猴山水库左岸边坡崩塌变形破坏特征研究

汪庆一

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

狗河发源于绥中县西北部山区，是绥中县较大的独流入海山溪河流之一。建设猴山水库是为解决绥中西部发展，特别是绥中滨海经济区建设和发展的水资源问题。但是，在水库建设中，经常遇到崩塌的情况，严重威胁到施工人员的安全和后期水电站的正常运转。因此，对崩塌进行研究具有重要意义。目前有较多的专家学者对崩塌进行了研究[1-6]，主要集中在崩塌破坏方式、运动轨迹等方面，而对崩塌变形内因进行研究的较少。本文以猴山水库为例，对其左岸边坡崩塌变形的机理及失稳模式进行研究分析。

1 工程概况

猴山水库位于绥中县范家乡境内，坝址位于狗河中游范家乡薛家村赵家店屯北。猴山水库设计总库容1.02亿m3(大Ⅱ型)，防洪库容2230万m3，兴利库容8190万m3。将修建溢洪道，长度300 m；浆砌石重力坝，坝长310 m，最大坝高43.5 m。重力坝分挡水、溢流两部分，大坝中间为溢流部分共分九孔，总长124 m，每孔净宽12 m，每孔设弧形钢闸门。大坝右侧设输水洞，其洞径2.0 m。

水库坝址区为梁山组和韩家店组粉砂质粘土岩，山体陡峭，除S1sh及O2sh＋b层以中硬的灰岩、砂岩为主外，其余各层主要为页岩、粘土岩及泥质粉砂岩，岩石软弱，易风化，其中，两岸强、弱风化层厚5 m～17 m，河床强、弱风化层厚6 m～10 m。在水库施工过程中，左岸边坡产生崩塌，崩塌源高约10 m，宽约9 m，平均厚约1 m～3 m。崩塌规模约180 m3。严重威胁到施工人员的安全和后期水电站的正常运转。崩塌前、后现场照片见图 1、图 2。

图1 崩塌前边坡全貌

图2 崩塌后边坡全貌

2 基于非连续变形分析（DDA）的崩塌失稳模式及运动特征的数值模拟

石根华博士提出了（DDA）数值模拟方法，广泛应用于非连续变形分析。关于DDA方法在实际问题上的应用，更多的成果是利用DDA方法进行岩体成因机理、非连续变形特征、运动特征的分析[7-9]。

DDA适用于岩体非连续变形特征和破坏模式的分析，利用DDA可以有效模拟不同工况下危岩体的破坏模式和变形失稳特征。

（1）模型的建立和参数选取

根据崩塌的典型工程地质剖面图，建立数值模拟模型。研究区主要发育四组节理，①层面：43°∠25°，②构造裂隙:302°∠77°，③卸荷裂隙：52°∠76°～83°，此外在岩层中发育一条拉裂缝（④）。为提高运算速度，除崩塌体外其它岩层可作为一个整体来计算。

在崩塌源中布置P1-P3三个监测点，位置分别位于顶部，底部前缘，岩桥段中部，见图3。

计算时步取22000步，每时步的时间为0.01s～0.1s。

图3 边坡剖面及概化数值模型

各岩层及节理的参数选取见表1。

表1 模型各元素参数取值表

（2）模型结果分析

数值模拟过程重现了本次崩塌的变形失稳模式和运动过程，对其过程分解见图4。

图4 崩塌演化过程

a.当模拟进行到第500时步，崩塌体底部强度较低的岩体受挤压开始出现临空面变形，表明上部岩体对底部岩体压力增大，底部软岩难以支撑开始向外鼓胀，上部岩体应力逐渐增大。

b.当模拟进行到第720时步，底部岩体出现明显变形，支撑力剧烈降低。上部岩体应力增大超过其抗拉、抗剪强度，产生拉剪破裂，岩体连接部位产生裂缝。

c.当模拟进行到第1940时步，受挤压的软弱岩体脱离母岩，向临空面抛出，沿坡面向坡脚运动。上部岩体由于失去了下部软岩的支撑，向下错断，撞击坡面，开始破碎解体向坡脚运动。

d.当模拟进行到第22000时步，岩体停止运动，堆积于河床部位。

3 成因机理及失稳模式分析

根据现场调查和数值模拟分析，控制该崩塌发生的主要因素为底部软岩和上部岩桥。

崩塌体上部岩体强度较高、下部岩体强度较低。软岩在上部岩体的挤压和长期的风华博士作用下，强度逐渐降低，产生向临空面方向的溯流。底部软岩的溯流导致上部岩桥应力集中，逐渐产生拉张裂缝，这种裂缝的特征为下部宽上部窄。在时间的累积作用下，拉裂缝逐渐向上发展，崩塌源与母岩接触位置逐渐减小直至全部贯通，与母岩分离产生崩塌。

在发生崩塌之前，该地区产生了连续的降水，雨水的入渗对崩塌稳定性的影响主要集中在三个方面：①雨水入渗使岩土体重量增大，上部岩体对下部岩体的压力增大。②雨水入渗造成下部软弱岩体的强度明显降低，更难以抵抗上部岩体的压力。③雨水沿已经贯通的结构面下渗，会产生动水压力和静水压力，加剧上部卸荷裂隙的扩张；同时雨水入渗会造成岩体和结构面强度降低，岩桥部位岩体强度降低会更加促进崩塌源向下运动变形。

边坡岩体倾向下游，下游岩体对上游岩体有支撑作用。因此，应力集中在下游部位岩桥处，岩桥部位较为薄弱，控制了崩塌的产生。在雨水、自重、上部岩体的压力作用下，岩桥部位首先产生破坏。下游部位岩桥断裂和底部岩体受挤压变形，造成上游部位岩桥位置应力集中，也产生断裂变形，崩塌源完全脱离母岩，向下错落。因此，岩体在向坡脚运动过程中失去了侧向支撑力，崩塌体会向下游侧运动。

因此，诱发此次崩塌的主要因素为：自重、雨水入渗、岩体质量（软弱岩层）。崩塌源底部的软弱岩体控制了岩土体的长期缓慢变形，促进岩桥部位逐渐减小，同时岩桥部位减小也会加剧底部软岩的变形；同时雨水下渗直接导致了本次崩塌的发生，雨水入渗造成岩体强度、结构面强度急剧降低，底部软岩强度降低会加剧变形的发生，上部岩桥应力急剧上升，当应力大于能抵抗强度时，岩桥错断，岩体整体下座。

4 结论

（1）崩塌产生时，首先产生破坏的是边坡下游侧强度较低的薄弱岩体，接着上游侧底部岩体受挤压产生向坡体外侧的鼓胀变形，进而上游侧岩体产生整体破坏，向下游倾倒坠落；向下坠落过程中下部软岩受挤压向外抛出。破坏岩体向河流下游侧运动。

（2）通过DDA数值模拟分析，对该崩塌的产生过程和运动轨迹进行模拟重现。雨水入渗造成上部岩体自重增大，底部软岩强度、岩桥强度急剧降低，难以抵抗上部岩体的重量，变形迅速增大，岩桥部位应力集中大于岩体强度，岩桥断裂，崩塌体与母岩完全脱离，导致崩塌的产生。

（3）降水、地下水入渗是造成崩塌产生的主要因素。因此，在生产中应注意防范降水、地下水等对工程体的影响。