基于二维随机结构面网络分析的库岸节理裂隙岩边坡稳定性分析

张露译

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程背景

王家坎水库始建于1958年，位于辽宁省海城市八里河，下游距离海城市10 km。水库大坝为黏土斜墙坝，坝长525 m，坝顶宽6 m，最大坝高18 m，设计库容1706万m3。由于水库设计建设标准低且运行时间较长，因此处于年久失修的状态，已经不能满足水利防洪的要求。同时，发生于1975年的海城地震也对水库产生严重影响，不仅坝体产生近百条裂缝，库区周边存在滑移危险的岸坡。因此，在除险加固施工过程中，不仅要对大坝等水工建筑物进行加固处理，也需要对库区部分岸坡的稳定性进行评价，以便采取合适的治理措施。其中，库区上游右岸的1000 m位置存在一高陡岸坡，坡度在25°～45°之间，岸坡坡脚部位有库区防洪公路通过，一旦发生失稳破坏，必将产生严重的后果。

研究岸坡属于节理裂隙较发育的岩质岸坡。前期地质调查结果显示，其结构面分布及特征十分复杂，很难通过一组或几组节理模拟整个岸坡的实际情况。但是，模拟计算中的岩体强度、破坏模式以及边坡稳定性受结构面特征的影响较大[1]。因此，为了使构建的边坡模型能够真实反映边坡内部的结构面网络特征，研究中以地质调查数据为基础，研究分析结构面的优势分组及概率分布，从而生成二维随机结构面网络，并导入UDEC软件构建边坡稳定性分析模型，分析其在不同工况下的边坡稳定性。

2 计算模型的构建

2.1 二维随机结构面网络模拟

岩体的结构面信息主要包括结构面的产状、迹长以及张开度和填充情况[2]。其中，结构面的迹长、填充情况以及张开度通过工程现场的实景模型直接量取或观测[3]。结构面的产状信息由于不能在实景模型中直接获取，需要通过如下流程获得：首先，在岸坡实景模型上随机确定若干个不共线的点；其次，对上述点位进行平面拟合并获取最佳平面参数；最后，通过拟合平面的空间特征与几何关系计算出产状参数。利用上述方法，对研究岸坡进行详细的结构面调查和分析，最终获得223条结构面。

利用聚类分析法将上述结构面进行优势分组，最终获得J1、J2、J3等三个优势组。其中，JI优势组的产状为16°∠46°；J2优势组的产状为233°∠72°；J3优势组的产状为320°∠68°。利用MATLAB软件计算岸坡主剖面与结构面的夹角，获得上述各优势组结构面在二维岸坡模型中的倾角和迹长信息[3]。利用非线性函数对各优势组的倾角和迹长进行拟合，并检验其拟合优度，从而获得其概率分布模型。利用MATLAB软件进行基于Monte-Carlo的二维随机界面网络模拟程序的编写，并生成二维结构面网络。

2.2 岸坡稳定性分析模型的构建

由于研究岸坡为岩质岸坡，表层的第四系覆土较薄，因此不予考虑，认为岸坡的岩性为闪长岩，并建立底边长45 m，高48 m的岸坡模型[4]。将上节生成的随机结构面的坐标数据导入UDEC模型进行稳定性分析模型的构建。鉴于结构面数量较多，而贯通结构面对岸坡稳定性起着决定性的影响，因此模型构建和模拟计算中仅保留贯通结构面[5]。同时，在岸坡的坡脚、坡脚上方15 m、坡脚上方30 m，以及坡顶等4个部位分别设置JC1、JC2、JC3和JC4等四个监测关键点位。对于构建的模型按照1 m的网格尺寸进行网格单元划分，最终获得13 224个网格单元，9140个节点。

工程所在地区属于典型的中温带季风性湿润气候，年均降雨量801 mm，且夏季多暴雨。另一方面，研究区还处于地震带上，地震活动对岸坡稳定性的影响也不容忽视。因此，模拟计算考虑自然、暴雨和地震三个工况[6]。其中，自然工况仅考虑岩体自重的影响，暴雨工况考虑岩体饱和自重的影响；地震工况考虑岩体天然自重和地震力的影响。

研究中的本构模型设置为理想弹塑性模型[7]，结构面节理的法向和切向强度分别为3.0 GPa/m和1.5 GPa/m；黏聚力为0.376 MPa；内摩擦角为37°。岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

研究中的地震工况动力输入参数以1975年海城地震实测地震波记录为基础数据，利用SeismoSignal 软件对原始地震波数据进行必要的滤波和基线校正，然后将其加速度按比例进行缩放，时期最大幅值为0.2 g，其加速度曲线如图1所示。在地震工况下，将模型的两侧设置为自由边界条件，底部为黏滞边界条件，地震应力施加于模型底部[8]。

图1 地震波加速度时程曲线

3 计算结果与分析

3.1 自然工况

利用构建的计算模型对自然工况下岸坡的位移和应力进行模拟分析。在计算结果中提取出四个关键点位的最大位移和应力数据。结果分别如表2所示。从计算结果可以看出，在自然工况条件下，各个计算点位的水平位移量较小，均<1 mm，且岸坡顶部的水平位移量几乎为零。同时，各点位的竖向位移随着高度的增加呈现出不断增大的变化特点，JC4点位的竖向位移量最大为5.40 mm。总体来看，各部位的位移量不大，其计算中呈现出收敛态势。因此，岸坡在自然工况下处于稳定状态。从应力计算结果来看，无论是水平应力还是竖向应力，均呈现出随着高度的减小而增大的变化特点。具体来看，大部分部位的水平应力和竖向应力表现为压应力，仅在坡顶的小部分区域存在水平和竖向拉应力。由于岸坡岩体比较破碎，抗拉强度低，因此岸坡的坡顶部位岩体易发生受拉破坏。

表2 自然工况位移与应力计算结果

3.2 暴雨工况

利用构建的计算模型对暴雨工况下岸坡的位移和应力进行模拟分析。在计算结果中提取出四个关键点位的最大位移和应力数据。结果分别如表3所示。从计算结果可以看出，在暴雨工况条件下，由于岸坡岩土体饱和自重增加，因此各个计算点位的位移量较自然工况均有一定程度的增加。从具体数值来看，越靠近岸坡的顶部，其位移量的增加幅度越大。总体来看，随着各部位的位移量增加较为明显，但是在计算过程中仍处于收敛状态，因此岸坡在暴雨工况下处于稳定状态。从应力计算结果来看，暴雨工况下的水平应力和竖向应力与自然工况下比均有不同程度的增加，但是其变化规律基本一致：岸坡大部分部位的水平应力和竖向应力表现为压应力，仅在坡顶的小部分区域存在水平和竖向拉应力，且岸坡的坡顶部位岩体易发生受拉破坏。

表3 暴雨工况位移与应力计算结果

3.3 地震工况

利用构建的计算模型对地震工况下岸坡的位移和应力进行模拟分析。在计算结果中提取出四个关键点位的最大位移和应力数据。结果分别如表4所示。从计算结果可以看出，在地震工况条件下，各个计算点位的位移量较自然和暴雨工况均有大幅增加，且计算过程中不收敛，说明岸坡在地震工况下处于不稳定状态，极易诱发滑动、崩塌等地质灾害。从应力计算结果来看，地震工况下岸坡的中部也存在显著的拉应力，顶部的拉应力较自然工况和暴雨工况明显增大。由此可见，在地震工况下，坡顶的岩体更容易出现拉裂破坏。

表4 地震工况位移与应力计算结果

4 结 语

库岸边坡的稳定性分析对保证水库安全稳定运行具有十分重要的意义和作用，是学者研究和关注的重要领域，此次研究以具体工程为背景，构建起基于二维随机结构面网络的岸坡稳定性计算模型，通过数值模拟计算的方式对岸坡的稳定性进行评价。结果显示，在自然和暴雨工况下，岸坡处于稳定状态，在地震工况下处于不稳定状态。研究结论对工程设计施工具有一定的指导意义。当然，研究中仅采用岩土体饱和参数方法进行模拟，其与岸坡内部真实渗流场存在一定的差异，未来需要耦合渗流稳定性分析，以便获得更贴合实际的结果。