水电站高陡边坡地震稳定性分析

2010-08-08姜德全

东北水利水电 2010年10期

姜德全

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072）

某水电站边坡于2008年“5.12”大地震时发生过一定规模的落石崩塌，大量的滚石崩落对坡下水电站引水隧洞的开挖施工造成了巨大的影响。该边坡为多组结构面组合切割的高陡岩质边坡，确定对坡体稳定性影响最大的结构面组合形式，及地震作用下高陡边坡的破坏模式对其防护治理具有重要的意义。

1 工程地质条件

该区为横断山脉，系北段的高山曲流深切峡谷地貌，高陡边坡位于东谷河左岸，坡高近300 m，坡度约70°，其崩塌破坏不稳定区距河面高差约200 m。地层岩性主要以晋宁澄江期混合岩为主，区内岩体卸荷强烈，岩体完整性差，呈块裂到碎裂结构，主要发育四组优势结构面。山体地下水埋藏较深，除表面堆积层有少量滞水外，大部分水以基岩裂隙水形式存在。据查该区地震动峰值加速度为0.2 g，基本烈度为Ⅷ度，地震加速度输入曲线如图1所示。

2 边坡稳定性评价

图 1地震加速度输入曲线

对于该岩质高陡边坡的分析，重点针对其自身结构面的特征进行稳定性评判，结构面的空间分布位置、组合关系及结构面的力学参数对边坡的稳定起着至关重要的作用。首先用赤平投影法对边坡进行初步分析，之后用离散元法对高陡岩质边坡在地震作用下的破坏模式进行评价，并深入分析不同结构面组合类型对高陡边坡稳定性的影响。

2.1 赤平投影分析

该坡体主要发育四组结构面，分别为J1（产状350°∠10°）、J2 （产状 190°∠80°）、J3 （产状 305°∠55°）、J4（产状 160°∠65°），坡面为 slope 表示（产状232°∠70°）。据试块结构面试验，取摩擦圆的φ角为22°，结构面及坡面赤平投影图如图2所示。分析可知，J2与J3的交线、J3与J4的交线与坡面倾向相同，且位于坡面与摩擦圆组成的阴影区内，形成危险块体，且该边坡的主要破坏模式为楔形体破坏。

图2 结构面及坡面赤平投影图

2.2 离散元稳定性分析

2.2.1 模型建立

块体离散元程序（UDEC）是一个处理不连续介质的二维离散元程序，非连续介质通过离散的块体集合体加以表示，不连续面处理为块体间的边界面，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。为对比分析J2，J3结构面组合与J3，J4结构面组合对边坡稳定性影响，模型计算断面分别取J2，J3结构面交线地质剖面及J3，J4结构面交线地质剖面，剖面倾向分别为268°及236°，沿各剖面结构面视倾角如下表1、表2。结合野外勘察统计，结构面平均间距取为5 m。为消除边界影响，边坡后缘向后延伸21 m，坡脚向外延伸21 m，底边向下延伸28 m。左右两侧水平位移约束，底边界竖直位移约束。计算中在坡面选择5个监测点，记录监测点的位移变化，分析边坡位移变化规律，监测点在各剖面上的分布见图3、图4，其中c点为结构面组合交线与坡面的交点，a点为结构面组合交线的另一端点，b，d，e 为变坡点。

表1 J2，J3结构面交线地质剖面结构面倾角换算表

表2 J3，J4结构面交线地质剖面结构面视倾角换算表

模拟的地震波为施加在模型底面的余弦剪切应力波，为减小动荷载作用下边界反射波的影响，采用黏滞边界。在黏滞边界条件中，速度与加速度不能直接作用在模型边界上，而要转换成应力作用在模型边界上，考虑0.2 g地震加速度，选取该区域地震加速度曲线（图1）作为地震载荷输入的参考。

经过简化，离散元中输入地震波的最高频率为20 Hz，振幅对应Ⅷ度地震情况为2.5 m，持时40 s。数值模拟中采用与频率相关的动态阻尼，阻尼系数取为0.01。

计算模型主要分三类，剖面倾向268°含J2J3结构面模型（下称模型1）、剖面倾向236°含J3J4结构面模型（下称模型2）、剖面倾向 236°含J1J2J3J4结构面模型（下称模型3），各模型见图3～5，模型计算所采用参数如下表3所示。

表3 参数取值表

图3 模型1及坡面监测点

图4 模型2及坡面监测点

图5 模型3

2.2.2 模型计算结果分析

针对以上3种模型计算Ⅷ度地震作用下边坡稳定性，主要对比分析地震作用下边坡位移破坏模式。图6为地震作用下坡体位移矢量图。

图6 地震作用下坡体位移矢量图

图7 各模型坡面监测点地震作用下最大位移对比曲线图

分析图6可见，地震作用使坡体表面产生大量位移，模型1中坡面块体最大位移达247 mm，模型2中坡面块体最大位移达161 mm，模型3中坡面块体最大位移达126 mm。各坡面监测点地震工况下最大位移对比曲线图见图7。

通过对比各模型坡面监测点地震作用下最大位移曲线可知：坡面自上而下朝坡外方向位移量以减小为主，至下部坡脚点处近乎为零，即坡体不会产生整体破坏，仅会产生上部崩塌区局部破坏；模型1中坡面上部崩塌区坡体位移量最大，模型3位移最小，可见J2，J3结构面组合对坡体稳定性最不利；模型3中坡面上部坡体崩塌区位移量较模型2小，可见部分情况下当坡体具有倾向坡内的缓倾结构面时对坡体稳定性较为有利。