岷江某水库蓄水运行期进水口高边坡变形特征模拟研究

曹运江，杨 浩，黄润秋，冯 涛，唐辉明，黄玉凤

（1.湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭411201；3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；4.中国地质大学 工程学院，武汉430074）

岷江某电站枢纽区河段呈一凸向NE方向的180°河曲，使右岸山体成为三面临空（河）长约1000m、底宽400～650m的单薄条形山脊，平面上呈“Ω”形。坝址即位于河曲的转折端，水工建筑物大多布置在右岸条形山脊，包括坝后地面厂房、紧邻右坝端的开敞式溢洪道、4条引水发电隧洞、1条冲沙隧洞和2条由导流洞改造而成的“龙抬头式”泄洪排沙隧洞。在相应部位开挖形成多个高陡边坡：1＃、2＃泄洪洞进（出）水口边坡、引水发电洞进水口边坡等（图1）。

工程区出露的基岩为上三叠统须家河组第三段，为灰–深灰色中厚层状中–细粒岩屑石英砂岩与瓦灰色、灰黑色薄–中层状粉砂岩、粉砂质泥岩、碳质页岩夹煤层等组成15个韵律层，其中与水工建筑物关系密切的有7个（T3xj3－8－T3xj3－14）韵律层。褶皱、断层、层间挤压破碎带与裂隙均较发育，条形山脊为一个典型的向斜山（图1）。砂岩中结构面发育，将岩体切割成块裂－碎裂结构，极大地降低了岩体的完整性［1］。

一般说来，地质环境主要由岩土体环境、地应力环境和水环境构成。在自然条件下，它们之间有着密切的联系，始终处于不断变化的动态平衡之中［2，3］。坝区因水库的蓄水引起地表水和地下水环境及地下水作用系统的变化，不仅会加剧原有水岩作用的进程，往往还会引起一些新形式的水岩作用的发展［2］。这些作用，不是通过改变岩土体的状态，就是通过改变其结构或成分，不断恶化岩土体的性质，最终导致岩土体因不能继续保持与周围环境的原有平衡而发生灾变，从而达到与周围环境的新平衡。因此，水库蓄水后条形山脊地下水压力的形成、特征以及对进水口高边坡变形的影响，是需要特别关注的问题。

1 边坡变形中水的考虑

水库蓄水条件下，对边坡进行稳定性分析时，如果把浸水岩体当作研究对象，那么水和岩块之间的作用力是内力［4，5］。滑动岩块的静力平衡方程式可以写成

图1 枢纽区地质图及I－I′地质剖面图Fig.1 Geological map of the junction region and I－I′geological section

式中：Wa为水上部分岩体重量；Wb为水下部分的饱和岩体重量；F为滑动岩块边界上受到的全部水压力的合力；G′为滑动岩块边界上受到的全部块体间有效作用力的合力。如果把岩块当作研究对象，水对岩块的作用是外力。这个外力包括浮力和渗透力两部分。于是，滑动岩块的静力平衡方程式可以写成

根据定义

式中：Ww为与岩体水下部分同体积的水重。渗透力D可通过积分求得

式中：d为单位岩体所受的渗透力，同时可以通过熟知的渗透力的微分表达式求得

式中：γw为水的容重；φ为势函数；gradφ为水力梯度；h为位置水头。

根据相关原理［6］，饱和岩体所受渗透力的合力等于该岩体边界上水压力的合力加上与该岩体同体积的水重。使用场论中散度原理，即可证明

将上式代入式（2），即可得式（1），这说明两种方法具有一致性。

结合蓄水后地下水位的变化［7，8］，将库水对边坡的影响作如下考虑：浮力和坡体的软化，计算时可通过采用浮容重和软化后的力学参数来实现，坡体内水位变化与水库蓄水位变化有关，并按“河间地块”的库水位变化时地下水分水岭位置变化的情况来考虑（图2）。

2 计算模型参数建议取值

图2 水库蓄水后不同阶段浸润面剖面特征Fig.2 Profile characteristics of the infiltration surface in different stages after reservoir water-storing

FLAC3D软件适合于模拟复杂地质模型问题而逐渐被应用于土木工程的各个领域中［9－11］。计算时采用美国Itasca顾问有限公司开发的FLAC3D（2.0）渗流软件［12，13］。建立计算模型时，在条形山脊边坡开挖模型的基础上，选取相同的坐标系、计算模型范围及边界条件。并将整个条形山脊开挖后的岩土体概化为33种材料，根据早期的地质勘察报告，同时进行室内试验（饱水为主）和工程类比，综合确定各岩土体的物理力学参数，如表1所示。

3 水库蓄水阶段条形山脊边坡数值模拟分析

3.1 条形山脊地下水孔隙压力分布

坝上游库区是条形山脊地下水主要补给源，同时也是其主要的排泄场所（下游），其水位明显受上游NW侧水库水位的控制。在天然阶段条形山脊边坡地下水孔隙压力分布模拟的基础上，利用切割法建模技术，在天然水位EL.750m的条件下，模拟出不同蓄水高程（EL.770m、EL.817m、EL.850m、EL.877m）条形山脊两侧边坡在地下水作用下，边坡的变形场、应力场等特征［14］和可能失稳破坏域［15］，从下至上分别对应4个不同蓄水高程的水位面［16］（water table face）。水库不同蓄水位稳定后，条形山脊地下水孔隙压力分布如图3～图6所示。其量级明显比天然水位EL.750m 的地下水 孔隙压力（0～1.962 MPa）有所增大，变化范围（含天然水位）分别为0～2.208MPa、0～2.250MPa、0～3.044MPa、0～3.165MPa，相应的最大增幅分别是12.6%、14.7%、35.5%、38.0%。

图3 蓄水至EL.770m条形山脊边坡地下水孔隙压力分布图Fig.3 Distribution of the groundwater pore pressure on strip-like ridge slopes while water-storing arrives at EL.770m

表1 条形山脊边坡岩土体物理力学参数（饱水）Table 1 Physical and mechanical parameters of saturated soil and rock mass of strip-like ridge slopes

3.2 进水口边坡变形特征分析

水库蓄水后的最大水位落差66m（EL.883.10～817.00m）。库水位升降对进水口边坡稳定性的影响，特别是洪水季节前后库水位的骤然升降条件下边坡稳定性如何变化，一直是人们所关注的问题。

图4 蓄水至EL.817m条形山脊边坡地下水孔隙压力分布图Fig.4 Distribution of the groundwater pore pressure on strip-like ridge slopes while water-storing arrives at EL.817m

图5 蓄水至EL.850m条形山脊进水口边坡地下水孔隙压力三维分布图Fig.5 3Ddistribution of the groundwater pore pressure on strip-like ridge slopes while water-storing arrives at EL.850m

图6 蓄水至EL.877m条形山脊进水口边坡地下水孔隙压力三维分布图Fig.6 3Ddistribution of the groundwater pore pressure on strip-like ridge slopes while water-storing arrives at EL.877m

水库蓄水后，边坡稳定性与库水位的升降关系主要表现为：因库水位的抬高，改变了地下水的活动规律。一方面抬高地下水位，提高了地下水压力；另一方面扩大了地下水的活动范围。其结果对岸坡岩体产生浮托力，降低滑坡体上的有效压力，从而降低滑面上的抗滑力。另外，库水位的上升导致坡体浸水体积增加，滑面上的有效应力减少或抗滑阻力减小［17］，软化岩体，特别是经过层间剪切错动的L9、L10、L11（进水口开挖边坡特发育）等软弱岩层，结果使滑面上的整体抗滑能力大为降低。整个进水口边坡岩体强度经试验分析，新鲜完整中细砂岩的风干抗压强度为70～100MPa，但其饱水抗压强度为60～80MPa，强度降低程度较大（15%～20%）。因此，岩体的强度软化和悬浮减重双重效应对开挖边坡稳定性影响较大，或多或少会影响到边坡整体或局部失稳［18］。利用FLAC3D技术中内置的Fish语言对条形山脊开挖边坡进水口的蓄水过程分阶段进行有效的数值模拟［19］，而蓄水后期则按稳定水位考虑。在库水位由施工期的EL.750m水位分阶段逐渐蓄水至正常蓄水位EL.877m过程中，条形山脊边坡进水口的合位移变形特征如图7～图10所示。由图可见，变形的总体特征为随着库水位的上升，进水口的变形总的趋势是逐渐增大，从剖面上来看，总体上表现为表层位移量级较大，随深度而逐渐减小。开始时，进水口边坡总体上位移较小，且主要集中在蓄水位以下；随着蓄水位的抬升，大变形向边坡上部攀升，与库水位下进水口边坡变形相比，其位移量增值明显，具有蓄水后位移浸润增大的趋势，蓄水至EL.877m水位稳定后变形量值达到最大值。蓄水稳定后，不同库水位条形山脊边坡进水口具体变形特征如表2所示。

图7 蓄水至EL.770m稳定后进水口（含垂直Y轴817m剖面）合位移等值线图Fig.7 Intake 3Dtotal displacement isograms after the water-storing arrives at EL.770mand is stable

图8 蓄水至EL.817m稳定后进水口（含垂直Y轴817m剖面）合位移等值线图Fig.8 Intake 3Dtotal displacement isograms after the water-storing arrives at EL.817mand is stable

表2 不同蓄水位稳定后边坡进水口变形特征Table 2 Deformation characteristics of the intake on high slopes after the different water-storing levels are stable

图9 蓄水至EL.850m稳定后进水口三维及剖面（垂直Y轴749m、X轴235m）合位移等值线图Fig.9 Intake 3D/profile total displacement isograms after the water-storing arrives at EL.850m and is stable

从表2可以看出，不同的蓄水位，有不同的变形量值，其中EL.770m为0～6.490cm、EL.817 m为0.026～6.320cm、EL.850m 为0.054～8.260cm、EL.877m为0.045～9.170cm。对比不难发现，变形量级均为厘米级，且最大变形量也没有超过10cm。根据各类建筑（构）物的变形允许值的1/10～1/20要求［20］，同时，通过支护有效地抑制边坡时效性的发生和发展，充分说明该电站进水口高边坡开挖竣工蓄水后，变形被有效地控制在了工程允许的范围内。

图10 蓄水至EL.877m进水口合位移及局部大变形放大等值线图Fig.10 Intake 3Dtotal displacement and partial enlarge deformation isograms after the water-storing arrives at EL.877mand is stable

4 结论与建议

开挖边坡演化及破坏区的形成是一个复杂的动力学过程，而坡体的变形迹象则是其发展演化过程的一个外在表现。蓄水后，库区进水口边坡所赋存的地质环境发生了变化，其变形及稳定性状态也将发生改变，整个过程为一复杂的应力－应变调整过程。复核条形山脊两侧开挖边坡模型后，建立水库蓄水运行条件下的计算模型，并对不同蓄水阶段的变形及稳定性进行预测。具体获得以下认识：

a.高边坡地质工程研究是以高边坡稳定性评价为目标，来源于面向高边坡开挖对象的施工地质，服务于地质运营工程。水库蓄水运行期的高边坡稳定性研究，丰富了高边坡地质工程研究的内涵和外延，对高边坡地质工程稳定性评价具有重要指导意义。

b.随库水位抬升，蓄水过程中进水口边坡地下水孔隙压力变化云图一目了然，变形逐渐往坡体上部发展，且量级逐渐增大。三维数值仿真显示，溢洪道进水口与EL.885m平台下方L11层位（EL.840～852m）与2＃泄洪洞的洞脸边坡左上方（EL.833.59～847.50m），为大变形集中部位。在这两个部位应该实施追踪监测，密切关注其位移量的变化。

c.受蓄水位的影响，进水口边坡的临江（Y方向）位移往山内方向顺层滑移还是朝山外倾倒拉裂不定，研究表明层间剪切错动带成为正负位移的“转换断层”效应。针对4个不同蓄水阶段系统趋于平衡状态，配合地表追踪点位速度追踪，水库蓄水运行期整个条形山脊两侧边坡是稳定的。同时，蓄水对边坡变形场影响明显，虽有变形，但变形量级均为厘米级，变形范围0～9.170cm。导致水库蓄水运行期所引起的边坡位移呈递进变形趋势，最大变形量也没有超过10cm，其变形量值处于该电站进水口高边坡允许变形范围。在进水口边坡不同部位，特别是水下特定位置，多布置监测点，及时把握进水口高边坡变形发展趋势。

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