蓄水期大岗山右岸抗剪洞加固及其效果分析

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116023； 2.鲁东大学 土木工程学院，山东 烟台 264003； 3.鲁东大学 跨海工程研究院， 山东 烟台 264003； 4.烟台市计量所，山东 烟台 264003)

1 工程背景

库岸地区发生的滑坡是库区水岩作用导致的一类重要地质灾害，会对工程及环境造成巨大破坏，1963年意大利Vajont水库滑坡就是一个典型例子[1]。水库型滑坡约90%与水有关，其中与库水位变动有关的滑坡比例非常高[2]。Carpenter[3]调查了Roosevelt湖附近1941—1953年发生的一些滑坡，其中49%发生在1941—1942年的蓄水初期；日本40%的水库滑坡发生在水位上升期(包括蓄水初期)[4]；我国也有统计资料表明，40%～49%的库岸失稳破坏发生在库水位上升期[5]。

蓄水期边坡的稳定性是人们广泛关注的问题。采取有效的加固措施能提高边坡稳定性，降低蓄水期边坡失稳风险。目前，主要采用的加固措施可以分为减载、排水与截水、锚固、混凝土抗剪结构、支挡、压坡等几类[6]。近年来，随着工程技术的成熟以及大量工程经验的积累，抗剪洞加固技术在白鹤滩、锦屏等水电站边坡处理中被广泛运用[7-8]。国内学者就抗剪洞对大岗山水电站右岸边坡卸荷裂隙带的加固效果进行了研究[9-10]，肯定了抗剪洞加固方案对施工期边坡加固的合理性和有效性。根据现场实际情况，大岗山水电站右岸边坡采用了抗剪洞的加固方案，如图1所示。

图1 抗剪洞分布Fig.1 Layout of anti-shear galleries

本文以大岗山水电站右岸边坡为工程背景。根据微震监测结果，分析了蓄水过程中抗剪洞的微震活动性。利用数值模拟方法，计算蓄水过程中边坡的应力场、位移场，并对抗剪洞在蓄水过程中的微震活动性作出解释。同时，利用数值模拟方法分析了蓄水过程中抗剪洞的加固作用机理，评价了抗剪洞在蓄水过程中的加固效果。

2 蓄水过程微震活动性监测

微震监测技术可以捕捉到边坡内部的岩体微破裂和损伤，预测预报边坡内部岩石微破裂发生的位置和力源，并对边坡稳定性作出评估和预测。近年来，微震监测技术被广泛应用于水电高陡岩质边坡施工期的稳定性监测中[11-12]。

图2 蓄水期右岸边坡微震事件空间分布(断面Ⅳ-Ⅳ)Fig.2 Distribution of microseismic events in section Ⅳ-Ⅳ of the right bank slope during impounding

大岗山水电站从2014年年底开始蓄水，具体蓄水工作分为3个过程：2014年12月30—31日导流洞下闸蓄水，水位从975 m高程上升至1 005.36 m高程；2015年5月29日—2015年7月4日导流底孔下闸蓄水，水位从1 015.18 m高程上升至1 120 m高程；2015年8月15日之后，水位在1 120～1 130 m之间波动。为了实时监测大岗山水电站右岸边坡在蓄水过程中的岩体活动规律，引入了加拿大ESG公司生产的微震监测系统进行24 h实时监测。至2015年12月31日，右岸边坡微震监测系统共捕捉到51个有效微震事件，且这些事件均出现在蓄水的第二个过程中，这与第二个过程较大的水位变动有直接关系。蓄水第二个过程中岩体内的微震事件空间分布和能量比ES:EP值如图2所示。图2中绿色线代表岩脉，紫色线代表卸荷裂隙带，红色线代表断层；彩色实心小球代表微震事件，小球的颜色反映了ES:EP值的大小。除了在辉绿岩脉β43，β68，β83，β85附近有少量微震事件外，大部分微震事件分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。此外，对于断层-滑移或剪切类型诱发的地震事件，通常S波和P波释放的能量比ES:EP≥10，而非剪切类型如应变型岩爆、拉伸或体积应力变化诱发的地震事件，一般ES:EP≤3[13]。由图2可知，在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近出现的微震事件，除少量的剪切类型事件外，主要是拉伸诱发的事件。

由图3可知，微震能量释放区域也主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由微震事件的空间分布及能量释放集中区域可知，抗剪洞及周围岩体微震活动频繁，是蓄水过程中右岸边坡内主要的损伤区域。需要注意的是，蓄水过程中右岸边坡内的主要损伤区域与边坡开挖阶段边坡内的主要损伤区域并不一致。边坡开挖过程中，岩体的损伤区域主要沿着卸荷裂隙带XL-316和断层f231成条带状分布[14]，而蓄水过程中，岩体的损伤区域主要分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由此可见，当边坡受到水压力作用时，抗剪洞影响了边坡体内应力场的分布，为了解抗剪洞在蓄水过程中的作用，本文采用三维真实破裂过程分析软件(RFPA3D)对蓄水过程进行数值模拟分析。

图3 微震事件能量密度Fig.3 Energy density of microseismic events

3 蓄水过程的数值模拟

蓄水对边坡变形的影响是多方面的，如库水的挤压作用、渗透作用、湿度扩散作用、库水与边坡的化学作用、大坝对边坡的挤压作用等。右岸边坡内的渗压计测量结果显示，至2015年6月25日，除了在较低高程处有较小的水头变化外，边坡内没有明显的水头变化，因此在模拟蓄水过程时，忽略渗流作用对边坡的影响；由蓄水过程的微震活动性可知，微震事件主要分布在右岸上游边坡，没有出现在拱肩槽边坡处，因此，在模拟蓄水过程时，忽略了大坝对边坡的推力作用；此外，库水与边坡岩体的物理、化学作用是一个相对漫长的过程，短时间内很难有所体现，因此，在模拟蓄水过程时不考虑库水与边坡岩体的物理化学作用。由此，本文在对蓄水过程进行模拟时，仅考虑了库水对边坡的挤压作用以及边坡的自重。

采用ANSYS软件建立实体模型。模型的尺寸为顺河向400 m，横河向914 m，高度720 m。建模时作了适当的简化，保留了主要的岩脉、断层、卸荷裂隙带以及抗剪洞。全部采用六面体单元剖分网格，共得到571 080个单元，600 700个节点，如图4。计算域四周法向约束，底部采用固定铰支座，边坡表面自由，水压力转化成节点力，然后以节点力的形式作用在图4(a)红色虚线框内的单元上。将模型导入到RFPA3D中进行蓄水过程的模拟。根据现场试验和工程类比，确定计算所采用的材料力学参数，如表1所示。

图4 右岸边坡有限元模型Fig.4 Finite element model of the right bank slope

材料名称密度/(g·cm-3)抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比边坡2.657520.000.25C25混凝土2.402530.000.20花岗岩脉2.62202.500.27辉绿岩脉2.62202.500.30XL-316和f2312.45150.250.40XL-9152.10100.200.40

计算结果显示，破坏单元主要集中在抗剪洞周围，而在卸荷裂隙带XL-915、XL-316、断层f231以及主要岩脉上只有少量破坏单元(图5(a))。从最小主应力云图(图5(b))可以看出，抗剪洞以及坡面、坡顶区域承受拉应力，边坡其他区域主要承受压应力。而对于岩石、混凝土等弹脆性材料，其抗拉强度远小于抗压强度，受拉区的单元极易发生破坏。加之边坡岩体材料的强度大于抗剪洞混凝土的强度，所以，边坡在自重和水压力作用下，抗剪洞最先出现拉伸破坏。图5(c)为边坡位移场，卸荷裂隙带XL-915切割的岩体下部向河谷方向移动，上部背离河谷方向移动，从而使该部分岩体表现出逆时针运动的形式。而在卸荷裂隙带XL-316、断层f231与卸荷裂隙带XL-915之间的岩体，运动形式较为复杂。由于受到抗剪洞的影响，该部分岩体被“分割”成2部分，且这2部分分别表现出顺时针运动的形式，不可避免地在这2个移动的岩体中间存在一个过渡带。由于过渡带上、下2部分的运动方向完全相反，类似于一个正在进行直剪试验的试件，所以过渡带内的岩体活动情况复杂，而1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞就恰好位于这个过渡带区，这也正是微震监测到该区域活动性明显于其他区域的原因。

图5 蓄水过程模拟结果(断面Ⅳ-Ⅳ)Fig.5 Simulation results of stress and displacement in the impounding process(section Ⅳ-Ⅳ)

4 蓄水期抗剪洞加固机理研究

由前所述，蓄水过程中抗剪洞处于一个“过渡带”区，使其受力状态类似一个直剪试验的试件。为了研究蓄水期抗剪洞对边坡的加固机理，本节利用RFPA2D方法对抗剪洞受力情况进行单独分析。岩体、裂隙带、抗剪洞材料力学参数按照表1选取。模型如图6所示，高60 m，宽60 m，抗剪洞取实际尺寸。单元划分为300×300共90 000个。水平方向施加直剪位移Q来模拟水压力的作用，每个计算步的位移增量为1 mm。在模型顶部施加竖向压应力P模拟上覆岩层的自重，考虑到不同高程抗剪洞上覆岩层的重力不同，模拟不同高程抗剪洞时竖向压应力P也不同，自下往上各高程抗剪洞模型中P分别取2.4，2.0，1.8，1.6，1.4，1.2 MPa。

图6 抗剪洞加固机理计算模型Fig.6 Finite element model for the reinforcement mechanism analysis of anti-shear gallery

图7 有抗剪洞加固的破坏过程及剪应力Fig.7 Variation of shear stress during failure process in the presence of anti-shear gallery

有抗剪洞加固时，在抗剪洞与裂隙带接触区域出现应力集中现象(如图7)，破坏也最先从这个区域开始。由于抗剪洞附近的应力明显高于其他区域，随着载荷的增加，破坏单元首先在抗剪洞周围分布。当抗剪洞被“一字型”剪断之后，裂隙带开始发生破坏，直至形成贯通的破裂面，模型失稳。计算过程中，单元破坏将释放出声发射信号。

图8是有抗剪洞的情况下破坏过程的声发射，图中红色圈代表拉伸破坏，白色圈代表剪切破坏，圆圈的大小表示声发射能量的大小。需要注意的是，虽然抗剪洞宏观上是剪断，但从声发射图不难看出，真实的破坏是抗剪洞内部发生拉破裂，大量的拉裂最终形成了宏观的剪坏。这与微震监测到的事件主要是拉伸引起的事件相吻合，也与三维蓄水过程模拟时抗剪洞最先出现拉伸破坏相一致。

图8 有抗剪洞加固的破坏过程及声发射Fig.8 Variation of acoustic emission during failure process in the presence of anti-shear gallery

当有抗剪洞加固时，其破坏模式为抗剪洞先破坏,裂隙带后破坏，抗剪洞可以避免破坏单元直接沿着裂隙带发展形成贯通的破裂面，有利于提高模型的承载能力。由此可见，蓄水过程中监测到的微震事件正是因为抗剪洞在抵抗边坡变形而出现的破坏。蓄水期微震事件主要集中在抗剪洞附近这种分布形式与图8第33步计算结果非常类似，由计算可知，此时模型并没有失稳，说明在蓄水过程中，大岗山水电站右岸边坡处于一个相对稳定的状态。

5 抗剪洞加固效果评定

显然，没有抗剪洞加固时，边坡的承载能力取决于裂隙带材料强度。而施加了抗剪洞加固措施后，边坡的承载能力将受到抗剪洞材料强度的影响。由于在不同高程抗剪洞模型中有、无抗剪洞加固效果曲线形式相似，此处仅以1 240 m高程处的抗剪洞模型结果为例进行说明。将有、无抗剪洞加固情况下的剪力-加载步曲线汇总如图9。

图9 剪力-加载步曲线Fig.9 Curves of shear force versus loading step

由图9可知，没有抗剪洞加固时，模型所能承受的最大剪力趋于一个稳定值。在有抗剪洞加固的情况下，剪力-加载步曲线在第33步时出现了突降。由前面的分析可知，加载至第33步时抗剪洞已经完全破坏，丧失了进一步抵抗载荷的能力，只能依靠材料性质较差的裂隙带来抵抗外载荷，所以模型承载能力出现了大幅下降的情况。有抗剪洞加固与无抗剪洞加固相比，模型所能承受的最大剪力从119 679.4 kN提高到134 142.6 kN，提高了12.1%。这说明在蓄水期抗剪洞对于提高边坡的承载能力具有明显的作用。计算结果还表明，随着抗剪洞所处高程降低，其提高边坡承载力的能力逐渐降低，其他5条抗剪洞自上而下分别使边坡最大剪力提高了9.8%，4.7%，2.3%，1.1%，0.9%。抗剪洞因其材料强度一定，所能提供的抗剪能力也是一定的。但是，抗剪洞所处高程越低，其上覆岩体的重力越大，施加于模型顶部的载荷越大。模型顶部的载荷P对于裂隙带有压密的作用，提高了裂隙带自身的抗剪能力，因此，较低高程处的裂隙带自身具有较高的抗剪能力，从而使抗剪洞的加固效果随高程降低而越来越不明显。

6 结 论

(1)探索性地将微震监测技术应用于水电高陡岩质边坡蓄水期的稳定性监测中。监测发现，因为大岗山水电站蓄水的第二个过程内有较大的水位变动，在右岸边坡内出现了相对较多的微震事件。该时期内右岸边坡监测到微震事件主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近，且多数微震事件的S波与P波的能量比<3，主要是拉伸破坏诱发的事件。

(2)利用RFPA3D模拟了蓄水过程，结果表明，蓄水期抗剪洞附近区域处于受拉状态，易发生破坏。抗剪洞的存在，使1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞周围形成一个过渡带，且过渡带的受力类似于正在进行直剪试验的试件，揭示了微震监测到该区域活动性明显于其他区域的原因。

(3)利用RFPA2D方法对抗剪洞受力情况进行单独分析可知：蓄水期抗剪洞影响了边坡内部应力场的分布，并能有效地避免破坏直接沿着裂隙带发展形成贯通的破裂面。计算结果揭示了蓄水期抗剪洞对边坡的加固机理。此外，在有抗剪洞加固时，虽然抗剪洞宏观上是剪断，但抗剪洞内部先局部发生拉破裂，大量的拉裂破坏最终形成了宏观的剪坏，这一模拟结果进一步解释了蓄水期微震监测到的事件主要是拉伸破裂诱发的事件这一现象。相对于不采用抗剪洞加固措施，采用抗剪洞加固措施使模型所能承受的最大剪力得到了提高。但抗剪洞所处的高程越低，其受上覆岩体的影响越大，抗剪洞对于提高边坡的承载力能力越不明显。从整体看，布设抗剪洞对于增强蓄水期边坡的稳定性具有有利的作用。