果卜库岸边坡稳定数值分析与评价

曹新民

（甘肃省肃南裕固族自治县大河乡水利工作站，甘肃 肃南734400）

0 前言

工程活动中必须面临和解决的一类问题就是边坡稳定性问题，边坡稳定性问题的出现和发展与现代科学的发展和进步具有密切的关系[1-5]。最早从十九世纪边坡稳定性问题才被提出，人类才开始研究该类问题，到二十世纪四十年代边坡稳定性问题的研究进入到重要的发展阶段。

边坡稳定性问题的研究早期的主要研究对象是土体，并未延伸到岩质边坡，早期为了研究土体力学问题，往往假设边坡滑动面的位置和形状是固定的，同时采用材料力学方法以及基于简单的均质弹塑性理论为基础的半经验半理论的研究方法进行研究。这一时期有若干典型的研究方法，方法较多，但是运用起来往往相当困难，比如彼得森的圆柱滑动面方法，该方法只考虑摩擦力而不考虑粘结力，再比如弗兰西斯和卡尔门的平面滑动面分析方法等。上述方法所获得计算结果与实际往往相差较大，这主要是由于上述方法，力学原理粗浅，所作出的有关假设往往脱离了土体的实际力学性质。本文采用数值计算方法获取果卜库岸边坡稳定数值分析，探讨超高边坡的变形机理。

1 工程概况

拉西瓦水电站水库总库容10.79亿m3，装机容量4200MW（6×70MW）。根据电力系统负荷发展，装机程序为连续装机5台，第6台机土建随前5台机一次完成。水库调节库容1.5亿m3，具有日调节能力；电站多年平均发电量102.23亿kWh，保证出力990MW。工程枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪表孔深孔坝后消力塘和右岸岸边进水口地下引水发电系统组成。水库正常蓄水位2452m，坝顶高程2460m。果卜岸坡位于右岸坝前石门沟上游~双树沟范围内，岸顶高程距大坝500 m~1200 m（黄花沟）和1500 m（双树沟）；正常蓄水位高程时距大坝900 m~1700m范围。岸坡高700m，属于超高边坡。

2 数值模型

2.1 计算原理与方法

岸坡破坏失稳全过程包括三个阶段：岸坡破坏孕育、岸坡局部失稳跌落、库区涌浪。合理描述上述三个阶段的其中每一个，需要有限元、流体动力学等数值方法耦合使用。采用变形加固理论进行稳定和加固分析。计算参数采用位移反演得到。计算程序采用非线性有限元程序TFINE。剪切吸水现象一般是指饱和堆积体在自然排水条件下含水率随着剪切作用而增大的行为。相应的剪切吸水率是指剪切过程中饱和堆积体的含水率随着剪应变的变化，它的大小主要是采用体应变增量和剪应变增量之比来度量来度量的。平衡和稳定条件在连续介质力学里面是被连续化成场的概念的。微元体的平衡微分方程和屈服条件都要求在连续介质的结构内逐点得到满足的。为了体现岩体次级结构的力学效果，本文从复合材料力学的角度出发，将岩块看成基质，将次级结构和岩体各种加固措施看成是夹杂。现有模拟方法的缺点可以由材料力学方法克服。其实弹塑性有限元与材料力学方法都是通过求取本征应变引起的材料力学。

2.2 计算模型

计算采用设计院提供的果卜岸坡地质平、剖面图，建立果卜岸坡完整的数值计算模型。模型模拟范围为：垂直向，向河床以下深度方向延伸到2048m高程，顶部向上延伸到2980m高

2.3 材料力学参数

岩体及结构面的物理力学参数建议值分别如表1所示。

数值计算分析中，①、②组结构面取碎屑夹泥型参数；③组的沟底以外浅部取碎屑夹泥型和岩块岩屑型的程；横河向，后缘以LF1至岸里100m为界，前缘延伸至左岸2250m高程为界。顺河向：从双树沟到石门沟之间1200 m范围。模型以竖直向下为Z轴正方向，水平指向山体为X轴正方向，指向上游为Y轴正方向。模型模拟范围为：X方向：-1877m~0；Y 方向：-1200m~0；Z 方向：0~932m。

网格采用六面体和五面体单元，以保证能获得较高的计算精度。计算网格如图1所示。其中：整体模型总节点数：309108；总单元数：293863。基于材料力方法来模拟岩体次级结构，模拟了4组结构面。结构面模型和总体模型相互独立，结构面模型总节点数：177133；总单元数：149805。平均值。沟底以里取岩块岩屑型参数；④组的浅部取碎屑夹泥型参数，深部取岩块岩屑型的适当折减参数；各组裂隙型结构面可在岩块岩屑型和硬性结构面强度参数之间选取。

图1 果卜岸坡整体计算网格

表1 果卜错落体岩体力学参数建议值

3 边坡稳定分析

3.1 边坡变形预测

预测边坡从当前状况下，水位在一个月内逐步抬升到2452m边坡的整体变形，并计算了水位稳定在2452 m后一个月内边坡的时效变形。

由结果可知，（1）各个测点预测结果增量下：监测点k1：水位抬升过程中较反演结果约增大了14 cm。水位稳定在2452 m一个月后变形约增大10 cm。（2）水位上升到2452 m后，边坡整体变形不大，总体能保持稳定。各剖面的位移分布情况为：（a）I-I剖面：横河向最大位移为20.7 m，顺河向最大位移为11.7 m，竖直向最大位移为22.9 m。剖面顶部大变形（大于1 m）向山体内延伸约50 m。内部岩体横河向位移大部分在20 mm以下，顺河向位移在10 mm以下，竖直向位移在20 mm以下。（b）III-III剖面：横河向最大位移为13.7 m，顺河向最大位移为5.1 m，竖直向最大位移为6.9 m。剖面顶部大变形（大于1 m）向山体内延伸约30m。内部岩体横河向位移大部分在20mm以下，顺河向位移在15mm以下，竖直向位移在25mm以下。（c）VI-VI剖面：横河向最大位移为16.9m，顺河向最大位移为4.2m，竖直向最大位移为12.5 m。剖面顶部大变形（大于1 m）向山体内延伸约40 m。内部岩体横河向位移大部分在30 mm以下，顺河向位移在10 mm以下，竖直向位移在20 mm以下。

3.2 边坡稳定性评价和开挖方案建议

由结果可以看出：（1）正常工况下，边坡屈服区主要集中在坡脚、坡顶处。坡脚处由于应力集中，边坡屈服区较大。顶部产生较大的倾倒变形，岩体屈服，进入塑性变形。（2）顶部和坡脚处均出现很大的不平衡力。顶部岩体出现很大的不平衡力，反映了顶部岩体处在局部失稳或临界稳定的状态，稳定性差。屈服区和不平衡力的分布，反映了边坡当前的稳定状况，即顶部岩体处于临界失稳，部分处于局部破坏，坡脚处岩体应力集中（3）由于不平衡力是自平衡力系，在方向相反的不平衡力的分解部位，就是可能的滑动面的部位，因此，可以根据不平衡力的分布，可以大致确定可能滑坡体的滑动面。（4）水位上升至2452 m后，边坡屈服区和不平衡力变化不大。

同时由结果可以看出：（1）按照设计院提供的方案（方案4A）进行开挖，边坡回弹位移横河向最大值为65.9 mm，顺河向为-45.4mm，竖直向为-119.2 mm。（2）按照方案4B进行开挖，边坡回弹位移横河向为59.0 mm，顺河向为104.7 mm，为-126.8mm。（3）按照方案4C进行开挖，边坡回弹位移横河向为88.7mm，顺河向为103.6mm，竖直向为-154.6m。各方案回弹位移量值均较小。实际工程中可以将2860 m高程以上LF1前缘挖除一部分，2860m高程以下按照设计院方案阶梯状开挖，开挖方量约为1200万m3。这样既能减少开挖方量，也能降低顶部继续发生倾倒变形，甚至发生滑坡的可能。

4 结语

通过对果卜岸坡稳定性计算，可以得到如下结论：（1）果卜产生倾倒大变形的主要因素为：a）底部浸水岩体的力学参数变化；b）有效球应力降低引起的剪切放大效应；c）顶部倾倒岩体的临界破坏。（2）边坡的总体变形规律为：顶部岩体为倾倒大变形，边坡内部位移较小，与实测变形过程及大小基本一致。（3）在当前工况下，边坡整体稳定安全度约为1.1，但安全余度自上而下，由低变高，上部浅层有可能出现局部失稳。（4）三个开挖方案均有效果，整体静力稳定性可提高至1.3以上。

[1]将忠信,基于反算原理的滑坡推力的简易估算 [J].岩土工程技术,2005,19(6):319-322.

[2]丰定祥,吴家秀,葛修润.边坡稳定性分析中几个问题探讨[J].岩土工程学报,1990,12(3):1-9.

[3]黄润秋,许强,陶连金,林峰.地质灾害过程模拟和过程控制研究[M],北京:科技出版社，2002.

[4]伍法权,云母石英片岩斜坡弯曲倾倒变形的理论分析[J].工程地质学报,1997,5(4):306-311.

[5]范文,俞茂宏,李同录等.层状岩体边坡变形破坏模式及滑坡稳定性数值分析[J].岩石力学与工程学报2000,19(增刊):983-986.