开阳县那卡河水库工程库岸边坡破坏形式及稳定性分析

兰绍华

开阳县那卡河水库是贵阳市水资源综合利用与开发规划的重点水源点之一，位于开阳县永温乡。水库所在河流为那卡河，为乌江一级支流。水库大坝距开阳县永温乡政府所在地3.8 km，距开阳县城区15 km。水库区河流为山区型河流，两岸山体雄厚，河谷狭窄深切，相对高差为200 m～300 m，岸坡地形坡度较陡，河谷走向大多一致，总体走向近北南向，与岩层走向近于平行，多为走向谷。河床高程为949 m～1016 m，纵坡降为16‰，河床宽20 m～40 m，河槽两岸地形坡度一般为50°～85°，河谷横断面多为“V”型，局部河段河谷两岸为陡立的箱型谷水库所在地两侧山体陡峻，通过采用有限元法对具有代表性的水电站左侧边坡进行数值模拟，了解边坡的受力状态、破坏机理及稳定性，为工程安全评价提供参考。

1 计算模型

根据工程现场地质勘察报告，建立坡面网格模型。分析采用平面应变的模式，右侧边界选取河床中心位置，左侧距离右侧长604 m，底部边界取为河床以下120 m。范围大于6.1的分析边界和界限，采用6节点的三角形单元，共有5990个单元，12244个节点，采用上述方法生成的空间模型见下图。（泥岩的层面按实体单元考虑，灰岩的层面按接触面进行模拟）

图1 上游剖面计算模型

2 约束条件和初始条件

模型坡面假设为自由边界，底部为固定约束边界，两侧为单向边界。在应力初始条件下，忽略构造应力的影响（现场地质勘察的钻孔未出现饼状岩芯，且地下有溶蚀现象，河谷深切，岩体卸荷作用充分，几乎无构造应力影响），只考虑自重应力和水压力。地下水位、静水压力保持不变，静水压力云图见图2。孔隙水压力基本上和水位线高度成正比。

图2 孔隙水压力分布图

3 岩土体物理力学性质的输入参数

分析中，对于泥岩夹层，采用实体模拟，对于硬质结构面，采用接触面的分析方式，岩体力学参数见表1。

表1 岩土力学参数

4 数值模拟过程与分析结果

按照上述假设约束条件与初始条件，输入岩体力学参数，进行本构模型为Mohr-Coulomb模型的弹塑性求解，直至系统达到平衡，然后进行开挖分析。

4.1 位移场规律分析

从边坡的水平位移云图来看，边坡位移计算值与现状的静止条件不一样，但从变形趋势特征、机理上和现状边坡是一样的，边坡前部位移最大；边坡的铅垂方向位移云图与整体位移云图相似、数值相近；边坡前部受裂隙及软弱层面的影响，有更大的位移。而最大水平位移则出现在边坡前部，亦是受裂隙及软弱层面的影响；在边坡的中下部，即位于泥岩层位的下部，水平位移呈“同心圆”状逐渐减小向四周扩散，表明该地段岩体水平向变形突出，会朝临空方向变位，临近边坡坡面的位置，这种变形受层面的影响有扩大的趋势。同时由于软弱层面和硬质结构面（层面）的存在，使得各层之间的位移并不连续，也反映出软弱夹层岩体边坡的差异变形特征。

“同心圆”区域位于边坡中下部，该边坡水平因卸荷而产生的回弹效应最明显；同时，后部边坡形成的“高差”也会形成加载，加大该部位岩体的变形。受裂隙及软弱层面的影响，同心圆在坡面位置出现发散增大现象，且因为坡度问题，水平位移和竖直位置在一个量级，也反映了边坡变形受层面影响的特点。

图3 现状阶段水平及竖直方向位移云图

4.2 应力场规律分析

①从边坡主应力云图（图4拉应力为负，压应力为正）来看，在坡体的上部，表现为以压应力为主，与高度基本上呈正比的关系，基本上平行。随着泥岩层面和硬质结构面（层面）及地形的变化，边坡的第一主应力的等值线变得不在连续，出现围绕结构面呈锯齿状的应力分布。另外，在边坡的表层，由于卸荷和结构面的影响，主应力与边坡的地形关系较大，主应力方向基本上平行坡体，且第一主应力出现调整，与边坡的高度关系不明显。

②图5显示的第三主应力沿边坡坡面无大的应力集中，主应力等值线平滑，几乎相互平行，很少出现突变，仅在岩泥层面和硬质结构面附近产生不甚明显的应力集中效应，这表明边坡整体几何形态（坡度变化小）有效降低了边坡的应力集中程度，另外在坡顶出现一些的拉应力分布区，在坡脚位置未出现拉应力分布区。

图4 第一主应力云图

图5 第三主应力云图

4.3 塑性区分布规律分析

①从塑性区及塑性剪应变图（图6）中可以看出，剪切塑性屈服区域分布于坡脚及泥岩层面附近。在边坡顶部、泥岩层面附近均产生了局部的拉伸屈服区，拉伸屈服容易产生拉裂缝。塑性区未贯穿坡体，表明边坡仍处于稳定状态。但是可以看出，在泥岩层面出现塑性区贯穿坡体的情况，而在坡脚的剪切区还未连接起来，说明边坡的破坏趋势是沿着层面经坡脚剪切破坏。

从最大剪应变的分布可以看出，其与最大剪应力的分布基本上一致。

②图7为硬性结构面（层面）的屈服及变形情况，深红色部分表明硬性结构面（层面正发生剪切屈服（坡脚位置的结构面），且可以看出，硬性结构面（层面）总体上均有向下的位移，表明边坡容易在硬性结构面（层面）周围形成剪切应力带，并在坡脚位置累积剪切应变。

③图8为硬性结构面（层面）位移和应力分布图，从结构面正应力的分布来看，在坡脚的正应力最大，在坡体中部和上部的正应力较小，表明在坡脚容易产生应力集中现象。从结构面剪应力的分布来看，在坡脚的剪应力最大，在坡体中部和上部的剪应力逐渐变小，表明在坡脚容易产生剪切应力集中现象，并由上至下逐渐累计。从结构面剪应力和剪切位移的关系来看，在坡脚产生了剪切位移，而在坡中部和顶部未产生剪切位移（或者非常小）。

图6 上游边坡的塑性区及塑性剪应变

图7 硬性结构面（层面）屈服及变形情况

图8 边坡硬质结构面（层面）位移和应力分布图

5 有限元强度折减系数法的边坡稳定分析

运用有限元强度折减系数法将边坡强度系数折减后，此时边坡内将出现一塑性区，塑性应变等值示意图如图9所示。等值线脊部的连线，为边坡破坏时的滑动面。

图9 边坡塑性应变等值示意图

从图10可以看出，运用强度折减法，边坡的整体稳定性系数，在正常运行工况下的稳定性系数为1.27，折减后的稳定性系数高于对应极限平衡法稳定性系数1.147，说明两者的计算理念不同，也说明摩根斯顿－普赖斯法是极限平衡法中的下限解。其破坏模式为沿着浅部的泥岩层面产生塑性剪切屈服，并顺着层面滑动，并在坡脚岩体内部产生剪切破坏。从图11可以看出，其破坏时的屈服区分布是在坡脚和泥岩层面位置均产生剪切屈服区，在泥岩层面的顶部坡脚位置也出现拉应力屈服区。从图12可以看出，其破坏时的变形特征为：以坡体沿着层面滑动，并在坡脚位置剪出。

图10 上游剖面的最大塑性剪应变分布图

图11 上游剖面的屈服分布图

图12 上游剖面的变形图

6 结论

采用有限元法对具有代表性的水电站一侧边坡进行数值模拟，分析边坡位移、应力和塑性区分布情况及内在变形破坏机理，采用有限元强度折减系数法对水电站边坡在正常运行工况下的边坡进行稳定性、破坏模式进行分析。边坡的整体稳定性系数，在正常运行工况下的稳定性系数为1.27。其破坏模式为沿着浅部的泥岩层面产生塑性剪切屈服，并顺着层面滑动，并在坡脚岩体内部产生剪切破坏。破坏时的屈服区分布是在坡脚和泥岩层面位置均产生剪切屈服区，在泥岩层面的顶部坡脚位置也出现拉应力屈服区。破坏时的变形特征为：以坡体沿着层面滑动，并在坡脚位置剪出。