某水库工程边坡稳定分析

帕尔哈提·艾则孜

（新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

克拉玛依市位于我国西北部边陲，常年干旱缺水、人民群众引水困难，水资源短缺严重制约了地区经济发展。为了缓解当地人民群众缺水现状，保障地区工业发展需水和进一步促进当地社会经济的发展，在准格尔沙漠北部，开工建设了一座以农业灌溉和工业供水为主、兼顾防洪的具有综合开发任务的小（1）型水利枢纽工程。水库建成后，将年新增工业及城镇生活供水水量1611万m3，年保障农业灌溉供水量3964.72万m3，调蓄洪水可将水库下游的防洪标准由目前的不足5年一遇提高到10年一遇，减少洪水对下游的危害，同时将有效满足新增工业供水的需求，为新型工业化建设提供水资源保障。该水库两岸山体陡峻，开挖难度大，易产生滑坡坍塌等边坡地质灾害。本文针对工程不同部位边坡的特性及破坏型，采用弹塑性有限单元法对具有代表性的大坝左岸边坡开挖施工过程进行仿真模拟。

1 边坡地质条件

水库坝址区为地质条件为粉砂质粘土岩，山体相对平缓，岸坡一般25°～35°，材料分区从上到下依次为P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，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P1m、P1q层中，据地质测绘与调查，两岸地表长大裂隙共计135条。长度一般为10 m～30 m，大于30 m的占极少数，其发育方向主要有两组，即 270°～300°，301°～330°组。多为陡倾角裂隙，溶蚀、卸荷张开，裂隙优势走向与谷坡走向近平行，卸荷作用明显。

2 边坡稳定性分析

边坡稳定分析方法较多，一般根据边坡类型、滑移机制、边坡变形与稳定控制要求等进行选择。针对工程不同部位边坡的特性及破坏型式，大坝区边坡岩体上硬下软，采用弹塑性有限单元法对水库大坝左岸边坡开挖施工过程进行仿真模拟，对边坡的应力状态、变形及屈服情况进行分析；同时，采用离散单元法对可能的失稳破坏模式进行分析，并对其整体稳定性及局部稳定性进行评价。

2.1 弹塑性有限单元法边坡稳定分析

2.1.1 荷载

a.边坡岩体自重；

b.开挖过程中的荷载：由开挖卸荷产生。

水库工程区域构造应力较低，初始应力主要由自重产生，所以初始应力场按自重进行模拟。区域天然情况地下水较低，对边坡稳定分析时未考虑地下水的影响。

2.1.2 岩体力学参数

计算中所用到的岩体力学参数采用现场工程地质勘查报告中的数据，卸荷带岩体力学参数按卸荷带外岩体的0.6倍进行计算[1-2]。岩体材料的本构关系采用Drucker-Prager准则。计算断面内材料分区从上到下依次为P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，各岩层靠近临空面附近均存在一定范围的卸荷带。

因为斜坡表面附近相对松散的块基本上在挖掘范围之内，这些松散块的局部稳定性在计算模型中不被考虑，而被认为是均匀连续体。整个计算与边坡的整体稳定性有关[3]。

2.1.3 计算工况

选择大坝左岸边坡断面进行计算，按照天然情况（自重应力场）及边坡开挖，不考虑系统锚固措施两个工况进行应力模拟分析。

2.1.4 计算结论

a.边坡岩体的位移场主要是由开挖应力释放和调整引起的。开挖完成后最大水平位移3.8 cm，位于464.0 m高程；最大铅直位移3.1 cm，位于428.00 m高程。位移矢量见图1。

图1 开挖后位移矢量

b.开挖完成后位移矢见图1，垂直开挖附近的主应力（第一主应力）方向接近于垂直开挖方向，主压力应力方向改为拉伸应力方向，主要的拉伸应力为0到0.90 MPa。二次主应力（第三主应力）方向接近平行开挖面方向，基本处于压应力状态。在边坡开挖台阶的拐角处，应力集中程度不同，地表附近的最大压力应力值约为3.4 MPa。

c.在自重作用下边坡在坡脚部位具有一定范围的压剪屈服区（见图2），开挖后屈服区分布见图3。与自重情况相比，在坡脚部位屈服区往深度方向有一定程度的发展，但各级坡均未现贯通屈服区，因此，边坡整体是稳定的且有一定安全余度。

图2 自重工况屈服区

图3 开挖后屈服区

2.2 离散单元法失稳破坏模式分析

2.2.1 模型概化

根据岩体的统计参数、层间位错和裂隙，将边坡岩体划分为块体，构成离散单元的计算网格。块通过切线、正常Springs、切线和普通阻尼器连接。块的力的大小和方向是由块的相对位置和运动决定的[4]。

考虑到实际裂缝分布具有一定的连接率，离散单元法将边坡划分为连接率为100%的单元[5]。因此，应考虑单元的结构面参数的实际连接率，并选择岩体的加权平均值和结构面参数。考虑到岩体一旦产生滑动粘结强度，其内聚度取结构面本身的值，通过加权公式减小强度指数f：

式中：f为加权后的结构面强度指标；f1为岩体强度指标；f2为结构面强度指标；Φ为连通率。

按上式取75%的连通率根据岩体结构面抗剪强度进行概化得到计算中使用的岩体结构面抗剪强度参数。

裂隙的线刚度无实测值，根据经验选取块体之间弹簧的法向和切向线刚度均为10 GPa。

2.2.2 开挖边坡安全系数定义

分析开挖边坡稳定安全性的方法如下：模拟边坡在自重及开挖卸荷作用下稳定后，按比例降低结构面抗剪强度，直到边坡有比较大的滑坡或特别大的位移发生，据此来评价边坡的稳定安全性。可以定义边坡的稳定安全系数如下：

式中，fcr、ccr为结构面的临界摩擦系数和凝聚力；f、c为结构面的初始摩擦系数和凝聚力。

离散单元法尚无可遵循的规范，其安全系数的定义不同于刚体极限平衡法，故其对边坡的稳定性评价亦不能套用极限平衡法允许的抗滑稳定安全系数。

2.2.3 计算网格

据该断面所揭示的断层、层间错动、层面及相对发育的节理裂隙进行网格划分。图4网格较密，表示节理裂隙十分发育；图5网格稀疏近一倍，表示裂隙节理不十分发育，或边坡经加固后岩体完整性得到提高。

图4 离散元密网格

图5 离散元稀网格

2.2.4 计算成果

a.当节理裂隙十分发育时，左岸边坡的稳定安全系数不小于1.25。对于节理裂隙不十分发育，或边坡经过支护加固处理岩体完整性得到提高后，左岸边坡的稳定安全系数达到2.5以上。

b.开挖边坡与自然边坡的稳定安全系数基本相同，均不小于1.25。在边坡结构面抗剪强度降低到临界值以下时，下部软岩的开挖引起坡脚滑动。因此，对上部已开挖边坡必须支护完毕后才能对下部软岩进行开挖。

c.在边坡结构面抗剪强度降低到临界值以下时，边坡发生浅层滑动失稳，深层岩体仍保持稳定。失稳破坏形态见图6和图7。

图6 密网格结构面强度降至初始值0.6倍破坏形态

图7 稀网格结构面强度降至初始值0.4倍破坏形态

3 结论

弹塑性有限单元法对边坡开挖施工过程进行仿真模拟，对边坡的应力状态、变形及屈服情况进行分析：边坡岩体的位移场主要是由开挖引起的应力释放和调整引起的。开挖完成后，开挖面附近的主应力方向接近竖直开挖面的方向，主应力的局部方向由主应力方向向主拉应力方向变化。亚主应力方向接近平行开挖面方向，基本处于压应力状态。在边坡开挖台阶的拐角处，有不同程度的应力集中。在自重作用下边坡在坡脚部位具有一定范围的压剪屈服区，与自重情况相比，在坡脚部位屈服区往深度方向有一定程度的发展，但各级坡均未现贯通屈服区，因此，边坡整体是稳定的且有一定安全余度。

采用离散单元法对可能的失稳破坏模式进行分析，并对其整体稳定性及局部稳定性进行评价：当节理裂隙十分发育时，左岸边坡的稳定安全系数不小于1.25。开挖边坡和自然边坡的稳定安全系数相当，左岸自然边坡的稳定安全系数不小于1.25。在边坡结构面抗剪强度降低到临界值以下时，下部软岩的开挖引起坡脚滑动。因此，对上部已开挖边坡必须支护完毕后才能对下部软岩进行开挖。在边坡结构面抗剪强度降低到临界值以下时，边坡发生浅层滑动失稳，深层岩体仍保持稳定。