向家坝水电站马延坡边坡滑坡预警研究

於浩 姜龙 孙建会

(1.长江空间信息技术工程有限公司，湖北武汉 430010;2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着对环境与资源问题的重视，对国家能源结构的战略调整，对优先开发利用水电可再生清洁能源的认识日益清晰，中国的水电开发正处于一个新的高峰期。然而，水电站大多修建在地质条件复杂的高山峡谷地区，各种高坝的兴建将不可避免地涉及工程高边坡的稳定性等工程地质问题[1，2]。工程高边坡的稳定性直接决定着工程修建的可行性，影响工程的建设投资和安全运行。工程高边坡稳定问题成为了我国水电工程建设中面临的主要技术问题之一，深入系统地对工程高边坡稳定性和边坡预警进行研究，分析工程高边坡稳定性、建立边坡预警模型和健康诊断体系，不仅可以直接服务于工程建设，也可指导其他类似工程设计和施工。

1 马延坡边坡工程地质特征及现场试验

1.1 马延坡边坡工程地质特征

马延坡岩层中有4条软弱夹层，自上而下分别编号为JC①～JC④:JC①层砂岩与下部的泥岩分界面下部，夹层组成物质为灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩岩块岩屑夹浅灰色的泥，结构松散，干燥状态手捏易碎，遇水可塑状;JC②层灰白色、棕黄色泥岩碎块及其风化形成的灰白色泥，遇水粘性较强，可塑状;JC③层灰白色、棕黄色砂岩及其风化形成的泥，遇水呈流塑～可塑状;JC④层灰白色、棕黄色泥岩及其风化形成的泥，遇水呈流塑～可塑状。工区地处亚热带湿润季风气候区，地下水由降雨补给，覆盖层渗透性较好，地震基本烈度为7度区。

1.2 马延坡边坡现场试验成果分析

在外部变形特性方面，选取典型断面的监测数据进行分析[3]，绘制了水平、垂直位移随时间变化曲线，如图1所示。图1中P为断面的观测墩，如P08表示08号测墩的水平位移随时间变化曲线，P08'表示08号测墩的垂直位移随时间变化曲线，以此类推。

在深部变形特性方面，选取典型测斜孔的监测数据进行分析，绘制了深部位移随深度变化曲线，如图2所示。

从图1可见，水平、垂直位移随时间增加而增大。位移变化可分为三个阶段，前期(2007年9月以前)为变形快速增加阶段;中期(2007年9月～2008年12月)为变形缓慢增加阶段;后期(2008年12月以后)为变形逐渐趋稳阶段。

从图2可见，测斜孔的位移变形随深度增加而减小，随时间增加而增大。距孔口一定深度处均有位错位移，反映了边坡在某一深度位置已发生滑动变形。2007年9月以后，孔口位移和位错位移均变化较小，这与边坡加固处理结束时间较为吻合，整体变形主要表现为受季节和降雨影响的波动变化，处于稳定状态。位错位置深度以下，位移变形较小，达到一定深度后位移变形基本不变。

2 马延坡边坡稳定性分析

基于桩土和岩土体内裂隙间罚函数接触，依据岩土体物理力学参数表1和表2，建立了渗流—应力耦合的三维模型，进行数值模拟边坡稳定性分析。岩土体采用C3D8RP单元，抗滑桩采用C3D8R单元的粘—滑接触摩擦模型，分析过程中摩擦系数保持不变。

表1 岩土层划分及参数

有限元强度折减法的边坡稳定分析的基本原理就是将边坡强度参数粘聚力c和tanφ(φ为内摩擦角)同时除以一个折减系数F，得到一组新的强度参数值c'和tanφ'。然后作为新的材料参数输入，再进行试算，直至边坡达到极限平衡状态，发生剪切破坏，同时得到临界滑动面，此时对应的折减系数F即为最小安全系数。经过折减后的剪切强度参数c'和φ'为[4-6]:

表2 抗滑桩的物理力学参数

在进行马延坡边坡稳定性分析时，采用强度折减法计算边坡稳定性系数。通过试算分析，不同折减系数的塑性应变云图如图3所示。不同折减系数的侧向变形如图4所示。

从图3可见，在折减系数较小时，塑性区域变化较小。塑性区域的发生从局部开始，随着折减系数的增大，逐渐向塑性区域贯通趋势发展。

从图4可见，侧向变形随折减系数增加而增大。强度折减系数较小时，侧向变形增幅较小;强度折减系数较大时，侧向变形增幅较大。在折减系数F=1.72附近，侧向变形增幅骤然增加，即将产生很大的且无限发展的塑性变形和位移。

3 马延坡边坡滑坡预警分析

在边坡的滑坡预警方面进行研究，无论定性分析还是定量分析，都能归结为对控制效应量的阀值选取问题。在现有的定性分析方法、定量分析方法、不确定性分析方法、模型试验及监测分析方法等研究手段中，不是用工程类别来判定，就是用强度折减来分析，再就为监测数据的时程曲线预测。本文突破常规方法解决边坡稳定性问题的思维，采用预先施加边界位移方法，用等效塑性应变区域贯通作为判据，对边坡的滑坡预警进行分析[7-10]。

为分析该方法的可行性，建立与现场工况一致的预先施加边界位移的数值模型。按匀速递增地施加位移，进行数值计算分析。首先将施加位移的区域先进行实体剖分，让单元面与实体面重合，也就是施加在实体面的位移即为单元面的位移。施加位移荷载的侧向变形云图如图5所示，不同施加荷载方式下的侧向变形如图6所示。

从图5，图6可见，随着边界位移逐渐增加，侧向变形逐渐增加。变形增加逐渐向有利于变形发展的区域发展。侧向变形随着施加荷载或位移增加而逐渐增加。前期阶段两种加荷方式条件下变形基本无变化，随着施加荷载或位移增加变形变化逐渐增加，最大增幅为2.2mm。故建立的施加边界位移条件的渗流—应力耦合三维数值模型也能很好地模拟边坡现场基本工况的侧向变形，在研究边坡变形方面是可行的。

依据施加边界位移条件的渗流—应力耦合三维数值模型，以等效塑性应变区域贯通为判据，通过在原模型的基础上继续增加边界位移方法，进行边坡滑坡预警研究。通过模型计算，变形云图如图7所示。

从图7可见，随着边界位移增加，侧向变形逐渐增加，等效塑性应变逐渐贯通。最大变形为102.6mm，相应测斜孔位置的变形为75.2mm。

将各个荷载分析步的有效应力结果导出，作为数值模型的初始条件，进行施加位移边界条件的边坡稳定性分析。其侧向变形、安全系数随各荷载步变化曲线如图8所示。

从图8可见，随着侧向变形增加，安全系数逐渐减小。随着变形增加，安全系数减小变化大致可分为三个阶段:快速发展阶段、匀速过渡阶段和缓慢趋稳阶段。依据位移变形量和安全系数双重指标，进行边坡滑坡预警控制研究，建立针对向家坝水电站马延坡边坡滑坡预警监控体系，如表3所示。

从表3可见，边坡预警监控受位移变形量和安全系数双重指标控制，不仅从单点进行变形控制，也从整体进行塑性应变区域控制。该预警监控体系能很好地为后期边坡加固处理实施方案提供重要的科学依据，指导工程施工、优化工程设计，为类似工程提供技术支持。

表3 边坡滑坡预警监控体系

4 结语

1)位移变形随时间增加而增大，随深度增加而减小。位移变化可分为三个阶段，前期(2007年9月以前)为变形快速增加阶段;中期(2007年9月～2008年12月)为变形缓慢增加阶段;后期(2008年12月以后)为变形逐渐趋稳阶段。

2)边坡地层中有一定厚度的软弱层，存在明显位错位置。抗滑桩和锚索联合加固措施效果很显著，能很好地控制边坡滑移变形。

3)采用有限元强度折减法，进行了边坡稳定性分析。马延坡边坡稳定性系数为1.72。侧向变形随折减系数增加而增大。强度折减系数较小时，侧向变形增幅较小;强度折减系数较大时，侧向变形增幅较大。

4)采用施加边界位移方法，以等效塑性应变区域贯通作为判据，进行了边坡滑坡预警分析，建立了基于位移变形量和安全系数双重指标控制的边坡预警监控体系。该预警监控体系能很好地为后期边坡加固处理实施方案提供重要的科学依据，指导工程施工、优化工程设计，为今后类似工程提供技术支持。

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