開陽縣那卡河水庫工程庫岸邊坡破壞形式及穩(wěn)定性分析

蘭紹華

開陽縣那卡河水庫是貴陽市水資源綜合利用與開發(fā)規(guī)劃的重點(diǎn)水源點(diǎn)之一，位于開陽縣永溫鄉(xiāng)。水庫所在河流為那卡河，為烏江一級支流。水庫大壩距開陽縣永溫鄉(xiāng)政府所在地3.8 km，距開陽縣城區(qū)15 km。水庫區(qū)河流為山區(qū)型河流，兩岸山體雄厚，河谷狹窄深切，相對高差為200 m～300 m，岸坡地形坡度較陡，河谷走向大多一致，總體走向近北南向，與巖層走向近于平行，多為走向谷。河床高程為949 m～1016 m，縱坡降為16‰，河床寬20 m～40 m，河槽兩岸地形坡度一般為50°～85°，河谷橫斷面多為“V”型，局部河段河谷兩岸為陡立的箱型谷水庫所在地兩側(cè)山體陡峻，通過采用有限元法對具有代表性的水電站左側(cè)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，了解邊坡的受力狀態(tài)、破壞機(jī)理及穩(wěn)定性，為工程安全評價(jià)提供參考。

1 計(jì)算模型

根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告，建立坡面網(wǎng)格模型。分析采用平面應(yīng)變的模式，右側(cè)邊界選取河床中心位置，左側(cè)距離右側(cè)長604 m，底部邊界取為河床以下120 m。范圍大于6.1的分析邊界和界限，采用6節(jié)點(diǎn)的三角形單元，共有5990個(gè)單元，12244個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用上述方法生成的空間模型見下圖。（泥巖的層面按實(shí)體單元考慮，灰?guī)r的層面按接觸面進(jìn)行模擬）

圖1 上游剖面計(jì)算模型

2 約束條件和初始條件

模型坡面假設(shè)為自由邊界，底部為固定約束邊界，兩側(cè)為單向邊界。在應(yīng)力初始條件下，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響（現(xiàn)場地質(zhì)勘察的鉆孔未出現(xiàn)餅狀巖芯，且地下有溶蝕現(xiàn)象，河谷深切，巖體卸荷作用充分，幾乎無構(gòu)造應(yīng)力影響），只考慮自重應(yīng)力和水壓力。地下水位、靜水壓力保持不變，靜水壓力云圖見圖2?？紫端畨毫旧虾退痪€高度成正比。

圖2 孔隙水壓力分布圖

3 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的輸入?yún)?shù)

分析中，對于泥巖夾層，采用實(shí)體模擬，對于硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面，采用接觸面的分析方式，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬過程與分析結(jié)果

按照上述假設(shè)約束條件與初始條件，輸入巖體力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型的彈塑性求解，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡，然后進(jìn)行開挖分析。

4.1 位移場規(guī)律分析

從邊坡的水平位移云圖來看，邊坡位移計(jì)算值與現(xiàn)狀的靜止條件不一樣，但從變形趨勢特征、機(jī)理上和現(xiàn)狀邊坡是一樣的，邊坡前部位移最大；邊坡的鉛垂方向位移云圖與整體位移云圖相似、數(shù)值相近；邊坡前部受裂隙及軟弱層面的影響，有更大的位移。而最大水平位移則出現(xiàn)在邊坡前部，亦是受裂隙及軟弱層面的影響；在邊坡的中下部，即位于泥巖層位的下部，水平位移呈“同心圓”狀逐漸減小向四周擴(kuò)散，表明該地段巖體水平向變形突出，會朝臨空方向變位，臨近邊坡坡面的位置，這種變形受層面的影響有擴(kuò)大的趨勢。同時(shí)由于軟弱層面和硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面（層面）的存在，使得各層之間的位移并不連續(xù)，也反映出軟弱夾層巖體邊坡的差異變形特征。

“同心圓”區(qū)域位于邊坡中下部，該邊坡水平因卸荷而產(chǎn)生的回彈效應(yīng)最明顯；同時(shí)，后部邊坡形成的“高差”也會形成加載，加大該部位巖體的變形。受裂隙及軟弱層面的影響，同心圓在坡面位置出現(xiàn)發(fā)散增大現(xiàn)象，且因?yàn)槠露葐栴}，水平位移和豎直位置在一個(gè)量級，也反映了邊坡變形受層面影響的特點(diǎn)。

圖3 現(xiàn)狀階段水平及豎直方向位移云圖

4.2 應(yīng)力場規(guī)律分析

①從邊坡主應(yīng)力云圖（圖4拉應(yīng)力為負(fù)，壓應(yīng)力為正）來看，在坡體的上部，表現(xiàn)為以壓應(yīng)力為主，與高度基本上呈正比的關(guān)系，基本上平行。隨著泥巖層面和硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面（層面）及地形的變化，邊坡的第一主應(yīng)力的等值線變得不在連續(xù)，出現(xiàn)圍繞結(jié)構(gòu)面呈鋸齒狀的應(yīng)力分布。另外，在邊坡的表層，由于卸荷和結(jié)構(gòu)面的影響，主應(yīng)力與邊坡的地形關(guān)系較大，主應(yīng)力方向基本上平行坡體，且第一主應(yīng)力出現(xiàn)調(diào)整，與邊坡的高度關(guān)系不明顯。

②圖5顯示的第三主應(yīng)力沿邊坡坡面無大的應(yīng)力集中，主應(yīng)力等值線平滑，幾乎相互平行，很少出現(xiàn)突變，僅在巖泥層面和硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面附近產(chǎn)生不甚明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，這表明邊坡整體幾何形態(tài)（坡度變化?。┯行Ы档土诉吰碌膽?yīng)力集中程度，另外在坡頂出現(xiàn)一些的拉應(yīng)力分布區(qū)，在坡腳位置未出現(xiàn)拉應(yīng)力分布區(qū)。

圖4 第一主應(yīng)力云圖

圖5 第三主應(yīng)力云圖

4.3 塑性區(qū)分布規(guī)律分析

①從塑性區(qū)及塑性剪應(yīng)變圖（圖6）中可以看出，剪切塑性屈服區(qū)域分布于坡腳及泥巖層面附近。在邊坡頂部、泥巖層面附近均產(chǎn)生了局部的拉伸屈服區(qū)，拉伸屈服容易產(chǎn)生拉裂縫。塑性區(qū)未貫穿坡體，表明邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是可以看出，在泥巖層面出現(xiàn)塑性區(qū)貫穿坡體的情況，而在坡腳的剪切區(qū)還未連接起來，說明邊坡的破壞趨勢是沿著層面經(jīng)坡腳剪切破壞。

從最大剪應(yīng)變的分布可以看出，其與最大剪應(yīng)力的分布基本上一致。

②圖7為硬性結(jié)構(gòu)面（層面）的屈服及變形情況，深紅色部分表明硬性結(jié)構(gòu)面（層面正發(fā)生剪切屈服（坡腳位置的結(jié)構(gòu)面），且可以看出，硬性結(jié)構(gòu)面（層面）總體上均有向下的位移，表明邊坡容易在硬性結(jié)構(gòu)面（層面）周圍形成剪切應(yīng)力帶，并在坡腳位置累積剪切應(yīng)變。

③圖8為硬性結(jié)構(gòu)面（層面）位移和應(yīng)力分布圖，從結(jié)構(gòu)面正應(yīng)力的分布來看，在坡腳的正應(yīng)力最大，在坡體中部和上部的正應(yīng)力較小，表明在坡腳容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力的分布來看，在坡腳的剪應(yīng)力最大，在坡體中部和上部的剪應(yīng)力逐漸變小，表明在坡腳容易產(chǎn)生剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，并由上至下逐漸累計(jì)。從結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系來看，在坡腳產(chǎn)生了剪切位移，而在坡中部和頂部未產(chǎn)生剪切位移（或者非常?。?。

圖6 上游邊坡的塑性區(qū)及塑性剪應(yīng)變

圖7 硬性結(jié)構(gòu)面（層面）屈服及變形情況

圖8 邊坡硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面（層面）位移和應(yīng)力分布圖

5 有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法的邊坡穩(wěn)定分析

運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法將邊坡強(qiáng)度系數(shù)折減后，此時(shí)邊坡內(nèi)將出現(xiàn)一塑性區(qū)，塑性應(yīng)變等值示意圖如圖9所示。等值線脊部的連線，為邊坡破壞時(shí)的滑動(dòng)面。

圖9 邊坡塑性應(yīng)變等值示意圖

從圖10可以看出，運(yùn)用強(qiáng)度折減法，邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)，在正常運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.27，折減后的穩(wěn)定性系數(shù)高于對應(yīng)極限平衡法穩(wěn)定性系數(shù)1.147，說明兩者的計(jì)算理念不同，也說明摩根斯頓－普賴斯法是極限平衡法中的下限解。其破壞模式為沿著淺部的泥巖層面產(chǎn)生塑性剪切屈服，并順著層面滑動(dòng)，并在坡腳巖體內(nèi)部產(chǎn)生剪切破壞。從圖11可以看出，其破壞時(shí)的屈服區(qū)分布是在坡腳和泥巖層面位置均產(chǎn)生剪切屈服區(qū)，在泥巖層面的頂部坡腳位置也出現(xiàn)拉應(yīng)力屈服區(qū)。從圖12可以看出，其破壞時(shí)的變形特征為：以坡體沿著層面滑動(dòng)，并在坡腳位置剪出。

圖10 上游剖面的最大塑性剪應(yīng)變分布圖

圖11 上游剖面的屈服分布圖

圖12 上游剖面的變形圖

6 結(jié)論

采用有限元法對具有代表性的水電站一側(cè)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布情況及內(nèi)在變形破壞機(jī)理，采用有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法對水電站邊坡在正常運(yùn)行工況下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性、破壞模式進(jìn)行分析。邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)，在正常運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.27。其破壞模式為沿著淺部的泥巖層面產(chǎn)生塑性剪切屈服，并順著層面滑動(dòng)，并在坡腳巖體內(nèi)部產(chǎn)生剪切破壞。破壞時(shí)的屈服區(qū)分布是在坡腳和泥巖層面位置均產(chǎn)生剪切屈服區(qū)，在泥巖層面的頂部坡腳位置也出現(xiàn)拉應(yīng)力屈服區(qū)。破壞時(shí)的變形特征為：以坡體沿著層面滑動(dòng)，并在坡腳位置剪出。