qū)岸坡變形穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)中，必須重點(diǎn)考慮地震作用的影響。

庫區(qū)頻發(fā)的地震對(duì)庫岸邊坡變形穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，可能會(huì)導(dǎo)致庫岸邊坡在地震過程中直接變形破壞；另一方面，雖然不會(huì)導(dǎo)致庫岸邊坡的直接破壞，但是會(huì)形成大量的“震裂山體”和“震松山體”[1-2]，在后期降雨或者庫水浸泡作用下，很可能誘發(fā)新的崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害。這些中低強(qiáng)度水庫地震一般不會(huì)直接導(dǎo)致庫岸邊坡的變形破壞，但是其動(dòng)力作用會(huì)對(duì)邊坡巖土體結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性造成累積損傷作用，導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低。

三峽庫區(qū)蓄水以來，很多專家學(xué)者對(duì)三峽庫區(qū)地震進(jìn)行了大量研究。江洎洧等[3-4]對(duì)微震作用下滑坡的變形機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地震作用與庫水位波動(dòng)密切相關(guān)，且誘發(fā)地震表現(xiàn)出滯后于應(yīng)力變化的特征；陳德基等[5]通過對(duì)大量靠高精度監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)所獲得的庫區(qū)地震數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和研究，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)地震以微震和極微震為主，有明顯的地域性，構(gòu)造型水庫地震高潮的出現(xiàn)明顯滯后于非構(gòu)造型水庫地震，兩類地震衰減過程都十分明顯；宋琛等[6]對(duì)三峽水庫重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)蓄水后地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這些微小地震是在庫水荷載及周期性消長(zhǎng)作用下，為適應(yīng)新的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)所引發(fā)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)這些地震有控制作用；張麗芬等[7]從庫水荷載和滲透作用2方面對(duì)三峽水庫地震進(jìn)行了發(fā)震機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)庫水荷載與快速響應(yīng)型地震關(guān)系密切，滯后響應(yīng)型則主要由庫水滲透引起。

陳萍[8]結(jié)合不同工況對(duì)不同水位的庫岸邊坡進(jìn)行了滑體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，提出了一種滑坡體穩(wěn)定性綜合分析評(píng)價(jià)方法；孟慶筱[9]提出研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造地震及水庫誘發(fā)地震的設(shè)定方法，并計(jì)算了三峽庫區(qū)黃土坡在設(shè)定地震作用下的抗滑穩(wěn)定性；鄭穎人等[10]提出了基于拉-剪破壞的動(dòng)力時(shí)程分析法和強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法，將破壞時(shí)刻的動(dòng)應(yīng)力施加到靜力情況下的邊坡上，計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，并對(duì)算例進(jìn)行了驗(yàn)算；葉海林等[11]對(duì)目前主要的地震邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析，并采用這些評(píng)價(jià)方法對(duì)邊坡算例進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算；吳兆營等[12]結(jié)合三峽重慶庫區(qū)某典型滑坡進(jìn)行了動(dòng)安全系數(shù)分析，提出一種適合于巖體邊坡動(dòng)安全系數(shù)非線性分析的方法；游姍等[13]使用接觸單元建立有限元模型，對(duì)三峽水庫水平基巖地震動(dòng)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)了水庫誘發(fā)地震作用下水平基巖地震動(dòng)分布的不均勻性。

上述這些研究成果重點(diǎn)分析了三峽庫區(qū)的水庫地震的發(fā)震機(jī)制，并對(duì)部分典型岸坡的抗震能力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，為庫坡的變形穩(wěn)定分析及治理提供了很好的參考。

但是，在相關(guān)岸坡抗震性能分析評(píng)價(jià)中，一般將岸坡巖土體參數(shù)作為一個(gè)穩(wěn)定的值進(jìn)行考慮。近年來的研究表明，在水庫蓄水、庫水位大幅度升降變化、降雨、凍融循環(huán)、高頻中低強(qiáng)度地震、邊坡爆破開挖加固以及人類生產(chǎn)活動(dòng)影響下，庫岸邊坡巖土體材料的物理力學(xué)特性不可避免地存在逐漸劣化的趨勢(shì)，這將直接影響庫岸邊坡的變形穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行庫岸邊坡長(zhǎng)期抗震分析評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮巖土體參數(shù)的劣化對(duì)其抗震性能的影響?；诖?，在三峽庫區(qū)選取典型庫岸邊坡，考慮不同的地震級(jí)別和巖土體參數(shù)劣化情況，進(jìn)行抗震性能分析。

2 典型庫岸邊坡概況

本文選取三峽庫區(qū)巴東縣境內(nèi)某庫岸邊坡為研究對(duì)象，該邊坡地貌為中部下凹、東西兩側(cè)稍稍突起的向長(zhǎng)江傾斜。堆積體以碎塊石、塊石、碎塊石夾土為主，結(jié)構(gòu)松散。崩滑堆積體覆蓋層靠近水邊一帶中下部較厚，后緣相對(duì)簿，中間厚，東西兩側(cè)相對(duì)薄。其東西長(zhǎng)為540～720 m，南北寬為280～400 m，前緣高程為36 m(水下)，后緣高程為380 m。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile

監(jiān)測(cè)資料表明，該邊坡目前的變形形式主要為沿基伏界面的階段性蠕變，同時(shí)曾多次發(fā)生淺層型及中層型滑坡表層的局部滑動(dòng)。因此，在計(jì)算過程中需要同時(shí)考慮基伏界面深層滑動(dòng)和淺表層的局部破壞。

根據(jù)地質(zhì)資料，該庫岸邊坡巖土體初始力學(xué)參數(shù)如表1所示。計(jì)算過程中，水上部分巖土體參數(shù)按照天然狀態(tài)取值，水下部分巖土體參數(shù)按照飽和狀態(tài)取值，重度取浮重度。

表1 巖土體初始力學(xué)參數(shù)Table 1 Initial mechanical parameters of rock-soil mass

3 計(jì)算條件及方法

3.1 地震級(jí)別

三峽庫區(qū)多年的科學(xué)論證和監(jiān)測(cè)資料表明，三峽蓄水可能誘發(fā)的極限地震為5.5～6級(jí)[3-5]?？紤]極端情況影響，在計(jì)算分析中主要考慮7級(jí)及以下級(jí)別地震作用，計(jì)算時(shí)考慮地震加速度分別為0.01g，0.02g，0.05g，0.10g共4種情況。

3.2 巖土體力學(xué)參數(shù)劣化

考慮水庫運(yùn)營過程中各種影響因素對(duì)邊坡巖土體力學(xué)特性的累積損傷效應(yīng)，在前期的研究中，對(duì)該庫岸邊坡消落帶取回的原狀土進(jìn)行了7個(gè)周期的干濕循環(huán)作用試驗(yàn)[14]，黏聚力和摩擦角的劣化程度分別達(dá)到60%和20%左右，同時(shí)參考其他相關(guān)岸坡巖土體干濕循環(huán)試驗(yàn)研究結(jié)果[15-17]，和以往相關(guān)岸坡巖土體干濕循環(huán)作用試驗(yàn)結(jié)果分析[14],計(jì)算中主要考慮岸坡消落帶區(qū)域巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和摩擦系數(shù))的劣化，分別考慮劣化程度為5%，10%，15%，20%，25%，30%共6種情況。

3.3 特征水位

由于地震作用的歷時(shí)一般比較短，在計(jì)算過程中不考慮庫水位升降變化影響，主要考慮145，156，162，175 m共4個(gè)穩(wěn)態(tài)的特征水位。根據(jù)軟件計(jì)算假定，計(jì)算過程中在坡體表面施加靜水壓力模擬庫水壓力。

3.4 地震作用計(jì)算方法

采用極限平衡分析軟件Geo-slope進(jìn)行地震作用計(jì)算分析，主要考慮水平方向地震作用。由于相關(guān)邊坡規(guī)范中關(guān)于地震作用動(dòng)態(tài)分布系數(shù)沒有明確說明，根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，參考《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073—2000)[18]中土石壩抗震計(jì)算動(dòng)態(tài)分布系數(shù)取值方法進(jìn)行考慮。

4 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算時(shí)，分別進(jìn)行淺層搜索滑帶和堆積體基伏界面滑帶破壞的穩(wěn)定性分析。由于搜索滑帶滑動(dòng)面呈圓弧形，故在Geo-slope軟件計(jì)算時(shí)使用摩根斯頓普賴斯法(Morgenstern-Price)得到邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)?；缑婊瑤Щ瑒?dòng)面呈非圓弧形，故在Geo-slope軟件計(jì)算時(shí)使用簡(jiǎn)布法(Janbu)得到邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。將安全系數(shù)曲線進(jìn)行整理，并統(tǒng)計(jì)搜索滑帶的失穩(wěn)破壞區(qū)域。

145，156，162，175 m特征水位時(shí)，不同級(jí)別地震作用下，該岸坡深層指定滑帶和淺層搜索滑帶的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如圖2、圖3所示，搜索滑帶的失穩(wěn)破壞區(qū)域統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖2 不同特征水位時(shí)深層指定滑帶安全系數(shù)曲線Fig.2 Curves of safety coefficient of specified deep slip zone at different characteristic water levels

圖3 不同特征水位時(shí)淺層搜索滑帶安全系數(shù)曲線Fig.3 Curves of safety coefficient of searched shallow slip zone at different characteristic water levels

圖4 不同特征水位時(shí)淺層搜索滑帶分布Fig.4 Distribution of searched shallow slip zone at different characteristic water levels

上述不同特征水位下的計(jì)算結(jié)果表明，隨著地震加速度的增大和岸坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化程度的增加，岸坡的穩(wěn)定性逐漸減低，并逐漸出現(xiàn)局部和整體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，具體統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

綜合圖2—圖4和表2可以看出：

表2 不同特征水位臨界失穩(wěn)狀態(tài)計(jì)算結(jié)果比較Table 2 Comparison of calculation results of criticalstate under different water levels

(1) 不考慮岸坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化時(shí)，地震加速度分別為0.01g，0.02g，0.05g，0.10g時(shí),在不同級(jí)別地震作用下，145，156，162，175 m 4種特征水位下，岸坡沿基伏界面深層滑帶的安全系數(shù)分別為1.15～1.25，1.16～1.27，1.17～1.28，1.20～1.33；淺表層局部搜索滑帶的安全系數(shù)相對(duì)較小，分別為1.03～1.13，1.08～1.19，1.10～1.22，1.16～1.30。比較而言，在各特征水位情況下，隨著庫水位的上升，岸坡的整體安全系數(shù)略有增加；隨著地震加速度的增加，岸坡安全系數(shù)降低趨勢(shì)明顯，總體變化趨勢(shì)一致。

(2) 考慮巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化效應(yīng)之后，岸坡的抗震能力逐漸降低。在145 m庫水位時(shí)，其中，當(dāng)巖土體劣化程度為5%時(shí)，0.10g地震作用下，岸坡淺表層有局部失穩(wěn)的可能性；劣化程度為15%時(shí)，0.05g地震作用下，岸坡可能出現(xiàn)淺表層局部破壞；劣化程度超過20%時(shí)，0.01g和0.02g地震作用下，岸坡均可能出現(xiàn)淺表層局部破壞；同時(shí)，劣化程度超過25%時(shí)，0.05g和0.10g地震作用下，岸坡有可能沿著基伏界面出現(xiàn)深層滑動(dòng)破壞。

在156 m庫水位時(shí)，當(dāng)巖土體劣化程度達(dá)到10%時(shí)，在0.10g地震作用下，岸坡淺表層很有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞；劣化程度為20%時(shí)，0.05g地震作用下，岸坡邊坡也可能在淺表層發(fā)生局部破壞；劣化程度超過25%時(shí)，0.01g和0.02g地震作用下，岸坡均可能出現(xiàn)淺表層局部破壞；同時(shí)，劣化程度超過25%時(shí)，0.10g地震作用下，岸坡有可能沿著沿基伏界面出現(xiàn)深層滑動(dòng)破壞。

在162 m庫水位時(shí)，當(dāng)巖土體劣化程度達(dá)到20%時(shí)，0.10g地震作用下，岸坡的局部失穩(wěn)破壞可能發(fā)生在淺表層；劣化程度在30%，0.05g地震作用下，岸坡淺表層可能發(fā)生局部破壞；劣化程度超過30%時(shí)，0.10g地震作用下，岸坡有可能沿著基伏界面出現(xiàn)深層滑動(dòng)破壞。

在175 m水位時(shí)，只在巖土體劣化程度>30%時(shí)，0.10g地震作用下，岸坡淺表層可能發(fā)生局部破壞。

(3) 不同級(jí)別地震作用下，隨著岸坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化程度的增加，岸坡堆積體中下部可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞，145，156，162，175 m 4種特征水位下，最危險(xiǎn)滑帶前緣高程為36.00 m，后緣高程分別為180.37～182.00，183.38～184.52，186.54～187.38，191.52 m。比較而言，隨著地震級(jí)別的增加，局部失穩(wěn)區(qū)域的后緣高程略有增加，隨著庫水位的上升，庫岸淺表層不穩(wěn)定區(qū)域滑帶后緣有上移的趨勢(shì)。

5 結(jié)論及建議

(1) 在各特征水位情況下，隨著庫水位的上升，該岸坡的整體安全系數(shù)略有增加；隨著地震加速度的增加，岸坡安全系數(shù)降低趨勢(shì)明顯，總體變化趨勢(shì)一致。

(2) 不同特征水位時(shí)的抗震分析表明，該邊坡淺表層搜索滑帶的安全系數(shù)明顯低于基伏界面深層滑帶的安全系數(shù)，說明在地震作用下，岸坡堆積體中下部發(fā)生淺表層局部破壞的可能性較大。當(dāng)?shù)卣鸬燃?jí)較大時(shí)，可能會(huì)先沿淺表層發(fā)生局部破壞，再沿基伏界面發(fā)生整體滑動(dòng)。其中，淺表層不穩(wěn)定的區(qū)域主要分布在36.00～191.52 m高程之間。隨著庫水位的上升，岸坡不穩(wěn)定區(qū)域的后緣高程逐漸上升，但是上升幅度不大，總體在10 m左右。

(3) 水庫地震和水-巖作用等各種因素導(dǎo)致的岸坡巖土體物理力學(xué)特性劣化，不僅會(huì)影響其長(zhǎng)期抗震性能，也會(huì)影響邊坡岸坡在其他工況下的變形穩(wěn)定情況。因此，在不同工況下對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，均應(yīng)該考慮岸坡巖土體物理力學(xué)特性的長(zhǎng)期劣化效應(yīng)。

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Seismic Behavior of a Typical Bank Slope of Three Gorges Reservoir inConsideration of Degradation of Rock Mass Mechanical Properties

WANG Chen-xi-jie, DENG Hua-feng, ZHANG Heng-bin, FANG Jing-cheng, XIAO Yao

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

After water impoundment in the Three Gorges Reservoir, the physical and mechanical properties of bank slope rock mass have inevitablely deteriorated under the influence of many factors such as dramatic water level fluctuation, rainfall, and low strength earthquake of high frequency, which directly affects the deformation stability of reservoir bank slope. In view of this, we analyzed and assessed the seismic behavior of a typical reservoir bank slope of Three Gorges Reservoir in consideration of the degradation of rock mass shear strength parameters. Results show that for the studied bank slope, 1) under different characteristic water levels, the global safety factor of slope increased slightly as water level raised, but reduced apparently as earthquake acceleration increased; 2) at all levels of earthquake action, the anti-seismic capacity of bank slope gradually reduced in the presence of degradation of shear strength parameters, with possible local instability in the mid-lower part of slope accumulation body; and as water level raised, the trailing edge of unstable region gradually raised. The research ideas and achievements offer reference for the stability evaluation and reinforcement of reservoir bank slope.

Three Gorges Reservoir; reservoir bank slope; reservoir earthquake; degradation of parameters; seismic behavior

2016-09-18；

2016-10-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679127)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51439003)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA140)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401029)

王晨璽杰(1992-)，男，湖北神農(nóng)架人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作。E-mail:350043768@qq.com

鄧華鋒(1979-)，男，湖北宜都人，教授，博士，主要從事巖土工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:dhf8010@ctgu.edu.cn

10.11988/ckyyb.20160959

P642

A

1001-5485(2018)01-0112-05

(編輯：羅 娟)