基于DDA分析的白石水庫庫岸硬巖邊坡傾倒變形研究

李志環(huán)

(凌源縣水務(wù)局宋杖子震水利站,遼寧 凌源 122524)

傾倒破壞是水利工程建設(shè)和運行中層狀巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要類型。此類變形一般不存在明顯的滑面，因此也不會導(dǎo)致快速滑動變形的出現(xiàn)，但是不采取必要的變形控制措施，任由變形持續(xù)發(fā)展，最終可能導(dǎo)致拉裂、崩塌等破壞或深層滑坡。傾倒變形屬于一種比較復(fù)雜的邊坡變形，受到眾多因素的影響。鄭允、吳昊、楊建成等[1-3]學(xué)者對傾倒變形及破壞機理進行了深入探討和研究，認為邊坡的幾何形狀、巖層的厚度和強度、節(jié)理產(chǎn)狀和力學(xué)參數(shù)以及初始地應(yīng)力和外在荷載均能夠?qū)r質(zhì)邊坡的傾倒變形造成影響。但是，邊坡傾倒破壞的真實變形機制和安全標(biāo)準(zhǔn)方面尚未形成研究定論。本次研究以遼寧省白石水庫上游右岸邊坡為例，利用DDA分析模型對硬巖邊坡傾倒變形進行深入研究，力求為相關(guān)理論的完善和邊坡治理提供借鑒和幫助。

1 工程簡介

白石水庫始建于2009年，壩址位于遼寧省北票市大凌河干流上，是一座以供水為主，兼具發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖的大型水利樞紐工程[4]。水庫控制流域面積17 649 km2，占大凌河流域面積的76%，水庫正常蓄水位為126 m，總庫容為16.45億m3。水庫建成后可以使下游地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)由原來的20 a一遇提高到50 a一遇，同時每年可以向下游的阜新和錦州等城市提供生產(chǎn)生活用水2億m3。白石水庫的防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，下瀉流量為2675 m3/s，校核標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇，下瀉流量為3814 m3/s。白石水庫所在的大凌河流域?qū)儆诤疁貛Т箨懶詺夂颍涤甑哪觌H變化較大，最大年降雨量為1053 mm，最小年降雨量為345 mm；夏季降雨較多，其中7、8兩月的降雨量占全年的4成左右。

研究的岸坡位于白石水庫上游右岸的400～800 m范圍內(nèi)，岸坡在水面線以上的最大高度接近700 m。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，岸坡的巖體主要包括4種結(jié)構(gòu)，自外向內(nèi)分別為散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)以及次塊狀結(jié)構(gòu)。岸坡主要由花崗巖構(gòu)成，其中的斷裂構(gòu)造發(fā)育且具有較大的規(guī)模，并認為其中存在的4組較大的結(jié)構(gòu)面會對后期的蠕動變形起到主要影響作用。

2 計算方法

2.1 計算模型

根據(jù)白石水庫右岸岸坡的現(xiàn)場觀測資料，2#山梁的傾倒蠕變變形特征比較典型，同時變形量也最大，因此選取2#山梁作為本次DDA分析的對象。對2#山梁的典型剖面進行分析，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)資料進行概化整理，建立起如圖1所示的2#山梁二維DDA計算模型。模型高820 m，長1562 m，共劃分為2298個計算單元。模型考慮到了岸坡內(nèi)部的主要斷層，并對內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面間距進行必要的調(diào)整，力求通過模型計算可以獲得與實際情況最為接近的計算成果。

圖1 2#山梁二維DDA計算模型示意圖

2.2 計算荷載與工況

岸坡傾倒蠕變變形的DDA分析應(yīng)主要考慮以下荷載：岸坡的自重荷載、初始水位荷載、水庫運行過程中水位變動、巖體自身的蠕變[5]。對白石水庫右岸岸坡而言，由于自重變形已經(jīng)完成，因此在模擬過程中不予考慮，但對自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場應(yīng)該予以保留。蠕變變形是岸坡巖體的主要力學(xué)性質(zhì)，是對岸坡時效變形進行解釋的重要依據(jù)，在模擬計算過程中應(yīng)該重點考慮。由于白石水庫的岸坡具有比較好的透水性，在庫水位發(fā)生變化之后，岸坡內(nèi)的水位可以迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此在計算過程中可以按照穩(wěn)定滲流考慮庫水位荷載的影響。此外，由于岸坡為花崗巖，且水位變化過程歷時不長，因此計算中不考慮水對岸坡巖體的侵蝕作用?；谏鲜龇治鲆约把芯康闹饕康?，設(shè)計出如表1所示的計算工況。

表1 計算工況設(shè)計

3 計算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的關(guān)于白石水庫右岸邊坡2#山梁典型剖面的DDA計算模型，對不同工況下的岸坡傾倒蠕變變形進行數(shù)值模擬計算，并對計算結(jié)果進行分析。

3.1 工況1計算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型對工況1條件下的岸坡水平、豎向位移變形以及綜合變形進行DDA計算。由計算結(jié)果可知，岸坡水平位移變形的最大值為1.50 m，方向為朝向河道方向；豎向位移變形的最大值為6.2 m，岸坡的綜合位移變形的最大值僅為6.4 m，與實際監(jiān)測結(jié)果明顯不符。計算結(jié)果說明，由于水庫庫水位變動造成的岸坡變形量極為有限，同時主要集中于岸坡下部。

3.2 工況2計算結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的計算模型，在考慮岸坡蠕變變特征情況下，對白水水庫右岸岸坡的蠕變變形進行DDA數(shù)值模擬分析。

3.2.1 變形量計算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型對工況2條件下的研究斷面水平和豎向位移進行計算，結(jié)果顯示，岸坡的水平位移最大值約30 m，方向為朝向河道方向，豎向位移的最大值接近15 m，在岸坡頂部平臺部位出現(xiàn)了若干陷落帶。根據(jù)位移變形量計算結(jié)果，繪制出如圖2所示的岸坡綜合變形云圖。由計算結(jié)果可知，計算斷面的最大變形位于岸坡頂部的前緣部位，最大變形量接近40 m。在研究斷面的D103斷層出口部位，由于部分塊體在應(yīng)力作用下隨著蠕變變形被擠出，因此變形量明顯較大。

圖2 岸坡綜合變形云圖

3.2.2 岸坡變形形態(tài)分析

利用DDA計算結(jié)果，對研究岸坡的整體和局部形態(tài)進行模擬。從整體上看，岸坡呈現(xiàn)出自上而下的傾倒蠕變變形，在岸坡的局部伴隨著張裂、剪切、崩塌、擠出等不同形式的變形。相對而言，岸坡的中下部巖體比較穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為傾倒變形，同時伴隨著少量的剪切錯動變形，有少量巖塊被擠出岸坡表面。岸坡的上部傾倒蠕動變形特征最為明顯，根據(jù)計算結(jié)果繪制的變形形態(tài)圖如圖3所示。由圖可知，岸坡的上部表現(xiàn)為典型的擠壓傾倒蠕變變形，在D103斷層附近，有大量的巖塊在擠壓作用下破碎和擠出，由于岸坡頂部整體向庫區(qū)方向變形，且前緣的變形量明顯偏大，造成在平臺上出現(xiàn)了大量的翻邊梗和塌陷帶?？傊?，利用DDA方法在工況2下的變形形態(tài)計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果具有較高的吻合度，這也說明了本文研究和計算方法的有效性和適用性。

圖3 岸坡上部變形形態(tài)示意圖

3.2.3 變形過程分析

對變形量最大的K1點的變形過程進行計算，并與實際觀測值進行對比，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，DDA計算結(jié)果與實測值在變形量與變形過程方面均具有良好的吻合度，在說明研究方法的科學(xué)性和適用性的同時，也驗證了白石水庫岸坡變形的主要原因是水庫蓄水造成的岸坡巖體蠕動變形。

圖4 DDA計算值與實測值對比曲線

4 結(jié) 論

本次研究以遼寧省白石水庫右岸岸坡為研究對象，建立基于典型斷面的二維DDA數(shù)值分析模型，在考慮水巖耦合以及岸坡蠕動變形的基礎(chǔ)上，從變形量、變形形態(tài)以及變形過程等方面進行了DDA模擬，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)水庫庫水位變動造成的岸坡變形量極為有限，同時主要集中于岸坡下部，岸坡變形主要表現(xiàn)為巖體在水庫蓄水條件下的蠕動變形。

(2)岸坡的水平位移最大值約30 m，方向為朝向河道方向，豎向位移的最大值接近15 m，最大綜合變形量接近40 m；岸坡呈現(xiàn)出自上而下的傾倒蠕變變形，在岸坡的局部伴隨著張裂、剪切、崩塌、擠出等不同形式的變形。岸坡的中下部巖體比較穩(wěn)定，上部表現(xiàn)為典型的擠壓傾倒蠕變變形，坡頂平臺前緣的變形量明顯偏大。

(3)利用DDA方法在工況2下的變形形態(tài)計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果具有較高的吻合度，說明本文研究和計算方法的有效性和適用性，可以用于水庫岸坡傾倒蠕動變形預(yù)測研究。