考虑劣化效应的三峡库区某岸坡抗震性能分析

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(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

考虑劣化效应的三峡库区某岸坡抗震性能分析

王晨玺杰，邓华锋，张恒宾，方景成，肖瑶

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

三峡库区蓄水之后，在库水位大幅度升降变化、降雨、高频中低强度地震等因素作用下，库岸边坡岩土体物理力学特性不可避免地存在逐渐劣化的趋势，这将直接影响库岸边坡的变形稳定。基于此，以三峡库区某库岸边坡为研究对象，考虑岩土体抗剪强度参数的劣化效应，对其抗震性能进行了分析评价。结果表明：对于该库岸边坡，①在各特征水位情况下，随着库水位的上升，岸坡的整体安全系数略有增加，随着地震加速度的增加，岸坡安全系数降低趋势明显；②在各级地震作用下，考虑岩土体抗剪强度参数劣化效应之后，岸坡的抗震能力逐渐降低，岸坡堆积体中下部可能出现局部失稳破坏，随着库水位的上升，岸坡不稳定区域的后缘逐渐上升。研究思路和成果可为库岸边坡长期稳定性评价和加固提供较好的参考。

三峡库区；库岸边坡；水库地震；参数劣化；抗震性能

1 研究背景

近年来，水库地震及其对库区岸坡稳定的影响是三峡库区地质灾害的研究热点。自2003年6月三峡水库蓄水以来，在水库沿岸及周边地区监测到了大量微小地震或震群。截至2015年底，三峡库区共发生过4次4.0级以上地震，即2008年4.1级(秭归，2008年11月22日，震源深度8 km);2013年5.1级(巴东，2003年12月16日，震源深度5 km);2014年4.3级和4.7级(秭归，2014年3月27日，震源深度7 km；2014年3月30日，震源深度5 km)。2008年三峡水库三期蓄水以来，地震活动的频次与强度有所增强，因此，在库区岸坡变形稳定分析评价中，必须重点考虑地震作用的影响。

库区频发的地震对库岸边坡变形稳定的影响主要表现在2个方面：一方面，可能会导致库岸边坡在地震过程中直接变形破坏；另一方面，虽然不会导致库岸边坡的直接破坏，但是会形成大量的“震裂山体”和“震松山体”[1-2]，在后期降雨或者库水浸泡作用下，很可能诱发新的崩塌、滑坡、泥石流灾害。这些中低强度水库地震一般不会直接导致库岸边坡的变形破坏，但是其动力作用会对边坡岩土体结构及力学特性造成累积损伤作用，导致其稳定性降低。

三峡库区蓄水以来，很多专家学者对三峡库区地震进行了大量研究。江洎洧等[3-4]对微震作用下滑坡的变形机制进行了研究，发现地震作用与库水位波动密切相关，且诱发地震表现出滞后于应力变化的特征；陈德基等[5]通过对大量靠高精度监测台网所获得的库区地震数据的统计、分析和研究，发现库区地震以微震和极微震为主，有明显的地域性，构造型水库地震高潮的出现明显滞后于非构造型水库地震，两类地震衰减过程都十分明显；宋琛等[6]对三峡水库重点监视区蓄水后地震进行了统计，发现这些微小地震是在库水荷载及周期性消长作用下，为适应新的应力应变场所引发，区域构造应力场对这些地震有控制作用；张丽芬等[7]从库水荷载和渗透作用2方面对三峡水库地震进行了发震机理研究，发现库水荷载与快速响应型地震关系密切，滞后响应型则主要由库水渗透引起。

陈萍[8]结合不同工况对不同水位的库岸边坡进行了滑体稳定性分析评价，提出了一种滑坡体稳定性综合分析评价方法；孟庆筱[9]提出研究区内构造地震及水库诱发地震的设定方法，并计算了三峡库区黄土坡在设定地震作用下的抗滑稳定性；郑颖人等[10]提出了基于拉-剪破坏的动力时程分析法和强度折减动力分析法，将破坏时刻的动应力施加到静力情况下的边坡上，计算边坡的稳定性，并对算例进行了验算；叶海林等[11]对目前主要的地震边坡稳定性评价方法进行了分析，并采用这些评价方法对边坡算例进行了稳定计算；吴兆营等[12]结合三峡重庆库区某典型滑坡进行了动安全系数分析，提出一种适合于岩体边坡动安全系数非线性分析的方法；游姗等[13]使用接触单元建立有限元模型，对三峡水库水平基岩地震动进行了模拟，发现了水库诱发地震作用下水平基岩地震动分布的不均匀性。

上述这些研究成果重点分析了三峡库区的水库地震的发震机制，并对部分典型岸坡的抗震能力进行了分析评价，为库坡的变形稳定分析及治理提供了很好的参考。

但是，在相关岸坡抗震性能分析评价中，一般将岸坡岩土体参数作为一个稳定的值进行考虑。近年来的研究表明，在水库蓄水、库水位大幅度升降变化、降雨、冻融循环、高频中低强度地震、边坡爆破开挖加固以及人类生产活动影响下，库岸边坡岩土体材料的物理力学特性不可避免地存在逐渐劣化的趋势，这将直接影响库岸边坡的变形稳定。因此，在进行库岸边坡长期抗震分析评价时，应该重点考虑岩土体参数的劣化对其抗震性能的影响。基于此，在三峡库区选取典型库岸边坡，考虑不同的地震级别和岩土体参数劣化情况，进行抗震性能分析。

2 典型库岸边坡概况

本文选取三峡库区巴东县境内某库岸边坡为研究对象，该边坡地貌为中部下凹、东西两侧稍稍突起的向长江倾斜。堆积体以碎块石、块石、碎块石夹土为主，结构松散。崩滑堆积体覆盖层靠近水边一带中下部较厚，后缘相对簿，中间厚，东西两侧相对薄。其东西长为540～720 m，南北宽为280～400 m，前缘高程为36 m(水下)，后缘高程为380 m。典型地质剖面如图1所示。

图1 地质剖面Fig.1 Geological profile

监测资料表明，该边坡目前的变形形式主要为沿基伏界面的阶段性蠕变，同时曾多次发生浅层型及中层型滑坡表层的局部滑动。因此，在计算过程中需要同时考虑基伏界面深层滑动和浅表层的局部破坏。

根据地质资料，该库岸边坡岩土体初始力学参数如表1所示。计算过程中，水上部分岩土体参数按照天然状态取值，水下部分岩土体参数按照饱和状态取值，重度取浮重度。

表1 岩土体初始力学参数Table 1 Initial mechanical parameters of rock-soil mass

3 计算条件及方法

3.1 地震级别

三峡库区多年的科学论证和监测资料表明，三峡蓄水可能诱发的极限地震为5.5～6级[3-5]。考虑极端情况影响，在计算分析中主要考虑7级及以下级别地震作用，计算时考虑地震加速度分别为0.01g，0.02g，0.05g，0.10g共4种情况。

3.2 岩土体力学参数劣化

考虑水库运营过程中各种影响因素对边坡岩土体力学特性的累积损伤效应，在前期的研究中，对该库岸边坡消落带取回的原状土进行了7个周期的干湿循环作用试验[14]，黏聚力和摩擦角的劣化程度分别达到60%和20%左右，同时参考其他相关岸坡岩土体干湿循环试验研究结果[15-17]，和以往相关岸坡岩土体干湿循环作用试验结果分析[14],计算中主要考虑岸坡消落带区域岩土体抗剪强度参数(黏聚力和摩擦系数)的劣化，分别考虑劣化程度为5%，10%，15%，20%，25%，30%共6种情况。

3.3 特征水位

由于地震作用的历时一般比较短，在计算过程中不考虑库水位升降变化影响，主要考虑145，156，162，175 m共4个稳态的特征水位。根据软件计算假定，计算过程中在坡体表面施加静水压力模拟库水压力。

3.4 地震作用计算方法

采用极限平衡分析软件Geo-slope进行地震作用计算分析，主要考虑水平方向地震作用。由于相关边坡规范中关于地震作用动态分布系数没有明确说明，根据以往计算经验，参考《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000)[18]中土石坝抗震计算动态分布系数取值方法进行考虑。

4 计算结果分析

计算时，分别进行浅层搜索滑带和堆积体基伏界面滑带破坏的稳定性分析。由于搜索滑带滑动面呈圆弧形，故在Geo-slope软件计算时使用摩根斯顿普赖斯法(Morgenstern-Price)得到边坡稳定性安全系数。基伏界面滑带滑动面呈非圆弧形，故在Geo-slope软件计算时使用简布法(Janbu)得到边坡稳定性安全系数。将安全系数曲线进行整理，并统计搜索滑带的失稳破坏区域。

145，156，162，175 m特征水位时，不同级别地震作用下，该岸坡深层指定滑带和浅层搜索滑带的安全系数计算结果分别如图2、图3所示，搜索滑带的失稳破坏区域统计如图4所示。

图2 不同特征水位时深层指定滑带安全系数曲线Fig.2 Curves of safety coefficient of specified deep slip zone at different characteristic water levels

图3 不同特征水位时浅层搜索滑带安全系数曲线Fig.3 Curves of safety coefficient of searched shallow slip zone at different characteristic water levels

图4 不同特征水位时浅层搜索滑带分布Fig.4 Distribution of searched shallow slip zone at different characteristic water levels

上述不同特征水位下的计算结果表明，随着地震加速度的增大和岸坡岩土体抗剪强度参数劣化程度的增加，岸坡的稳定性逐渐减低，并逐渐出现局部和整体失稳破坏现象，具体统计计算结果如表2所示。

综合图2—图4和表2可以看出：

表2 不同特征水位临界失稳状态计算结果比较Table 2 Comparison of calculation results of criticalstate under different water levels

(1) 不考虑岸坡岩土体抗剪强度参数劣化时，地震加速度分别为0.01g，0.02g，0.05g，0.10g时,在不同级别地震作用下，145，156，162，175 m 4种特征水位下，岸坡沿基伏界面深层滑带的安全系数分别为1.15～1.25，1.16～1.27，1.17～1.28，1.20～1.33；浅表层局部搜索滑带的安全系数相对较小，分别为1.03～1.13，1.08～1.19，1.10～1.22，1.16～1.30。比较而言，在各特征水位情况下，随着库水位的上升，岸坡的整体安全系数略有增加；随着地震加速度的增加，岸坡安全系数降低趋势明显，总体变化趋势一致。

(2) 考虑岩土体抗剪强度参数劣化效应之后，岸坡的抗震能力逐渐降低。在145 m库水位时，其中，当岩土体劣化程度为5%时，0.10g地震作用下，岸坡浅表层有局部失稳的可能性；劣化程度为15%时，0.05g地震作用下，岸坡可能出现浅表层局部破坏；劣化程度超过20%时，0.01g和0.02g地震作用下，岸坡均可能出现浅表层局部破坏；同时，劣化程度超过25%时，0.05g和0.10g地震作用下，岸坡有可能沿着基伏界面出现深层滑动破坏。

在156 m库水位时，当岩土体劣化程度达到10%时，在0.10g地震作用下，岸坡浅表层很有可能出现局部失稳破坏；劣化程度为20%时，0.05g地震作用下，岸坡边坡也可能在浅表层发生局部破坏；劣化程度超过25%时，0.01g和0.02g地震作用下，岸坡均可能出现浅表层局部破坏；同时，劣化程度超过25%时，0.10g地震作用下，岸坡有可能沿着沿基伏界面出现深层滑动破坏。

在162 m库水位时，当岩土体劣化程度达到20%时，0.10g地震作用下，岸坡的局部失稳破坏可能发生在浅表层；劣化程度在30%，0.05g地震作用下，岸坡浅表层可能发生局部破坏；劣化程度超过30%时，0.10g地震作用下，岸坡有可能沿着基伏界面出现深层滑动破坏。

在175 m水位时，只在岩土体劣化程度>30%时，0.10g地震作用下，岸坡浅表层可能发生局部破坏。

(3) 不同级别地震作用下，随着岸坡岩土体抗剪强度参数劣化程度的增加，岸坡堆积体中下部可能出现局部失稳破坏，145，156，162，175 m 4种特征水位下，最危险滑带前缘高程为36.00 m，后缘高程分别为180.37～182.00，183.38～184.52，186.54～187.38，191.52 m。比较而言，随着地震级别的增加，局部失稳区域的后缘高程略有增加，随着库水位的上升，库岸浅表层不稳定区域滑带后缘有上移的趋势。

5 结论及建议

(1) 在各特征水位情况下，随着库水位的上升，该岸坡的整体安全系数略有增加；随着地震加速度的增加，岸坡安全系数降低趋势明显，总体变化趋势一致。

(2) 不同特征水位时的抗震分析表明，该边坡浅表层搜索滑带的安全系数明显低于基伏界面深层滑带的安全系数，说明在地震作用下，岸坡堆积体中下部发生浅表层局部破坏的可能性较大。当地震等级较大时，可能会先沿浅表层发生局部破坏，再沿基伏界面发生整体滑动。其中，浅表层不稳定的区域主要分布在36.00～191.52 m高程之间。随着库水位的上升，岸坡不稳定区域的后缘高程逐渐上升，但是上升幅度不大，总体在10 m左右。

(3) 水库地震和水-岩作用等各种因素导致的岸坡岩土体物理力学特性劣化，不仅会影响其长期抗震性能，也会影响边坡岸坡在其他工况下的变形稳定情况。因此，在不同工况下对库岸边坡稳定性评价时，均应该考虑岸坡岩土体物理力学特性的长期劣化效应。

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Seismic Behavior of a Typical Bank Slope of Three Gorges Reservoir inConsideration of Degradation of Rock Mass Mechanical Properties

WANG Chen-xi-jie, DENG Hua-feng, ZHANG Heng-bin, FANG Jing-cheng, XIAO Yao

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

After water impoundment in the Three Gorges Reservoir, the physical and mechanical properties of bank slope rock mass have inevitablely deteriorated under the influence of many factors such as dramatic water level fluctuation, rainfall, and low strength earthquake of high frequency, which directly affects the deformation stability of reservoir bank slope. In view of this, we analyzed and assessed the seismic behavior of a typical reservoir bank slope of Three Gorges Reservoir in consideration of the degradation of rock mass shear strength parameters. Results show that for the studied bank slope, 1) under different characteristic water levels, the global safety factor of slope increased slightly as water level raised, but reduced apparently as earthquake acceleration increased; 2) at all levels of earthquake action, the anti-seismic capacity of bank slope gradually reduced in the presence of degradation of shear strength parameters, with possible local instability in the mid-lower part of slope accumulation body; and as water level raised, the trailing edge of unstable region gradually raised. The research ideas and achievements offer reference for the stability evaluation and reinforcement of reservoir bank slope.

Three Gorges Reservoir; reservoir bank slope; reservoir earthquake; degradation of parameters; seismic behavior

2016-09-18；

2016-10-15

国家自然科学基金项目(51679127)；国家自然科学基金重点项目(51439003)；湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA140)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201401029)

王晨玺杰(1992-)，男，湖北神农架人，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail:350043768@qq.com

邓华锋(1979-)，男，湖北宜都人，教授，博士，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail:dhf8010@ctgu.edu.cn

10.11988/ckyyb.20160959

P642

A

1001-5485(2018)01-0112-05

(编辑：罗 娟)