北方某水库边坡蓄水响应特征研究

王咏梅

(天津市武清区水务局，天津 301700)

1 引言

我国作为一个水利大国，在水利水电工程的修建、运营过程中难以避免地会遇到一些不稳定库岸边坡，面对这类棘手的工程地质难题，水利行业内越来越多的学者、技术人员逐渐意识到，对不稳定斜坡的变形机制进行研究具有十分重要的意义[1-5]。目前国内外学者对已经做了很多研究[6-8]。

通过文献调研发现，近年来，行业相关人员围绕这类课题做的工作主要集中于以下几个方面：以实际工程为研究背景，将施工过程和地质体的关系耦合起来协同研究[9]。抑或者是将传统的传递系数法与地理信息技术(如ARCGIS)相结合，不仅可解决稳定性定量计算，还可实现稳定性分区[10-11]，除了与现场结合越来越紧密，并进行跨学科研究之外，还有学者将传统的稳定性计算方法进行了改良，提出了与现场实际情况更为接近的稳定性评价方法[12]，这些科研成果都在一定程度上推动着行业的不断革新、进步。

本文以北方某水库边坡作为研究对象，重点对蓄水过程边坡的应力应变特征和对应的稳定性系数情况进行分析，揭示边坡的变形机理，并提出处理措施，并予以验证。

2 工程案例概况

研究区水库是黄河流域中的梯级水库，总库容3947万m3，正常蓄水位229.00 m。

工程区地形相对高差100 m～150 m，库区右岸以侵蚀堆积的低中山为主。库区左岸上游有面积不大的夷平面零星残留于山地顶部，地貌形态以侵蚀溶蚀的低中山为主。库区左岸下游，仅可见一相对较为宽阔的剥蚀面以及马蹄河与明月河之间的地形分水岭。库区主要出露岩性主要为千枚岩、板岩、变质砂岩。

自2018年3月一期蓄水开始后某库水边坡出现轻微变形，至2018年5月二期蓄水后变形量开始逐渐增加，对水库的运营构成了极大的威胁，本文主要依据此案例，对其变形成因进行数值计算分析。

3 多场耦合的数值计算前处理

3.1 计算模型设计

结合现场实际情况，使用二维有限元计算程序建立数值计算模型，见图1。

图1 原始计算模型

如图1所示：千枚岩、变质砂岩、板岩的网格单元尺寸范围为1 m～5 m，为提高计算精度，对坡表千枚岩网格进行加粗，网格形状以四边形为主，局部采用三角形单元控制。边坡底面边界长度为398 m，左侧边界高度为198 m，右侧边界高度为62 m。侧面边界采用X向位移、速度固定约束，底面采用Y向位移、速度固定约束。地下水位线结合现场钻探情况进行标定，图1中采用虚箭头线表示。

合理的参数选取是进行正确的稳定性分析与治理工程设计的前提。通过室内试验取值、参数反算、与工程经验类比相结合，综合选取工程区滑坡的岩土体物理力学参数，选取成果见表1。

表1 岩土体物理力学参数综合取值

3.2 工况与模拟方案标定

本次数值计算主要考虑以下三种工况：

(1)工况一：一期蓄水(仅考虑自重，g=9.8 m/s2，对应的蓄水位高程为234 m)

(2)工况二：二期蓄水(仅考虑自重，g=9.8 m/s2，对应的蓄水位高程为256 m)。

(3)工况三：二期蓄水+治理措施(在工况二的基础上，结合工况二的计算结果选定治理措施。)

数值计算方案：

(1)工况一将有限元软件中的SWEEP/W和SIGMA/W模块相结合，按实际情况绘制水位线，两侧边界设置水头，材料渗透系数利用Van Genuchten估计方法，结合体积含水量反推渗透系数，在渗流场计算结果的基础上，引入应力、应变分析模块，对边坡的响应特征进行分析。

(2)工况二：完成初步分析后，按照二期蓄水位添加水头，进行应力重分布分析，并引入SLOPE/W模块，材料参数不变，滑移面的判定结合工况一的最大剪切面进行标定，计算出稳定性系数。

(3)工况三：在前面两种工况分析的基础上，分析治理方案对蓄水边坡的影响，具体计算方案主要依据工况二的计算结果进行。针对削方、回填反压这种措施，主要通过赋予null或新的材料单元(区域)进行；针对抗滑桩、挡土墙、框架格构这种承受三向荷载的措施，采用结构梁模拟；针对预应力锚索、预应力锚杆这种主要考虑轴力、剪切力的工程措施，采用结构杆件进行模拟，完成治理方案的应力应变分析后再进行SLOPE/W应力平衡计算，验证这种方案的可行性。

4 数值计算成果及分析

4.1 工况一计算结果及分析

图2～图5为工况一的研究区边坡的数值计算结果。

图2 工况一最大总应力

图3 工况一最小总应力

图4 工况一最大剪应变

图5 工况一合位移

由图可知：在一期蓄水作用下，最大总应力仍然与天然重力场基本一致，应力量值与重力方向相同，量值大小与埋深呈正比，受压应力控制。最小主应力与最大主应力呈近似正交的关系。由此可见：场地所在的应力环境条件对整体、局部稳定性有利，最大剪切应变方面，在板岩底面边界出现了应变集中，但量值较小，从位移量值上可以体现出来，最大位移量约3 mm，位移较小，可忽略不计，整体处于稳定状态。

4.2 工况二计算结果及分析

图6～图10为研究区边坡在二期蓄水作用下的计算结果云图。

图6 工况二最小总应力

图7 工况二最大剪应变

图8 工况二合位移

图9 工况二网格变形趋势

图10 工况二稳定性计算结果

由最小总应力图可看出，最小总应力呈条状分布，随着深度的增加而增加，压应力主要以重力场为主，最小总应力负值(拉应力区)主要出现在板岩坡表以及板岩、变质砂岩交界处，应力集中以陡缓交界处最为明显)，拉应力最大值约80 kPa。

最大剪应变方面，与工况一相比，有增加的趋势，最大达到0.064，最大位移达到8 cm，从变形趋势图上可以发现变形主要分为两段，边坡中上部出现沉降，中部出现轻微挤压但位移量较小，边坡中下部出现沉降，下部出现挤压，于岩体分界面处剪出，板岩与变质砂岩的分界面为软弱面，以此为依据，进行稳定性计算，系数值为0.975，处于不稳定状态。

根据以上分析，认为水库二期蓄水后，导致边坡出现变形，整体处于不稳定状态，需要采取治理工程措施。

4.3 工况三计算结果及分析

在前面的分析中发现：边坡中上部与边坡中下部对整体稳定性至关重要，结合行业工程经验，认为采用回填反压存在几何空间不理想的问题，且盲目大挖大刷可能造成变形体扰动，导致边坡出现整体失稳，而采用抗滑桩、挡土墙进行治理更是无从下手，因此在“削”“压”和“支”“挡”都难以实现的基础上，建议使用锚固措施，推荐采用“框架格构梁+预应力锚索”相结合的方式进行处置，治理方案见图11，预应力锚索细部见图12、图13。

图11 工况三计算模型

图12 预应力锚索结构设计图

图13 锚头大样图

框架梁使用C30钢筋混凝土现场立模现浇施工。锚墩为0.6 m×0.6 m×0.4 m，框架截面为0.3 m×0.3 m，每片框架由6～7根竖肋和相应的横梁组成，施工时尽可能一次浇筑完成，当分两次浇筑时，竖肋间设置后浇带。两片框架间宜设置伸缩缝，宽2 cm，内填沥青麻筋。

锚索材料采用高强度低松弛4根φs15.2 mm的预应力钢绞线组成，锚具用OVM15-4型，锚索长度15 m，自由端长度5 m，预应力施加1000 kN。

建立数值模型后，进行计算分析，计算结果见图14～图16。

图14 工况三最大剪应变

图15 工况三合位移

图16 工况三稳定性系数计算结果

计算结果显示：工况三的最大位移变形量降低为7 mm左右，最大剪应变量值相比工况二降低了96.56%，对应的稳定性系数值提升至1.325。由此可见：采用“框架格构梁+预应力锚索”治理是相对比较可靠的。

5 结论

本文以北方某黄河库区库岸边坡为研究对象，调研了场地的工程地质条件，结合现场情况建立了工程地质模型，根据蓄水情况设计了数值计算方案，进行了渗流、应力应变场耦合计算，并进行了基于应力平衡法的稳定性计算，结合计算结果提出了治理措施，并沿用先前建立的技术手段进行对比验证，在这个过程中，得出了以下四点主要结论，以期为类似工程提供参考依据：

(1)针对由千枚岩、变质砂岩、板岩等变质软岩组成的库水边坡，在研究蓄水响应特征这类问题时，采用有限元软件进行渗流、应力场耦合数值计算是基本可行的，今后对类似问题的研究可考虑采用这种技术手段作为参考。

(2)研究区边坡在一期蓄水位下的最大总应力场与天然重力场基本一致，应力量值与重力方向相同，量值大小与埋深呈正比，受压应力控制。最小主应力与最大主应力呈近似正交的关系，整体受压应力控制，最大位移量约3 mm，可忽略不计，整体处于稳定状态。

(3)研究区边坡在二期蓄水位下，最小总应力呈条状分布，随着深度的增加而增加，压应力主要以重力场为主，最小总应力负值(拉应力区)主要出现在板岩坡表以及板岩、变质砂岩交界处(以陡缓交界处最为明显，甚至出现了应力集中)，板岩与变质砂岩的分界面为软弱面，稳定性系数为0.975，处于不稳定状态。

(4)研究区边坡中上部与边坡中下部的稳定性对整体稳定性至关重要，结合行业工程经验，建议采用“框架格构梁+预应力锚索”结合的方式进行治理，计算结果显示：最大位移变形量降低为7 mm左右，最大剪应变量值相比工况二降低了96.56%，对应的稳定性系数值增加至1.325。由此可见：采用这种方案进行治理是相对可靠的。