大渡河长河坝边坡变形特征研究

但尚刚

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

在交通、矿产、水利等方面经常遇到边坡的变形问题。边坡变形将严重影响到工程的安全和正常使用，对生命财产问题产生极大的威胁。其中，水电边坡的变形和稳定性问题是工程研究的重点问题之一。水电的建设通常位于深山峡谷中，边坡高陡，开挖体积大，水电站所处位置通常地质构造活动较为强烈，地质结构极为复杂。边坡的长期变形和其稳定性问题将是影响水电站施工和后期正常运行的关键问题之一。许多专家学者在这方面进行了研究，宋胜武等[1]通过对我国西南地区水电站的实际调查，结合工程边坡目前已经取得的科研成果，总结了影响边坡稳定性的主要因素。认为分析边坡稳定性应从基本地质条件出发，结合实际地质构造，岩体质量，治理措施综合分析。研究成果在锦屏水电站适用良好。张菊连等[2]通过对水电边坡的分析和总结，选取了8个因素，使用多元回归方法对影响因素与边坡稳定性的联系进行研究，建立了评价边坡稳定等级的分级系统。杨海涛[3]通过三个步骤对特级水电站的高边坡进行稳定性评价，并使用可靠度理论确定安全性分级的安全性系数，经过反演分析适用性较强。杨亮、冯振、金海元等[4-7]通过各种技术边坡进行监测研究，分析了边坡在不同阶段的变形特征。通过总结分析，研究边坡在破坏前的变形特征，将监测结果与边坡破坏预警相结合。崔玉龙等[8]以西南某水电站为研究对象，通过Morgenstern-Price法对多个工况下边坡的稳定性进行了计算，认为边坡进行锚固后稳定性系数大于原始边坡，锚固在该水电工程中取得了较好的加固效果。张登顶[9]通过现场调查确定锦屏水电站基本地质条件的基础上，通过正交试验和物理模型试验研究边坡开挖过程的变形和时间的关系。采用数值模拟手段模拟了边坡变形破坏模式，对边坡的开挖和支护提出建议。本文在进行地质和监测资料收集整理的基础上对长河坝边坡的变形特征进行研究。

2 工程概况

长河坝水电站是大渡河流域开发的大型水电工程之一，地处四川省康定县境内，坝址区河谷呈“V”字型，边坡较为高陡。其中左岸边坡为50°～55°，右岸边坡为45°～50°，工程边坡最大高度达300 m。长河坝水电站坝体为堆石坝，坝顶高程为1697 m，最高度达240 m。正常蓄水位高程1690 m，水面宽509 m。该处岩体结构复杂，边坡稳定性问题较大。经过现场工程地质调查，为晋宁—澄江期的侵入岩，主要为花岗岩和石英岩，覆盖层厚度较大为65 m～75 m。区域内发育3条次级断裂和6条长大裂隙[10]，统计情况见表1～表2。

表1 次级断裂情况统计

表2 长大裂隙情况统计

3 边坡数值模拟分析

通过边坡实际情况，建立如图1(a)所示的概化计算模型。在边坡表层和坡体内部均设置监测点已监测坡体的变形、应力的变化。通过对边坡支护前和支护后的数值进行模拟分析，研究采取锚索支护后边坡的稳定性变化和变形量。数值模拟采用命令的方式来驱动程序，基本步骤为：（1）有限差分网格；（2）本构模型和材料取值；（3）边界条件和初始条件；（4）模拟数据的运算。

FLAC3D判断边坡失稳的方式大概有三种：计算不收敛、位移突变、塑性区贯通。关于塑性区贯通的判据，FLAC3D提供了剪应变增量分布情况等直观的图件来判断塑性区的位置和发展趋势。

图1 边坡治理后数值模拟模型图和位移计算结果

在未采取治理措施的情况下，边坡稳定性情况较差，边坡计算不收敛。采取治理措施后边坡表层变形监测结果见图1，X方向为顺坡向位移，Y方向为垂直X方向位移，Z方向为竖直（垂直）方向位移。通过对边坡变形量的统计分析，边坡位移变形最大值为120 mm，顺坡向变形量集中在-31 mm～40 mm，垂直X方向变形量较小，可忽略不计。垂直方向变形量集中在-150 mm～1 mm之间。通过对坡表位移的监测结果统计分析，边坡整体变形量较小，累计变形量最大值不超过20 cm，边坡处于基本稳定状态。

通过坡体内部应力的监测分析，在长大裂隙剪出口位置边坡的剪应变增量变化最大，约为7.9×10-4m。

通过数值模拟分析，边坡首先在坡脚位置出现位移变形，由于坡脚前缘临空条件较好，有利于边坡向临空方向的变形。

根据如图1所示的监测点布置，获取同样位置三个点治理前和治理后的剪应变增量变化情况，在采取治理措施前，边坡塑性区出现基本贯通的情况，剪应变集中分布于长大裂隙位置，说明不采取合适的治理措施，该边坡极有可能产生大规模的破坏将严重威胁水电站的正常运转。采取一定的治理措施之后，数值模拟结果显示边坡并没有出现剪应变增量集中的现象，剪应变最大位置一般在模型底部，其最大值为治理前最大值的1/2～1/7。剪应变增量的减小表明治理措施产生了较好的效果，边坡安全性得到提高。对实际工程具有一定的指导意义。剪应变增量对比见图2。

图2 治理前后剪应变增量对比

4 结论

（1）根据边坡实际工程资料，获得边坡的基本地质情况和坡体结构构造，建立边坡的数值模拟模型。对坡体变形和剪应变增量进行分析。

（2）通过数值模拟分析边坡治理前后的稳定性变化情况，在未采取相关治理措施的情况下，边坡计算不收敛，坡体不稳定。在进行锚索支护后，坡体变形较小，最大变形量不超过20 cm。

（3）通过数值模拟的监测点布置，获取了三个位置的剪应变增量。通过治理前后的结果对比分析，采取治理措施后，边坡最大剪应变增量为不采取治理措施的1/2～1/7。采取治理措施后，边坡变形得到较好的控制。