井 向 陽(yáng)， 吳 瑩， 胡 志 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

邊坡的失穩(wěn)破壞過程復(fù)雜，影響因素眾多，其失穩(wěn)模式分析是后續(xù)加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。在我國(guó)當(dāng)前的高邊坡工程中，基于極限平衡理論的計(jì)算方法仍然是基本設(shè)計(jì)分析方法，對(duì)于較為復(fù)雜的邊坡，還需采用數(shù)值分析方法等手段進(jìn)行輔助分析[1-2]。目前在工程中普遍采用的數(shù)值分析方法包括連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(有限單元法、有限差分法、邊界單元法等)和不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(離散單元法、塊體單元法、不連續(xù)變形分析法、數(shù)值流形元法等)[3-4]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡分析理論，采用數(shù)值分析方法研究邊坡的失穩(wěn)破壞模式更具優(yōu)勢(shì)，可以明確給出邊坡失穩(wěn)破壞的漸進(jìn)過程、滑移通道的位置和范圍、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等，在我國(guó)高邊坡工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。其中，有限元強(qiáng)度折減法是較為常用的方法之一，其失穩(wěn)判別依據(jù)主要有特征點(diǎn)位移法、有限元計(jì)算不收斂法和塑性區(qū)貫通法等[7-9]。

本文以我國(guó)西南地區(qū)某水電站上游水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)的拉裂松動(dòng)巖體邊坡為例，采用非線性有限元強(qiáng)度折減法研究該邊坡的穩(wěn)定特性，并重點(diǎn)分析其失穩(wěn)破壞模式，為后續(xù)的工程綜合治理設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐。

1 工程概況

某水電站是雅礱江中游梯級(jí)開發(fā)的第3級(jí)電站，位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，其正常蓄水位以下庫(kù)容約為2.543億m3，工程等級(jí)為二等，工程規(guī)模為大(2)型。

該水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)存在3個(gè)拉裂松動(dòng)巖體(編號(hào)分別為1、2、3號(hào)，方量分別為808萬m3、400萬m3、50萬m3)，發(fā)育于右岸強(qiáng)卸荷帶的淺表部，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)烈松弛，巖體松動(dòng)明顯，各組裂隙普遍寬張，且橫河向的結(jié)構(gòu)面亦發(fā)生張開，巖體蠕滑-拉裂、滑移-壓致拉裂變形明顯，剪脹擴(kuò)容，局部可見巖石拉裂、凸點(diǎn)壓碎、巖石轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)等現(xiàn)象。

其中，1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體最大，位于庫(kù)區(qū)右岸(見圖1)，距壩軸線約為740 m，后緣最大高程約為2 710 m，前緣最低高程約為2 460 m，順河長(zhǎng)度約為730 m，橫河向?qū)挾燃s為270 m。經(jīng)初步分析，1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的破壞模式主要為滑移拉裂型，由松動(dòng)巖體中發(fā)育的NNW向或NNE向順坡中緩傾角斷層、擠壓帶和節(jié)理裂隙構(gòu)成潛在的滑移面，由NW向陡傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成潛在的后緣拉裂面。

圖1 1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體平面位置示意圖

2 計(jì)算方法及模型構(gòu)建

基于ABAQUS平臺(tái)，采用非線性有限元法對(duì)1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，其中，對(duì)邊坡的失穩(wěn)破壞過程分析采用強(qiáng)度折減法，即對(duì)巖體的f、c參數(shù)值進(jìn)行等比例折減[10-11]。

采用平面4節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元進(jìn)行建模，3個(gè)計(jì)算剖面的模型分別見圖2～4。有限元計(jì)算坐標(biāo)系定義為：X軸為橫河向，水平指向右岸；Y軸為鉛直向；Z軸為順河向，由上游水平指向下游。

數(shù)值分析模型對(duì)邊坡淺部變形體、卸荷及風(fēng)化界線、巖體質(zhì)量分類界線、主要斷層(F1、F2、F3、F4、F5)和主要裂隙帶(f1系列、f1系列、f5系列、f11系列、f13系列等)進(jìn)行了精細(xì)模擬。

圖2 剖面模型網(wǎng)格圖

圖3 剖面模型網(wǎng)格圖

圖4 剖面模型網(wǎng)格圖

3 計(jì)算依據(jù)

3.1 計(jì)算工況

針對(duì)每個(gè)計(jì)算剖面，分別考慮天然狀況和蓄水狀況(正常蓄水位為2 560 m)兩種邊坡狀況，均計(jì)算持久工況、短暫工況(暴雨)和偶然工況(地震)三種工況。由于松動(dòng)巖體內(nèi)的裂隙張開，排水性好，暴雨工況下僅考慮巖體參數(shù)的折減，不考慮孔隙水壓力的影響。該區(qū)域的地震基本烈度為Ⅶ度，地震工況下，基巖水平加速度峰值取136gal，地震分布系數(shù)取0.25。

3.2 材料參數(shù)

在數(shù)值計(jì)算中，對(duì)主要巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值采用其力學(xué)建議指標(biāo)的0.8分位值。1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡自然狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)

表2 1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡飽水狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)

3.3 安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5353-2006)，確定1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡的類別為B類，安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，其正常工況、暴雨工況、地震工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為1.05、1.05、1.00。

4 結(jié)果分析

4.1 失穩(wěn)模式

通過對(duì)3個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析可知，各工況條件下的邊坡失穩(wěn)破壞特點(diǎn)和規(guī)律基本一致，鑒于篇幅有限，本文僅給出了天然工況下的失穩(wěn)破壞結(jié)果圖(圖5～7)。所示的結(jié)果圖中，藍(lán)色區(qū)域表示坡體處于彈性狀態(tài)，彩色區(qū)域表示坡體處于塑性狀態(tài)，k為巖體參數(shù)的強(qiáng)度折減系數(shù)。

通過分析可知，1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡的失穩(wěn)破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程：首先，坡體的上部區(qū)域發(fā)生屈服，出現(xiàn)拉裂破壞；其次，坡腳處的局部巖體發(fā)生屈服，出現(xiàn)松動(dòng)、滑移；再次，坡體內(nèi)部的局部斷層及裂隙帶發(fā)生屈服，出現(xiàn)滑移、錯(cuò)動(dòng)；最后，坡頂?shù)那^(qū)逐漸向下延伸，坡腳的屈服區(qū)逐漸向上延伸，與坡體內(nèi)部的屈服區(qū)連通，形成貫通的滑動(dòng)通道，導(dǎo)致邊坡整體滑裂失穩(wěn)。

圖8～10給出了3個(gè)計(jì)算剖面的滑裂失穩(wěn)模式示意圖，進(jìn)一步分析可知：

(1)圖5剖面的潛在滑裂通道為條帶型，寬度約為7～33米，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f5系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點(diǎn)為接近河床位置，頂部的拉裂破壞點(diǎn)高程約為2 670 m，距河床正常水面的垂直距離約為190 m。

(a)k =0.91 (b)k =1.05

(c)k =1.09 (d)k =1.12圖5 剖面失穩(wěn)破壞過程

(2)圖6剖面的潛在滑裂通道為條帶型，寬度約為8～30 m，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f11系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點(diǎn)接近河床位置，頂部的拉裂破壞點(diǎn)高程約為2 680 m，距河床正常水面的垂直距離約為200 m；

(2)圖7剖面的潛在滑移通道為條帶型，寬度約為11～22 m，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f11系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點(diǎn)接近河床位置，頂部的拉裂破壞點(diǎn)高程約為2 700 m，距河床正常水面的垂直距離約為220 m。

4.2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表3給出了1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡在各計(jì)算工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。在天然狀況下，邊坡的穩(wěn)定性基本可滿足要求，但是當(dāng)遭遇暴雨時(shí)，圖8剖面的安全系數(shù)偏低，存在較大的滑裂風(fēng)險(xiǎn)。在蓄水狀況下，邊坡的安全系數(shù)較天然狀況下的安全系數(shù)均有所降低，其中，圖8剖面的安全系數(shù)最低，存在較大的滑裂風(fēng)險(xiǎn)。

(a)k =0.82 (b)k =0.98

(c)k =1.12 (d)k =1.19圖6 剖面失穩(wěn)破壞過程

(a)k =0.87 (b)k =0.98

(c)k =1.11 (d)k =1.16圖7 剖面失穩(wěn)破壞過程

圖8 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

圖9 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

圖10 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

5 結(jié) 論

采用非線性有限元法對(duì)某水電站上游庫(kù)區(qū)1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡進(jìn)行了失穩(wěn)模式分析，結(jié)果表明，該拉裂松動(dòng)巖體邊坡存在圓弧形滑裂破壞風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)為上部沿V2類巖體走向出現(xiàn)拉裂，下部沿著坡體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑移，且潛在不穩(wěn)定巖體的范圍較大，主要偏向上游側(cè)。

表3 1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

針對(duì)該區(qū)域地形地質(zhì)條件、控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)募庸烫幚泶胧?/p>