大沂河水利枢纽工程边坡稳定性的数值模拟研究

赵 山

（沂水县跋山水库管理中心,山东 沂水 276400）

1 引言

降雨对边坡稳定具有较大的影响,降雨对边坡破坏的主要作用是通过渗流引起岩质边坡容重增大,进而影响岩体内部的应力分布,使得产生位移或失稳破坏,甚至使得岩质边坡出现暂态饱和区,这对于边坡的稳定极其不利。

目前,降雨或其它水对岩质边坡稳定性影响的研究已经较为广泛地开展,并取得了较为丰硕的成果：黄涛等［1］分析了地下水对边坡稳定性的影响,对影响边坡稳定的因素进行了较为详尽的分析；刘才华等［2］从力学角度分析了水进入边坡内部后对边坡力学参数的影响；何满潮等［3］对边坡岩体本身进行了分析,将岩体划分为不同种介质材料,并分别对每种介质材料的力学及渗透特征进行研究；王辉等［4］分析了边坡稳定性与坡体压力水头值的关系,并对降雨渗流作用与边坡岩体的岩质特性关系进行研究；杨治林［5］分析了边坡水位对边坡稳定性的影响,并结合实际工程给出了边坡破坏界限的计算公式；陈志坚等［6］分析了岩质边坡岩性与地下水分布的关系,进而提出保证岩体稳定性的计算公式；胡其志等［7］运用数值分析的方法,研究了在不同内聚力、内摩擦角的岩质边坡中,岩质边坡稳定性的判定依据；张卓等［8］结合实际工程案例,分析了岩质边坡中内部应力与渗透性的关系。

2 模型建立

由于Geostudio软件在岩体边坡稳定性研究中应用广泛,且适用性强,对岩质边坡开挖、边坡渗流、边坡降雨破坏的研究具有很好的模拟效果,因而本研究采用Geostudio软件对某大沂河水利枢纽工程边坡建立数值分析模型,边坡网格模型图见图1,模型假设该边坡岩体为均匀连续介质,岩体结构力学模型服从M-C准则,利用极限平衡法则计算边坡的稳定性。对于边坡稳定性的研究主要分析降雨条件下降雨入渗对边坡稳定性的影响。研究中岩体的强度准则采用Hock-Brown强度准则,岩体的力学参数及渗透系数见表1。

表1 岩体的力学参数

图1 边坡网格模型图

模型边界条件的选取如下：上部边界为坡体后缘平台,坡体挡水面边界为河道中心线,下部边界为河床面以下,应力边界只考虑重力作用,水头边界为河床面以下以及远离挡水面截面。

3 降雨条件下数值模拟分析

3.1 降雨条件下岩质边坡渗流分析

由该区域原始地质资料显示,该区域属于半干旱区域,年降雨量较少,年平均降雨量为430.6 mm,降雨期主要为7 月、8 月两月,对于降雨的模拟设计三种工况,见表2,分别对表2中的三种工况进行数值模拟,并对其进行渗流分析,得到其压力水头分布,见图2。

表2 降雨条件下工况设计

图2 压力水头分布

对比分析图2中的三种工况,分析可得：

（1）对于降雨量大且降雨持续时间较短,第四系覆盖层和边坡坡脚位置的压力水头值有明显增大,其中第四系覆盖层压力水头值变化最大,其余部分压力水头值有变化但不明显,且在第四系覆盖层和边坡坡脚位置有部分区域的岩体出现暂态饱和；

（2）边坡基岩部分压力水头随着降雨量的不同基本没有变化；

（3）各工况条件下,对于内部基岩部分的地下水位变化不明显,而边坡坡脚位置的地下水位有明显上升,且降雨量大且降雨持续时间较短的工况1上升最为明显。

分析以上现象可得：岩质边坡渗流作用受降雨的影响较大,当总降雨量相同时,每小时降雨量越大,岩质边坡坡体压力水头值越大,且在部分位置易出现暂态饱和区；当每小时降雨量和降雨持续时间均相同时,岩质边坡坡体渗流作用效果与该部分边坡的渗透系数呈正相关。

对于该岩质边坡,坡体基岩部分渗透性小,岩石较为完整且风化程度低,在降雨作用下,渗透量几乎为0,因而对基岩部份压力水头值和地下水位的影响极小；第四系覆盖层位于坡顶位置,且其渗透系数大,降雨入渗作用较强,其压力水头值和地下水位的影响较大；坡面位置覆盖有一层较为松散的覆盖层,其表面风化作用较为强烈,岩体完整性较低且有裂隙存在,因而具有很强的渗透性,压力水头值和地下水位变化较为明显,且在坡面位置存在有较为软弱的岩体分布,其密实性较低,易受水侵蚀作用,因而在该部分易出现暂态饱和区,且随着降雨强度增加以及降雨持续时间延长,暂态饱和区的岩体范围逐渐扩大,同时地下水位上升也较为明显,上身幅度主要取决于每小时降雨量、持续时间以及该部分岩体的渗透系数；对于边坡坡脚位置的岩体由于存在风化裂隙,在浅层位置处压力水头值和地下水位的影响较大。

3.2 降雨条件下岩质边坡应力应变值分析

对于降雨条件下,岩质边坡应力应变值分析主要包含以下部分：最大主应力分析、最小主应力分析、边坡岩体剪应力分析、边坡坡体位移。

3.2.1最大主应力分析

分别对三种工况进行数值模拟分析,得到最大主应力分布图,见图3。

图3 最大主应力分布图

分析模拟结果,工况1中边坡坡脚潜在滑移面上方最大主应力值为0.1 MPa~2.0 MPa,工况2中边坡坡脚潜在滑移面上方最大主应力值为0.1 MPa~1.6 MPa,工况3中边坡坡脚潜在滑移面上方最大主应力值为0.1 MPa~1.0 MPa。降雨条件下相较于蓄水对边坡渗流的影响较小,但降雨条件下岩体渗流会增加岩体的容重,进而使得岩体的最大主应力发生变化,比较工况1与工况2,虽然两工况下降雨量相同,但工况1降雨强度较大,降雨时间短,降雨入渗入岩体后排除相较于工况2困难,因而增加了工况1条件下的岩体容重,使得边坡坡体最大主应力大于工况2；比较工况2与工况3,虽然两工况下降雨时间相同,但工况2降雨强度较大,降雨渗入岩体后排除相较于工况3困难,因而增加了工况2条件下的岩体容重,使得边坡坡体最大主应力大于工况3。因而三种工况下边坡岩体最大主应力值由大到小顺序为：工况1、工况2、工况3。

3.2.2最小主应力分析

分别对三种工况进行数值模拟分析,得到最小主应力分布图,见图4。

图4 最小主应力分布图

分析模拟结果,工况1中边坡中断层破碎带上方最小主应力值为0.1 MPa~0.55 MPa,工况2中边坡中断层破碎带上方最小主应力值为0.1 MPa~0.65 MPa,工况3中边坡中断层破碎带上方最小主应力值为0.1 MPa~0.50 MPa。随着降雨渗入岩质边坡坡体,降雨对边坡最小主应力值具有较大的影响。降雨量相同的情况下,降雨持续时间越长,最小主应力增大幅度越大,降雨持续时间相同的情况下,每小时降雨量越大,最小主应力增幅越大。

3.2.3剪应力分析

分别对三种工况进行数值模拟分析,得到剪应力分布图,见图5。

图5 剪应力分布图

分析模拟结果,中断层破碎带上方的剪应力值最大的为工况1,其次为工况2,最小的为工况3。同一种工况下,岩质边坡坡体剪应力分布为：由左侧坡体向右侧坡体的剪应力逐渐减小。分析其原因,主要是由于随着降雨的入渗,降雨沿着破碎裂隙进入边坡岩体,进而增大了岩体容重,使得边坡岩体滑移面上方的岩体逐渐饱和,沿着岩体竖向方向剪应力增大,滑移的趋势逐渐增大。

3.2.4位移分析

分别对三种工况进行数值模拟分析,得到位移值分布图,见图6。

图6 位移值分布图(单位：mm)

由模拟结果可得,工况1中边坡坡脚潜在滑移面上方位移为0.06 mm~0.35 mm,工况2中边坡坡脚潜在滑移面上方位移为0.03 mm~0.25 mm,工况3中边坡坡脚潜在滑移面上方位移为0.015 mm~0.10 mm。由于岩质边坡坡体存在节理裂隙,降雨沿着边坡逐渐进入到岩体内部,增大了岩体的容重,随着雨水的不断渗流,边坡局部区域形成暂态饱和区,又由于裂隙与破碎带的存在,岩质边坡整体性降低,进而出现由右侧向左侧区域位移逐渐增大的变化趋势,且降雨强度越大,降雨时间越长,岩质边坡坡体的位移越大。

4 结论

本研究以大沂河水利枢纽工程边坡为研究对象,通过Geostudio软件建立数值分析模型,分析降雨条件下岩质边坡的渗流、最大主应力、最小主应力、剪应力、位移,主要得到以下结论：

（1）岩质边坡渗流作用受降雨的影响较大,当总降雨量相同时,每小时降雨量越大,岩质边坡坡体压力水头值越大,且在部分位置易出现暂态饱和区。

（2） 当每小时降雨量和降雨持续时间均相同时,岩质边坡坡体渗流作用效果与该部分边坡的渗透系数呈正相关。

（3） 降雨量相同的情况下,降雨持续时间越长,最小主应力、最小主应力、剪应力、位移均越大,且降雨持续时间相同的情况下,最小主应力、最小主应力、剪应力、位移值与降雨强度呈正相关。