西部某水电站导流明渠边坡倾倒变形现象研究

庄冬梅，邹 浩，陈金国，毛 帅，张 攀

(湖北省地质局第三地质大队， 湖北 黄冈 438000)

我国水力资源分布不均，西部更为丰富[1-2]。随着人类工程活动的日益扩大，倾倒变形在岩质边坡发生的次数日益增多，成为水电工程中日益凸显的重大工程地质问题之一。倾倒破坏是一种典型的岩质边坡破坏模式，广泛发育于各类工程如水利水电工程边坡、公路边坡及采矿边坡等[3]。近几年，国内不同行业的研究者针对不同类型的岩质边坡倾倒变形做了大量的探索性研究工作。刘海军等[4]在层状岩质边坡倾倒变形破坏地质现象调查分析和模拟试验的基础上，借用物理学概念定义了边坡倾倒变形角位移。赵华等[5]基于地质认识及相似理论建立边坡物理模型，研究反倾岩质边坡倾倒变形的演化过程。杨建成等[6]通过在DDA方法中引入虚拟节理和真实节理的概念，用真实节理表征岩体中已经存在的天然节理。曾海艳等[7]根据格里菲斯断裂理论，对多种节理组合块体开展了静动力算例验证工作。其他众多研究者针对反倾岩质边坡变形影响因素、破坏机理等[8-18]进行了相关研究。本文旨在通过选取一处典型倾倒变形边坡借助多种手段进行变形破坏特征分析，为今后该类型的边坡防治提供一定参考。

1 导流明渠边坡工程地质条件与变形破坏特征

1.1 工程地质条件

(1) 坝址区基本工程地质条件。坝址区所在河段两岸，河谷为“U”型谷，切割较深。两岸斜坡地貌特征呈上缓下陡，整体坡度约40°。岩性为T3j1的硅质板岩、石英片岩，层面倾角约55°且与岸坡小角度相交。

(2) 坝址区地质平面图。图1表示坝址区相关地质要素，河流右岸为发生倾倒变形现象的导流明渠边坡，边坡范围为图中黑色线圈范围部分。

图1坝址区地质平面图

(3) 导流明渠边坡全景图与典型局部特征图。导流明渠边坡在坡体开挖之前已出现较为明显的倾倒弯折现象。图2、图3分别表示开挖前导流明渠边坡全景及局部倾倒变形特征。

1.2 变形破坏特征

导流明渠逐步开挖，边坡伴随开挖变形破坏现象明显，多条裂缝出现在边坡不同部位(见图4、图5)，共发育约40条。裂缝长度长短不一，最长一条约30 m，宽度一般3 cm左右，间断发育。

图2 开挖前导流明渠边坡全景

图3开挖前坡体倾倒变形特征

图4坡顶裂缝发育情况图5坡体裂缝发育情况

2 基于克里金插值法边坡监测位移变化规律分析

2.1 位移监测方案

沿河流方向，在导流明渠边坡变形区域设置3条监测剖面，编号为1—3，一共18个监测点(TP1—TP18)。每条监测剖面均包含6个监测点，具体布置位置见图6。

图6导流明渠边坡支护完成位移监测布置图

基于ArcGIS软件(克里金插值法)，通过获取的18个监测点位移数值，揭示坡体位移变化特征。

2.2 监测位移插值分析

(1) 水平方向监测位移插值分析。通过图7、图8云图特征分析：坡体变形经历了由初期的蠕变到后期的加速变形，坡体表面位移总体呈现中部逐渐增大的趋势。监测时间节点显示：TP12—TP16之间的区域变形异常，数值变化较大。

图7 1月26日监测位移云图

图8 2月9日监测位移云图

(2) 竖直方向监测位移插值分析。通过图9、图10云图特征分析：坡体变形经历了由初期的蠕变到后期某一时刻的加速急剧变形，坡体表面位移总体呈现上部、中部增大较为明显的趋势。监测时间节点显示：TP10—TP16之间的区域变形异常，数值变化较大。

图9 1月26日监测位移云图

图10 2月9日监测位移云图

(3) 监测位移插值结果综合分析。综合分析水平、竖直位移云图：TP10—TP16之间区域为边坡变形破坏集中部位。总体变化规律为：变形初期，位移较小，呈蠕变状态；随着时间推移，边坡上部，周围区域的位移增大趋势明显高于其它区域。

3 基于UDEC边坡变形破坏演化规律分析

通用离散元程序(Universal Distinct Element Code, UDEC.)用于模拟并处理非连续介质的程序，主要考虑在荷载作用下的若干响应，实际工程中遇到的各类结构面均能用该软件进行处理。本文结合工程实际，考虑了三种工况，通过选定合适的参数，模拟了导流明渠边坡倾倒变形破坏，借助不同类型的数值图形成果，揭示了变形破坏规律。

3.1 模型建立及参数选取

(1) 建模过程

① 概化地质模型：根据资料确定边坡计算模型：宽373 m，高159 m，具体见图11。本构模型选取Mohr-Coulomb。采取喷射混凝土+锚杆(索)的支护措施。边界条件设置为：x、y方向的速度均为0。

图11概化后数值计算模型

② 计算工况：考虑天然工况、开挖工况、支护工况。

(2) 参数选取

① 结合规范并参考试验成果确定岩体及结构面力学参数。具体见表1。

②参考规范选取喷射混凝土相关力学参数，具体取值见表2、表3。

表1 岩体及结构面力学参数

表2 喷射混凝土力学参数

表3 岩体和喷射混凝土接触面力学参数

3.2 成果分析

针对坡体开挖前、开挖完成、支护完成三种工况，选取位移矢量、坡体X、Y方向位移进行倾倒变形边坡模拟结果分析。

(1) 位移矢量图。边坡开挖位移矢量见图12。

边坡在三种工况下，变形先加大后变小，最终趋于完全稳定。整个变化过程，坡体变形主要发生在浅表层，上部趋于变形更为明显，开挖导致整个坡体均出现不同程度地变形破坏。

(2) 坡体X、Y方向位移云图。坡体X、Y方向位移云图见图13。

伴随支护完成，边坡趋于稳定，X、Y方向位移均不再增大。

4 导流明渠边坡变形特征时空演化规律分析

4.1 基于监测位移分析成果的位移变化特征分析

根据监测成果将坡体分为4个区：破坏区、影响区(上游、下游、后缘)。

I区：根据变形破坏特征可划分为三个不同因素引起的变形区域，分别为：由于卸荷变形引起破坏的I1区，由于倾倒弯折引起破坏的I2区，由于剪切变形引起破坏的I3区。II区：边坡稳定性总体较好。III区：边坡稳定性总体较差。IV区：边坡在该区域呈现强卸荷弱风化的地质特征，存在进一步变形破坏的趋势。

4.2 基于UDEC分析成果的位移变化特征分析

UDEC位移监测点与实际剖面设置的移监测点进行对比分析，UDEC模拟所取剖面对应位移监测布置方案中1-1剖面。

(1) 开挖前X位移变化特征分析。图14监测曲线显示：除TP2外其余监测点均存在大小不一的位移数值，表明该边坡在坡体开挖之前已发生一定程度变形。根据图形显示成果推测，边坡变形主要发生在浅层。

(2) 开挖完成X位移变化特征分析。图15监测曲线显示：监测点尚存一定数值的位移，表明开挖完成边坡变形尚未完成，上部区域仍然处于变形阶段。

(3) 支护完成X位移变化特征分析。图16监测曲线显示：曲线呈收敛状态，支护完成边坡整体趋于稳定。

图12 位移矢量图

图13 支护完成X、Y位移云图

图14 开挖前X方向位移图

图15 开挖完成X方向位移图

图16支护完成X方向位移图

5 结 论

(1) 边坡岩性为板岩，层面倾向坡内，岩层弯折发生倾倒变形。

(2) 针对实际情况，选取三种数值模拟工况。模拟结果显示边坡经历由开挖之前存在一定变形，到开挖完成变形逐渐增大，到支护完成变形终止三阶段。分析可知边坡天然工况已存在局部不稳定，开挖加剧变形，通过支护使坡体稳定。

(3) 监测结果与模拟成果对应性较好，整个坡体变形呈现上部、中部偏大的趋势，支护工程加固了坡体，终止了倾倒变形的进一步发展。