黄藏寺水利枢纽工程某松散堆积体稳定性评价

韩 啸，李日运，黄银伟

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

黄藏寺水利枢纽工程某松散堆积体稳定性评价

韩 啸，李日运，黄银伟

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

以黄藏寺水利枢纽工程某松散堆积体为例，从地质宏观判断、极限平衡理论计算和数值模拟3种途径分析堆积体的稳定性，确定该堆积体整体稳定性较好，不会发生整体失稳破坏，但有可能局部失稳.对数值模拟结果和现场实际情况进行了对比，确定数值模拟得出的堆积体变形现象和规律与实际情况相吻合.

松散堆积体;稳定性;地质宏观判断;极限平衡理论;数值模拟

黄藏寺水利枢纽工程位于青海省祁连县西北约19 km的黑河干流上游，左岸为甘肃省肃南县，右岸为青海省祁连县.该工程正常蓄水位2 624 m，水库总库容3.52亿 m3，调节库容2.86亿 m3，装机容量36 MW，年发电1.428亿kW·h，干流中游区灌溉面积289.93万亩.该工程近坝库岸松散堆积体规模较大，且对工程造成较大影响.为合理选取工程设计方案，确保工程施工期和运行期安全，须深入分析近坝库岸松散堆积体的稳定性.

1 区域地质条件

黄藏寺水利枢纽工程地处青藏高原东北侧的祁连山脉，托勒山与走廊南山之间，其间断陷盆地和谷地相间分布.地势北低南高，山脉多呈NWW—SEE向展布，与区域构造线基本吻合.该区以垂直升降运动为主，并受强烈的构造侵蚀、剥蚀作用，河流下切，水系发育，属融冻蚀高山、侵蚀构造中山、丘陵、堆积侵蚀阶地和河谷冲洪积平原等地貌.

区内地层岩性复杂，自古生界至新生界，各系均有不同程度出露，其中以古生界寒武系、奥陶系最为发育.不同时代的地层均为不整合接触.

志留纪末的加里东运动是该区最主要的构造运动，奠定了该区的构造格局，以后的燕山、华力西、印支和喜山运动主要表现为断块差异运动，使前期形成的断层发生了不同程度的复活，同时也形成了新的褶皱和断裂.该区断裂发育，以NWW向的纵向断裂为主，横向断裂有NNW和NE向两组［1］.

2 松散堆积体基本特征

该松散堆积体位于黑河右岸，潘家河坝址坝下引水发电洞出水口处，距坝线最近处仅50余m.堆积体平面形态整体呈圈椅状，前宽后窄，前缘左右宽280 m，中部宽220 m;中前部厚度10～15 m，后部厚度3～6 m;分布面积约6.4万 m2，初步估计方量57万m3.岸坡整体属于折线坡，地形上缓下陡.上段高程2 550～2 670 m，平均坡角25°;下段高程2 513～2 550 m，平均坡角38°;前后长 400 m，平均长度300 m.在地貌形态上为平缓的山间斜坡.

该堆积体处地层岩性总体可以分为两层.表层为碎石类土覆盖层，2 570 m高程以下为第二层，岸坡主要为第四系地滑堆积物，以上岸坡为崩坡积和残坡积的碎石类土，平均厚度约8.5 m，下伏寒武系绿泥石石英片岩.

堆积体内及附近未见地表水存在，潮湿现象仅在后部断层部位偶见，水文地质条件简单.

3 松散堆积体稳定性分析与评价

3.1 地质宏观判断

从堆积体的破坏变形现象分析，堆积体并未发生明显的变形迹象，拉张裂缝和塌滑仅发生于前部陡坎处，规模和范围都较小.在暴雨期，堆积体前缘发生过小型塌滑，规模也较小.堆积体地处构造活动强烈区，在经历近期强震时，未出现明显的变形和滑动，保持稳定.因堆积体前缘直达河床，发生滑动失稳破坏时，滑动势能较小，所以不会产生高速整体滑动，破坏后果轻微.在后期即使堆积体产生整体滑动，也不至于对大坝产生严重的后果，对工程影响不大.综合分析表明，考虑现状及特殊条件工况，该堆积体可以初步判断为整体处于稳定状态，有可能发生局部失稳破坏.若要最终断定其整体稳定性，需要进一步研究.

3.2 理论分析计算

根据岸坡地形地貌及地层岩性等特征，堆积体可能沿基覆接触界面发生滑移破坏.由于堆积体整体规模较大，前后厚度差异大，所以需要对岸坡的整体和局部稳定性进行分析评价，以最终确定堆积体整体稳定性和可能的失稳边界［2］.

计算时沿主滑方向综合考虑整体和局部两种破坏方式，分别选取整体和局部两个剖面进行分析评价.

3.2.1 计算方法及参数的选取

根据滑坡体的破坏类型，滑面为圆弧型和折线型，此次采用摩根斯顿－普赖斯法和不平衡推力传递法两种方法进行计算［3］.

滑带土体物理力学指标主要采取试验值和经验值相结合的方法选取，堆积体和滑带土的物理参数取值相同.选取的计算参数见表1［4］.计算区域为地震基本烈度Ⅶ度区，地震动峰值加速度为0.15 g.

表1 滑体及滑带土物理力学性质指标建议值

3.2.2 局部及整体稳定性评价

地震和暴雨作用是自然界中引发边坡失稳破坏的两种极端工况，边坡在这两种工况下稳定系数最小，稳定性最差.因此，采用这两种工况对边坡稳定性进行计算，即暴雨工况与地震工况.沿基覆界面折线型滑面的稳定性计算结果见表2.

表2 稳定系数计算结果

计算结果表明，在这两种工况下，局部稳定系数为1.027 ～1.077，整体稳定系数为 1.035 ～1.081，二者基本一致，堆积体处于欠稳定状态.

3.3 数值法分析计算

3.3.1 本构模型

此次模拟选用有限元法［5］(ANSYS软件)计算，该方法适用于岩土体应力－应变分析.采用德鲁克－普拉格(Drucker-Prager)岩石屈服准则的弹塑性模型［6］.此次摸拟计算的二维模型共有6 694个节点和2 145个单元，模型划分为八节点四边形单元(PLANE82单元)［7］.离散化时，在基覆界线和覆盖层部位进行单元细分，以便对边坡实际工作状态进行更准确地模拟.所建立的模型如图1所示.

图1 有限元离散化模型

3.3.2 计算方法

计算模型X轴沿主滑方向，指向岸坡;Y轴为竖直方向，方向向上.前后长400 m，前端为黑河沟谷，高程2 515 m，离散化深度为80 m;后部为山体基岩，高程2 705 m，离散化深度为270 m.

边界条件:左右边界受横向约束(X向)，无水平位移;底部受横向(X向)和垂向(Y向)双向约束，无水平和竖直位移.地表荷载计算时考虑地面实际情况，道路荷载按20 kN/m静荷载计，河水压力取单宽水压力，按静力等效原则移置相应节点上.

堆积体现状为天然状态，雨季受暴雨和河水影响较小，不受施工期水位和蓄水后的影响，因此仅选取天然工况+暴雨工况进行计算分析.

根据前期勘查资料及试验数据，结合现场调查和类比其他工程，综合给出了滑坡各组成岩土体的物理力学参数，见表3.

表3 各岩土体物理力学参数

由图2—4可知，边坡应力场的主要影响因素为重力场，在远离地表部位，最大主应力值与重力接近，方向与重力场一致，最小主应力近水平向;而在临近坡面部位，主应力的方向发生明显偏转，最大主应力与坡面近平行，最小主应力趋于0 MPa，与坡面近垂直，并在坡体表层局部产生拉应力.

基覆界面对应力场的影响比较明显.应力场在其附近出现比较明显的分异现象，分异的结果使得界面部位出现比较明显的应力集中或应力增高带(图4)，同时在这些部位的附近区域相应地出现比

3.3.3 结果分析

1)应力分析.此处引入应力状态比用于分析单元的受力状态，即试算应力与屈服面应力之比.当此比值小于1时，材料处于弹性阶段;当此比值大于或等于1时，材料已经屈服产生塑性应变.单元应力情况如图2—5所示.较明显的应力扩散现象.

由图5可知，分析单元的应力状态比值可知，在覆盖层内应力状态比值较大，基本在0.75以上，其中最大比值可达3.50，出现在靠近基覆界面部位，并向外逐步扩散;应力状态比值在基岩中不足0.30，数值较小.说明整个模型上部覆盖层土体整体上都处于弹塑性变形阶段，并以塑性变形为主.其中明显的应力集中现象出现在前陡基覆界面较陡部位，下部岩体并未发生塑性变形，处于弹性变形阶段.

2)应变分析.各节点位移如图6—8所示.

图8 节点总体位移(单位:m)

由图6—8可以看出，边坡体的土体是发生变形的主要集中部位，而坡体的前端陡坎是发生显著变形的主要部位，下伏基岩基本没有发生水平向和竖向变形.其中，横向变形量(水平位移)和纵向变形量(竖向位移)最大值发生在坡体的前端陡坎部位，最大变形量分别为9.9 mm和17.1 mm，并向四周发展形成一贯通区域.边坡体的总位移量沿潜在底滑面由前向后逐渐减小.根据现场调查，在坡体的前端陡坎部位出现变形迹象，裂缝宽度为5～20 mm，与理论计算结果基本一致.

4 结语

1)地质宏观判断考虑现状及极端工况，可初步判断该堆积体整体处于稳定状态，有可能发生局部失稳破坏.

2)极限平衡理论分析计算结果显示，从整体和局部两个方面得出该堆积体在暴雨和地震两种极端工况下处于欠稳定状态.

3)数值法计算和分析得出边坡体上覆土体处于弹塑性变形阶段，以塑性变形为主，下部岩体处于弹性变形阶段，并未发生塑性变形.显著变形和应力集中主要发生在前端陡坎部位，变形量与现场调查结论基本一致.

4)从数值模拟得出的堆积体的变形现象和规律来看，模型的建立和计算分析基本反映出真实条件下堆积体的变形特征及分布规律，与现场实际情况相吻合.这说明数值计算模型能够比较真实地反映堆积体实际情况，计算结果可靠、合理，能够在此基础上对堆积体的整体稳定性及长期稳定性做出较好的判断和预测.

［1］黄河勘测规划设计有限公司.黄藏寺工程地质专题报告［R］.郑州:黄河勘测规划设计有限公司，2010.

［2］兰雁，李日运，樊敬亮，等.田湾核电站引水隧洞边坡稳定性综合评价［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(22)，3818 －3823.

［3］施建勇.Soil Mechanics［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］卢廷浩.土力学［M］.南京:河海大学出版社，2002.

［5］何满潮.工程地质数值法［M］.北京:科学出版社，2006.

［6］王新荣，陈永波.有限元法基础及ANSYS应用［M］.北京:科学出版社，2008.

［7］浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

Stability Assessment on a Landslide Deposit Body in Huangzangsi Water Conservancy Project

HAN Xiao，LI Ri-yun，HUANG Yin-wei
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Taking a landslide deposit body in Huangzangsi water conservancy project for an example，the stability of landslide deposit body is analyzed in three ways，i.e.geological macro-judgment，stability calculation of limit equilibrium theory and numerical simulation.The results show the body has a good overall stability，and does not suffer overall instability，but possible to suffer the partial instability.Through comparing the numerical simulation results with the actual situation on site，the distortion phenomenon and rule of landslide deposit body numerically simulated is identical to the actual situation.

landslide deposit body;stability;geological macro-judgment;limit equilibrium theory;numerical simulation

1002－5634(2012)03－0086－04

2012－01－05

韩 啸(1988—)，男，贵州安顺人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性方面的研究.

李日运(1963—)，男，山东招远人，副教授，硕士，主要从事工程地质方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)