陳昌盛，陳寧歆

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

0 引言

水庫拱壩邊坡開挖過程中，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，對于邊坡開挖過程中的應(yīng)力、變形分析是非常有必要的。

對拱壩庫岸邊坡開挖過程中的應(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)場巖體變形試驗(yàn)、巖體彈性波測試，對白鶴灘水庫的力學(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，對某水庫開挖卸荷過程中，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)場勘測、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]針對某水庫壩肩高陡邊坡存在的斷層、層間擠壓帶、深部裂縫等問題，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法對庫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，本研究通過分析現(xiàn)場監(jiān)測以及數(shù)值模擬的研究方法，分析拱壩開挖過程中層間錯(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，流域形狀近似長條形。倒流河水庫樞紐工程位于敘永縣觀興鄉(xiāng)海水村倒流河墨魚尖處，倒流河水庫攔河大壩為混凝土拱壩，壩頂高程1043m，壩頂寬5.0m，壩頂弧長186.506m，最大壩高60.00m，建基高程983m。

2 監(jiān)測結(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#測點(diǎn)的剪切位移值隨時(shí)間變化圖，將初始監(jiān)測日期設(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，對監(jiān)測結(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，無明顯松弛裂隙突變發(fā)展趨勢；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

由于倒流河水庫左岸壩基邊坡在開挖過程中及開挖完成后，影響開挖過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，本研究對于柱狀節(jié)理的各向異性特征不予考慮，將倒流河水庫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左岸壩基邊坡開挖過程中的變形研究；三維模型主要用于對倒流河水庫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)前期的勘測資料進(jìn)行建模，開挖過程中，每個(gè)開挖部的開挖高程為1m～3m，模擬過程中主要分析LS331、LS3319兩個(gè)滑動(dòng)錯(cuò)落面的變形、穩(wěn)定性問題，模擬過程中，同時(shí)考慮C3、C3-1、LS337、LS3318、F14、F16、F17錯(cuò)落帶、斷層的影響。

圖2 二維倒流河水庫左岸壩基邊坡模型

圖3 三維倒流河水庫左岸壩基邊坡模型

3.3 邊坡應(yīng)力變形分析

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

(1)開挖高程1043m～1040m。在該階段開挖過程中，層間錯(cuò)動(dòng)帶(C3、C3-1)以及斷層(F17)逐漸顯露出來，在1040m以上高度處的地應(yīng)力值相對較小，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)場實(shí)測結(jié)果相同，邊坡在豎直向上的變形過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)開挖高程1040m～1000m。在該階段開挖過程中，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(LS3319)逐漸顯露出來，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，主要是由于在該階段的應(yīng)力主要為卸荷松弛作用，監(jiān)測點(diǎn)A、B不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞。

(a)監(jiān)測點(diǎn)位置

(b)監(jiān)測點(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)測剪切變形量結(jié)果的10.0mm較為相近。

(a)監(jiān)測點(diǎn)布置

(b)監(jiān)測點(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拱壩左岸壩基作為研究對象，對倒流河水庫拱壩左岸壩基現(xiàn)場監(jiān)測結(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。