高佳東，劉逸輝，張 巍

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510640)

我國重大水利工程大壩建設處于較為領(lǐng)先的水平，而水庫大壩作為重要基礎(chǔ)設施之一，廣泛應用于防洪、供水、泥沙控制、改善水環(huán)境和解決水資源分布不均等問題[1-2]。但由于工程質(zhì)量缺陷及洪水、地震、凍害現(xiàn)象、氣候變化等極端事件的不利影響，以及人為因素影響、管理不當?shù)纫l(fā)的非常規(guī)運行工況，均會影響到水庫大壩的運行安全[3-7]、經(jīng)濟損失和環(huán)境影響[8-10]。

甘肅玉門抽水蓄能電站屬于一等大(1)型工程，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。其上水庫布置于照壁山山頂臺地，東南外側(cè)陡崖高差大，坡面陡峭，卸荷強烈，裂隙發(fā)育，巖體破碎，其穩(wěn)定性直接影響到上水庫大壩的運行安全。

隨著現(xiàn)代計算土力學的發(fā)展，為更好地研究邊坡安全穩(wěn)定性，數(shù)值計算已成為主要計算手段。任東興等11]、董杰華等[12]以邊坡工程實例為背景，利用ABAQUS軟件模擬邊坡破壞機理，研究其應力變形特征及其穩(wěn)定性；何彬[13]、吳旭敏等[14]針對邊坡失穩(wěn)的問題，利用Geo-studio軟件進行數(shù)值模擬分析邊坡穩(wěn)定性的影響因素；徐宏等[15]運用MIDAS GTS NX軟件計算不同力學參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)，研究邊坡安全系數(shù)影響因素的敏感性；匡義等[16]、毛正君等[17]通過對不同地區(qū)的邊坡采用FLAC 3D軟件進行數(shù)值模擬計算，研究邊坡破壞模式和穩(wěn)定性影響因素。目前，大部分三維有限元法中采用隱式求解方案，求解非線性復雜問題所花費時間較長，且存在累計誤差；在模擬物理上極限狀態(tài)的不穩(wěn)定過程時采用靜態(tài)方程求解，存在數(shù)值上的障礙。而FLAC 3D軟件基于顯式有限差分法計算原理[22]，在求解非線性問題時，不需通過迭代來滿足本構(gòu)關(guān)系，避免了累計誤差以及解決了花費時間較長的問題，應力通過應力-應變關(guān)系，跟隨應變實時變化，進而跟蹤系統(tǒng)的演化過程，使得計算時間幾乎與線性本構(gòu)關(guān)系相同；同時采用動態(tài)運動方程描述地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生破壞的力學行為，可用于模擬巖體開挖卸荷效應問題。

因此，本文利用FLAC 3D軟件對上水庫外側(cè)高邊坡進行計算分析，評價上水庫在不同工況下邊坡的穩(wěn)定性和抗震安全性，并結(jié)合分析結(jié)果，提出邊坡防護工程措施及上水庫工程布置合理性建議。

1 工程概況

上水庫庫區(qū)為北、東及南側(cè)三面開挖，西側(cè)筑壩成庫。庫壩軸線環(huán)庫全長2863m，西北側(cè)窄，東南側(cè)稍寬。主壩布置在西南側(cè)和南側(cè)，長1228m，最大壩高65.8m，副壩位于水庫東南側(cè)，長92m，最大壩高12m，壩型均采用瀝青混凝土面板堆石壩，庫壩線距離東南端側(cè)山體的最近水平距離約200m。上水庫外側(cè)高邊坡示意如圖1所示。

圖1 上水庫外側(cè)高邊坡示意圖

照壁山四周現(xiàn)狀地形均為陡崖，東南外側(cè)陡崖邊緣與溝底最大高差約900m，平面距離1350～1900m。陡崖段平面長度350～600m，高度400m左右，山體坡度以50°～70°為主，局部近直立或倒坡；在高程2350～2400m形成寬度100～300m的緩坡平臺，2350m平臺向溝底形成一連續(xù)的斜坡段，平面長度約1km，地形坡度整體以小于30°為主。受斷裂構(gòu)造、巖體卸荷及凍融作用等影響，陡崖段近山頂處巖體形成不穩(wěn)定塊體，崩塌、坐落現(xiàn)象強烈，在坡腳及緩坡段堆積有崩積物。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

2.1.1三維整體模型

選取上水庫外側(cè)照壁山區(qū)域建立三維整體計算分析模型。模型的x坐標軸與大地坐標系的東西方向重合，總長2740m；模型的y坐標軸與大地坐標系的南北方向重合，總長1130m；模型的z坐標軸與鉛直向重合，向下覆蓋的最低高程為1260m，向上則建模至地表，覆蓋范圍內(nèi)最低的地表高程為2020m，最高的地表高程為2900m，故模型在高程方向上的高度為760～1640m。

計算分析模型共考慮覆蓋范圍內(nèi)的強風化、弱微風化奧陶系微泥晶灰?guī)r等巖層和F1斷層，以及上水庫臨邊坡一側(cè)的堆石壩和壩后堆渣體。其中，與堆石壩平行布置的壩后堆渣體以實體單元形式建出(如圖2所示)，其他壩后堆渣體則通過在計算時施加覆蓋范圍內(nèi)地表等效荷載的方式來考慮。

圖2 三維整體模型網(wǎng)格圖

2.1.2準三維模型

在主壩最大壩高位置沿垂直壩軸線建立準三維模型。該模型長1930m，高690～1320m，覆蓋范圍的地表高程從2320m增加至2950m，網(wǎng)格劃分考慮強風化、弱風化和微風化地層，以及F1斷層和L1結(jié)構(gòu)面。進一步給出了準三維模型的邊坡坡表監(jiān)測點布置，如圖3所示。

圖3 準三維模型的模型圖

2.2 本構(gòu)模型及計算參數(shù)

邊坡巖體的本構(gòu)模型采用FLAC 3D的考慮拉伸修正的摩爾庫倫模型和遍布節(jié)理模型。根據(jù)地勘結(jié)果可知，上水庫外側(cè)陡崖地層巖性主要為微泥晶灰?guī)r，其邊坡巖體物理力學性質(zhì)和透水性指標見表1、構(gòu)面力學指標見表2。采用動力時程計算地震作用時，巖體的動態(tài)物理力學參數(shù)與靜態(tài)值一致?？紤]工程主要關(guān)注邊坡巖體的穩(wěn)定性，初始地應力通過自重應力場方法計算。

表1 邊坡巖體物理力學性質(zhì)和透水性指標

表2 邊坡巖體構(gòu)面力學指標

2.3 計算分析工況

計算工況選取天然狀態(tài)工況、庫水滲漏工況和設計地震工況。其中設計地震工況是在壩后堆渣工況的基礎(chǔ)上，計算設計地震荷載采用100年超越概率2%設防水平、基巖水平峰值加速度為514.2g工況。

以上工況均采用整體三維模型進行計算分析，其中設計地震工況采用擬靜力法計算，并進一步采用準三維模型，通過動力時程法進行計算分析。根據(jù)地震安全性評價建議的基巖設計規(guī)準反應譜，采用人工合成的方法，生成加速度時程曲線，如圖4所示。并根據(jù)規(guī)范考慮計算分析模型的底部到地表的距離超過50m，因此直接將加速度時程折半后，作為設計地震荷載輸入模型底部。

圖4 加速度時程曲線

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 天然狀態(tài)工況

通過探究上水庫外側(cè)陡崖邊坡的初始地應力場與邊坡應力分布的對應規(guī)律，可為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的初始應力場條件。采用三維強度折減方法，對處于天然狀態(tài)下的邊坡求取強度儲備安全系數(shù)。如圖5所示，當強度折減系數(shù)為1.50時，邊坡關(guān)鍵點變形的變化曲線開始出現(xiàn)拐點，顯示邊坡開始進入臨界失穩(wěn)狀態(tài)。因此，天然狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)可取為1.50。

圖5 邊坡關(guān)鍵點變形隨強度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

對于處于臨界狀態(tài)的邊坡，其失穩(wěn)模式為剪切滑移+后緣拉裂破壞。其中，前緣剪出口位于2520m高程左右的邊坡坡表，后緣為拉裂破壞，拉裂面在2800m高程附近的邊坡坡表出露。邊坡變形和邊坡剪切滑動帶分布如圖6—7所示。

圖6 處于臨界狀態(tài)的邊坡變形圖

圖7 處于臨界狀態(tài)的邊坡剪切滑動帶分布

3.2 庫水滲漏工況

假定正常蓄水工況條件下，庫盆防滲措施失效，引發(fā)上水庫庫水持續(xù)滲入邊坡，且上水庫水源可得到穩(wěn)定補給，使上水庫庫水水位保持不變，使計算分析模型最終形成穩(wěn)定滲流場。

在上水庫庫水持續(xù)入滲邊坡且維持庫水水位不變的條件下，地下水在邊坡坡表溢出，最終形成穩(wěn)定滲流場時，邊坡坡表溢出區(qū)域的高程在2600m附近，其孔隙水壓力如圖8所示。

圖8 庫水滲漏入滲邊坡后孔隙水壓力在三維模型內(nèi)的分布(單位：MPa)

根據(jù)邊坡滲流場計算滲流荷載，并分析由滲流荷載引起的邊坡巖體變形。由庫水入滲的滲透荷載引起的邊坡變形在18.1mm以內(nèi)，變形矢量總體為沿著邊坡坡表指向下，且邊坡巖體的變形分布受到F1斷層的一定影響，在斷層上下盤出現(xiàn)一定的不連續(xù)分布特征。邊坡變形和邊坡剪切滑動帶分布如圖9—10所示。

圖9 處于臨界狀態(tài)的邊坡變形圖

圖10 處于臨界狀態(tài)的邊坡剪切滑動帶分布

如圖11所示，庫水入滲工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.48，對應的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖11 邊坡關(guān)鍵點變形隨強度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

3.3 設計地震工況

3.3.1擬靜力法

首先采用擬靜力法計算設計地震荷載，如圖12所示，設計地震工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.26，對應的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖12 邊坡關(guān)鍵點變形隨強度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

3.3.2動力時程法

通過準三維計算分析模型，采用動力時程分析方法考慮設計地震荷載效應，計算分析邊坡的穩(wěn)定性。采用圖4給出的加速度記錄輸入模型。通過觀察邊坡巖體變形，分析邊坡巖體動位移分布；通過A、B、C、D四個部位監(jiān)測點反應邊坡的動位移時程曲線特性，以及地震動作用完成時刻的殘余動位移特征；在完成動力時程計算分析的基礎(chǔ)上，進一步采用強度折減法求取邊坡安全系數(shù)。

(1)邊坡巖體的動位移分布和邊坡監(jiān)測點的動位移特性在地震動作用過程中，邊坡巖體總體上呈現(xiàn)位移一致響應的特征，邊坡的整體性較好。邊坡水平向動位移分布在2.19～24.50cm。邊坡巖體的動位移在絕大部分時刻均指向坡外側(cè)，且在斷層部位出現(xiàn)動位移不連續(xù)現(xiàn)象，如圖13所示。

圖13 邊坡巖體水平向動位移分布

如圖14所示，邊坡坡表不同高程的監(jiān)測點，在地震動荷載作用下的動位移時程曲線形態(tài)相同，變化規(guī)律也較為一致，僅是量值上存在一定區(qū)別。監(jiān)測點A～D在地震動作用完成時的殘余動位移分布在6.74～12.62cm，見表3，其中量值相對較大的部位為結(jié)構(gòu)面附近的測點，其他部位的殘余動位移相對較小。

表3 邊坡監(jiān)測點的動位移特征參數(shù)統(tǒng)計 單位：cm

圖14 邊坡監(jiān)測點的動位移時程曲線

(2)安全系數(shù)。如圖15所示，在加速度記錄輸入的設計地震工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.15，對應的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖15 邊坡關(guān)鍵點變形隨強度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

對比擬靜力法計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整體三維模型計算時，潛在失穩(wěn)邊坡受到兩側(cè)未失穩(wěn)區(qū)域的約束，即存在邊坡變形的三維效應，使得計算得到的安全系數(shù)大于準三維模型計算得到的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

研究采用FLAC 3D軟件，對玉門抽水蓄能電站上水庫外側(cè)高邊坡的穩(wěn)定性開展了靜動力數(shù)值模擬分析，主要結(jié)論為：

(1)針對上水庫外側(cè)高邊坡進行穩(wěn)定分析，各計算工況的邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域和失穩(wěn)模式一致，安全系數(shù)均大于容許值，上水庫布置方案基本合理。考慮因斷層構(gòu)造、巖溶溶隙等不良地質(zhì)現(xiàn)象影響，產(chǎn)生的局部不穩(wěn)定塊體，需進行局部的錨噴加固處理。

(2)地震動作用對邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面影響相對顯著，結(jié)構(gòu)面附近的淺表層邊坡發(fā)生一定量值的錯動且在臨空面出露區(qū)域更為明顯。但總體位移絕對量值較小，對邊坡巖體的影響有限。

(3)研究通過動力時程法分析地震工況時輸入了單一的時程曲線，為提高計算結(jié)果準確性，需進一步考慮采用不同的相角對應的時程曲線進行計算。