陳昌盛，陳寧?kù)?/p>

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

水庫(kù)拱壩邊坡開挖過(guò)程中，由于地應(yīng)力、斷層、錯(cuò)落帶等地質(zhì)條件的影響，在開挖過(guò)程中的開挖卸荷及地應(yīng)力會(huì)引起結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力集中及水平、豎向變形，進(jìn)而引起邊坡失穩(wěn)，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量及施工人員安全，因而，對(duì)于邊坡開挖過(guò)程中的應(yīng)力、變形分析是非常有必要的。

對(duì)拱壩庫(kù)岸邊坡開挖過(guò)程中的應(yīng)力及變形分析已經(jīng)有大量的專家學(xué)者取得了相應(yīng)的研究成果：黃潤(rùn)秋[1]基于巖石發(fā)育進(jìn)程及演化模式，采用時(shí)間和空間演化的基本序列相結(jié)合的研究方法，分析庫(kù)岸邊坡變形破壞特征以及邊坡穩(wěn)定性；徐衛(wèi)亞等[2]基于柱狀節(jié)理不連續(xù)性、各向異性的基本原理，采用各向同性彈性本構(gòu)、各向異性彈塑性本構(gòu)對(duì)拱壩及壩基建立有限元數(shù)值分析模型；石安池等[3]基于地質(zhì)調(diào)查、多種現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)、巖體彈性波測(cè)試，對(duì)白鶴灘水庫(kù)的力學(xué)及變形機(jī)制進(jìn)行分析；徐奴文等[4]采用離散元數(shù)值分析模型，對(duì)某水庫(kù)開挖卸荷過(guò)程中，壩基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；徐衛(wèi)亞等[5]采用反演分析、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)取值相結(jié)合的研究方法分析順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；宋勝武等[6]針對(duì)某水庫(kù)壩肩高陡邊坡存在的斷層、層間擠壓帶、深部裂縫等問(wèn)題，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分區(qū)和計(jì)算分析；沈華章等[7]使用VSM-UDEC法對(duì)庫(kù)岸邊坡直線型滑面和圓弧型滑面算例進(jìn)行分析，并與理論解和Morgenstern-Price法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；雷遠(yuǎn)見等[8]采用離散元UDEC與強(qiáng)度折減法相結(jié)合的研究方法，分析了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

基于上述研究，本研究通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬的研究方法，分析拱壩開挖過(guò)程中層間錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的變形應(yīng)力特征。

1 工程概況

倒流河是赤水河的一級(jí)支流，發(fā)源于敘永縣營(yíng)山鄉(xiāng)，先由南向北，再轉(zhuǎn)為由東向西，流經(jīng)觀興鄉(xiāng)、石壩鄉(xiāng)、枧槽鄉(xiāng)、分水鄉(xiāng)、水潦鄉(xiāng)，在水潦鄉(xiāng)的底踏村出縣境，經(jīng)云南省的威信縣，于岔河林與渭河匯合成為赤水河的干流。倒流河與赤水河形成“U”字形大灣，中間被觀音山梁子所隔，兩河之間的直線距離為7km～8km，而水面高差在300m以上。倒流河全長(zhǎng)近80km，流域面積495km2，河道平均坡降6.7‰，水系呈羽狀發(fā)育，流域形狀近似長(zhǎng)條形。倒流河水庫(kù)樞紐工程位于敘永縣觀興鄉(xiāng)海水村倒流河墨魚尖處，倒流河水庫(kù)攔河大壩為混凝土拱壩，壩頂高程1043m，壩頂寬5.0m，壩頂弧長(zhǎng)186.506m，最大壩高60.00m，建基高程983m。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

左岸邊坡結(jié)構(gòu)開挖順序依次為F17斷層、1030m高程、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319(該位置處的開挖面基本完成，壩體處于臨空位置處)。當(dāng)開挖面開挖至1000m位置處時(shí)，在開挖高程1030m以上位置F17斷層處產(chǎn)生較大的裂縫，裂縫寬度約為20mm～50mm。圖1所示為層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319位置處洞壁3#、5#測(cè)點(diǎn)的剪切位移值隨時(shí)間變化圖，將初始監(jiān)測(cè)日期設(shè)置為第0天，由圖分析可得最大位移為8.0mm左右。

圖1 剪切位移值隨時(shí)間變化

對(duì)左岸壩基邊坡1020m～1030m高程位置處的巖石體進(jìn)行聲波監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理可以發(fā)現(xiàn)：①開挖完成后，邊坡節(jié)理石英砂巖出現(xiàn)松弛，在開挖完成后初期松弛平均深度約為1.8m，在開挖完成后3個(gè)月后松弛平均深度約為3.0m，此時(shí)，邊坡節(jié)理石英砂巖松弛基本穩(wěn)定，無(wú)明顯松弛裂隙突變發(fā)展趨勢(shì)；②在空間變化的位置上，LS3319上盤位置處邊坡節(jié)理石英砂巖松弛較為嚴(yán)重，松弛深度3.1m左右，而LS3319下盤位置處邊坡節(jié)理石英砂巖松弛深度僅為0.6m左右；③當(dāng)采用錨桿支護(hù)時(shí)，可以有效降低節(jié)理石英砂巖的松弛深度增加速率、減小節(jié)理石英砂巖的松弛深度，起到保護(hù)邊坡穩(wěn)定的作用，當(dāng)邊坡開挖完成后半年左右邊坡節(jié)理石英砂巖松弛才基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后聲波監(jiān)測(cè)的松弛深度值不再發(fā)生變化。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 參數(shù)分析

由于倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡在開挖過(guò)程中及開挖完成后，影響開挖過(guò)程中卸荷作用的主要影響因素為巖體發(fā)育的傾角、錯(cuò)落帶位置以及巖體發(fā)育程度。因而，本研究對(duì)于柱狀節(jié)理的各向異性特征不予考慮，將倒流河水庫(kù)左岸壩基的石英砂巖巖體定義為Ⅲ類巖石，并結(jié)合相關(guān)參數(shù)不同劃分為Ⅲ1、Ⅲ2類巖石。倒流河水庫(kù)左岸壩基巖體、劃分結(jié)構(gòu)面的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 左岸壩基巖體參數(shù)

表2 左岸壩結(jié)構(gòu)面參數(shù)

3.2 建立模型

建立了如圖2、圖3所示的二維、三維倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡模型圖，相關(guān)的巖體劃分如圖2所示，劃分的結(jié)構(gòu)面如圖3所示。二維模型主要用于模擬倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡開挖過(guò)程中的變形研究；三維模型主要用于對(duì)倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡開挖完成后的開挖動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。相關(guān)的地表形態(tài)分布、地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)、巖層分布均依據(jù)前期的勘測(cè)資料進(jìn)行建模，開挖過(guò)程中，每個(gè)開挖部的開挖高程為1m～3m，模擬過(guò)程中主要分析LS331、LS3319兩個(gè)滑動(dòng)錯(cuò)落面的變形、穩(wěn)定性問(wèn)題，模擬過(guò)程中，同時(shí)考慮C3、C3-1、LS337、LS3318、F14、F16、F17錯(cuò)落帶、斷層的影響。

圖2 二維倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡模型

圖3 三維倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡模型

3.3 邊坡應(yīng)力變形分析

倒流河水庫(kù)左岸壩基邊坡在開挖(高程1043m～1000m)過(guò)程中，開挖高程較高，邊坡變形較大，將該開挖過(guò)程分成兩個(gè)過(guò)程(高程1043m～1040m、高程1040m～1000m)分析。

(1)開挖高程1043m～1040m。在該階段開挖過(guò)程中，層間錯(cuò)動(dòng)帶(C3、C3-1)以及斷層(F17)逐漸顯露出來(lái)，在1040m以上高度處的地應(yīng)力值相對(duì)較小，分析其變形特征，變形主要為卸荷回彈變形，且主要為豎直方向上的小變形，變形量為30mm左右，水平方向上的變形較小，約小于10mm，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相同，邊坡在豎直向上的變形過(guò)程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)開挖高程1040m～1000m。在該階段開挖過(guò)程中，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(LS3319)逐漸顯露出來(lái)，變形主要為水平方向上的變形，進(jìn)而引起坡體在水平方向上向外變形凸出，變形量約為10mm，在LS3319層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶位置處的最大變形大于20mm。圖4所示的不同開挖梯段的變形矢量圖中可以明顯看出壩基的變形位移，對(duì)于LS3319上下盤巖體的位移變化，在高程為1030m以上時(shí)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319是連續(xù)的，當(dāng)開挖高程為1020m、1000m時(shí)，LS3319上盤巖體出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)動(dòng)變形矢量位移，且向河谷方向發(fā)生變形、變形矢量平行于開挖面。因而，總體變形表現(xiàn)為：前期豎向變形變大，且隨著開挖高程增大變形增量逐漸減小，后期水平矢量變形逐漸增大，指向河谷方向，在兩種變形(豎向變形、水平矢量變形)條件下，由數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)邊坡始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生明顯的變形破壞。

(a)1043m～1040m高程 (b)1040m～1030m高程 (c)1030m～1020m高程 (d)1020m～1010m高程

應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5(a)所示，A、B兩點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力變化如圖5(b)所示，A點(diǎn)位于層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(LS3319)下盤巖體，B點(diǎn)位于層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(LS3319)上盤巖體，B點(diǎn)的最大主應(yīng)力在開挖高程至1030m左右范圍時(shí)出現(xiàn)突變。最大主應(yīng)力值由3MPa變?yōu)?MPa，主要是由于在開挖至層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319即將暴露時(shí)巖體內(nèi)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319完全暴露時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象完全消失，最大主應(yīng)力由6MPa降至0.5MPa，在開挖過(guò)程中，A、B兩點(diǎn)的最小主應(yīng)力及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319下盤巖體A點(diǎn)的最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，主要是由于在該階段的應(yīng)力主要為卸荷松弛作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

(b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力 圖5 層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319上下盤巖體應(yīng)力變化特征

圖6(a)為剪切變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，圖6(b)為層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319的剪切變形隨開挖高程的變化曲線。錯(cuò)動(dòng)帶LS3319的剪切變形主要發(fā)生在開挖高程由1030m～1010m的變化范圍，對(duì)于開挖至1010m以下高程時(shí)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319剪切變形量較小，計(jì)算得到開挖過(guò)程中最大的剪切變形值約為25.0mm，在排水洞位置處最大剪切變形約為12.0mm，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)剪切變形量結(jié)果的10.0mm較為相近。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切變形變化曲線 圖6 層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319剪切變形變化

4 結(jié)論

本研究以倒流河水庫(kù)拱壩左岸壩基作為研究對(duì)象，對(duì)倒流河水庫(kù)拱壩左岸壩基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析層間錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的變形應(yīng)力特征，主要得到以下結(jié)論：

(1)邊坡豎直方向變形主要發(fā)生在開挖高程范圍為1043m～1040m時(shí)，最大值約為30mm，水平位移主要發(fā)生在開挖高程范圍為1040m～1000m時(shí)，最大值約為20mm。

(2)開挖至1040m～1000m時(shí)LS3319主要以上盤巖體卸荷松弛變形為主導(dǎo)，開挖至1000m以下時(shí)主要以下盤巖體水平應(yīng)力卸荷松弛變形為主。

(3)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319的剪切變形主要發(fā)生在開挖高程由1030m～1010m的變化范圍，最大剪切變形為25mm，排水洞位置處的最大剪切變形約為12.0mm。