基于渐进微震损伤效应的蓄水期库岸稳定性分析

刘兴宗　唐春安　李连崇　孙润

摘要：大岗山水电站自2014年12月开始蓄水，至2015年11月库区水位从975m升至1130m。水电站右岸边坡地质条件复杂，发育有辉绿岩脉、卸荷裂隙带和断层等不良地质体，降低了岩体性状，使右岸边坡在蓄水期存在局部或整体失稳的风险。通过对右岸边坡实施微震监测，获得了蓄水过程中右岸边坡微破裂的演化规律。结合微震监测信息，应用三维岩石真实破裂过程分析方法（RFPA3D-Centrifuge）计算蓄水期右岸边坡在渐进性微震损伤效应下安全系数随库水位升高的变化过程。经计算，边坡安全系数随库水位升高而降低，库水位升高对边坡稳定性有不利影响。最终安全系数为1.76，满足规范要求，说明蓄水过程中边坡处于稳定状态。

关键词：边坡稳定;水库蓄水;微震监测;微震损伤效应;渐进性损伤;大岗山水电站

中图法分类号：P642

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.026

文章编号：1001-4179（2019）03-0151-05

水库型滑坡90%左右与水有关，其中与库水位变动有关的滑坡比例非常高[1]。Jones研究了Roosevelt湖附近1941～1953年发生的一些滑坡，其中49%发生在蓄水初期，30%发生在水位骤降的情况下，发生在其他时间段的滑坡通常比较微小[2]。在日本，大约60%的水库滑坡发生在库水位骤降时期，其余的40%发生在水位上升期，包括蓄水初期[3]。在我国，统计资料表明，库岸失稳破坏发生在库水位上升期的约占40%～49%，发生在水位消落期的约占30%，而一些大型滑动则往往发生在库水位达到最高峰后的急剧消落时刻[4]。由此可见，库水位变动对岸坡的稳定性具有极为不利的影响。在库水位变动引起边坡失稳的研究方面，国内外学者通过理论分析[5]、原位观测和试验[6-7]、数值模拟等方法取得了丰硕成果[8-12]。大岗山水电站坝址区处于由多个断裂切割的断块上，枢纽区河谷呈“V”形峡谷，两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然边坡坡度40°～65°，相对高差一般在600m以上。枢纽区岩体主要为中粒花岗岩，另外有辉绿岩脉（β5，β43，β62，β68，β83，p85）、破碎的花岗岩脉（γL5，γL6）、闪长岩脉等脉岩穿插发育于花岗岩中，尤以辉绿岩脉分布较多。经现场勘测，大岗山水电站右岸边坡除辉绿岩、花岗岩等岩脉外，分布有——条主要断层（f231）和两条大型深部卸荷裂隙带（XL-316，XL-915）。在右岸边坡开挖过程中出现若干条宏观裂缝，且多次发现岩体沿卸荷裂隙带XL-316和断层f231的变形错动。为了抑制结构体变形，采用微膨胀混凝土回填抗剪洞置换处理软弱结构体的加固方法，在右岸边坡1240，1210，1180，1150，1120m及1060m高程布置抗剪洞。大岗山水电站右岸边坡代表性地质截面如图1所示，复杂的地质条件使右岸边坡在蓄水期存在局部或整体失稳的风险，所以在已有的常规监测技术基础上，引入了加拿大ESG生产的微震监测系统进行蓄水期岩体微破裂的实时监测和分析。本文通过微震监测成果，分析了蓄水过程中大岗山水电站右岸边坡的微破裂演化规律。在徐奴文等的工作基础上[13]，提出了更能体现蓄水过程中边坡岩体状态调整的渐进性微震损伤模型。通过岩石真实破裂过程分析软件RFPA3D-Centrifugue进行考虑渐进性微震损伤效应的边坡稳定性计算，从而对大岗山水电站右岸边坡蓄水期稳定性作出评价。

1蓄水期右岸边坡微震监测结果

大岗山水电站初次蓄水工作分为3个过程：2014年12月30日至2014年12月31日导流洞下闸蓄水，水位从975m.上升至1005.36m;2015年5月29日至2015年7月4日导流底孔下闸蓄水，水位从1015.18m.上升至1120m;2015年8月15日之后，水位在1120m至1130m之间波动。蓄水过程中，右岸边坡内共监测到51个有效微震事件，微震事件的时空分布如图2所示。事件球的大小代表微破裂释放的能量大小;图2除了体现边坡表面之外，还显示了边坡内的交通洞、与大坝相连的廊道和抗剪洞，其中抗剪洞用浅蓝色线条表示，并标注了其所在高程。不难发现，51个微震事件都出现在2015年5月29日至2015年7月4日期间，这与该段时间内的水位变化有直接关系。2015年5月30日至6月5日期間，在辉绿岩脉β68，β83，β85周围出现较多的微震事件，在1060，1210m和1180m高程抗剪洞周围出现少量微震事件。2015年6月6日至6月26日，随着水位的升高，辉绿岩脉β68，p83，β85周围没有继续出现微震事件，而在1240，1210，1180m和1150m高程抗剪洞附近出现大量微震事件，且微震事件的能量值相对较大。当水位接近1120m高程时，除1210m和1180m高程抗剪洞附近有少量低能量微震事件外，在辉绿岩脉β68，p83，β85周围也有少量微震事件出现。在蓄水过程中，右岸边坡微破裂表现出空间上由低到高，在抗剪洞附近集中，尺度上由小到大再到小的特点。

2右岸边坡蓄水期稳定性评价

对于边坡而言，任何超过抗剪或抗拉强度的应力状态都是不能稳定的，一旦发生局部破坏，应力将重新调整，边坡的安全系数也随之而改变[14]。本节将基于微震监测获得的丰富的震源信息，建立渐进性微震损伤模型，并使用RFPA3D-Centrifuge进行有限元计算，获得右岸边坡蓄水期的安全系数，对右岸边坡蓄水期的稳定性作出评价。

2.1RFPA3D-Centrifuge方法简介

RFPA3D-Centrifuge方法是在保持材料强度参数不变的情况下[15]，通过不断增加块体密度来模拟一次离心机试验，直到边坡破坏。该方法采用弹性损伤本构模型，单元在达到破坏准则之前，保持弹性的力学性质，当单元破坏之后，其强度参数更改为残余强度。计算程序所选用的破坏准则是带拉伸截断的Mohr-Coulomb准则。在使用RFPA3D-Centrifuge计算时，当边坡出现贯通的滑移面时认为边坡失稳，此时单元的自重与初始单元自重的比值定义为该边坡的安全系数

公式

式中，Step為边坡失稳时的加载步数;△g为离心加载系数;y为材料密度，g/cm3

2.2渐进性微震损伤模型

岩石破坏过程中释放与耗散的能量与岩石强度之间有一定的关系[16]。基于此，徐奴文等开发了评价边坡稳定性的微震损伤模型[13]。定义微震震源尺寸范围内的岩体单元损伤变量D为该单元分配到的能量△U与岩体单元可释放应变能Ue的比值，其中△U由基于微震监测到的地震辐射能UM和地震效率η反算得到：

公式

式中，UM可以从震源信息中获得，η仍然选用马克给出的数值为0.003%[17]。当岩体的初始弹性模量E0、泊松比γ和3个主应力已知时，Ue可以按下式获得：

公式

由于微震事件并不是集中在某一个时间点出现，而是随着水位的变化逐渐产生。因此，可以将蓄水过程按时间细分成几个小时间段。在每个小时间段内，进行考虑微震损伤效应边坡安全系数计算时所采用的微震信息仅仅是在该时间段内的数据。为了充分显示边坡的渐进性损伤以及蓄水过程中边坡的状态调整，边坡岩体的材料力学参数根据微震损伤效应不断地调整。在前一时间段内没有发生损伤的岩体，仍然采用原始的材料力学参数进行后一时间段的计算;而在前一时间段内发生损伤的岩体，其材料力学参数作出如下调整

公式

式中，D为前一阶段考虑微震损伤效应计算得到的损伤系数;E0，σ0和γ0代表前一阶段的材料弹性模量、抗压强度和泊松比;E1，σ1和γ1代表考虑微震损伤效应后代入到后一阶段计算时采用的材料弹性模量、抗压强度和泊松比。

2.3蓄水期边坡稳定性评价

大岗山水电站右岸边坡在开挖结束后进行了相应的喷锚加固措施。在蓄水的过程中，库水很难在短时间内渗入边坡内部，因此当使用RFPA3D-Centifuge进行大岗山水电站右岸边坡蓄水期安全系数计算时，忽略库水渗流作用。

计算前，将微震事件根据图2所示分成4个小时间段，每个时间段7d。分别编辑每个时间段内微震事件的震源信息，写入4个独立的导入文件，以备后面考虑渐进性微震损伤效应有限元计算时调用。实体模型是根据右岸边坡的实际地质条件（图1）采用大型商用软件ANSYS建立。模型的尺寸为顺河向400m，横河向914m，高度720m。建模时进行了适当地简化，保留了主要的岩脉、断层、卸荷裂隙带以及边坡内主要的结构体（抗剪洞等）。全部采用六面体单元剖分网格，共得到571080个单元，600700个节点（如图3）。计算域四周法向约束，底部采用固定铰支座，边坡表面自由。将模型导入到RFPA3D-Centrifuge中进行安全系数的求解，根据现场试验和工程类比确定计算所采用的材料力学参数如表1所示。

计算时选取离心加载系数为0.01。从图4破坏单元分布图可以看出，初始阶段破坏单元主要分布在边坡内的岩脉β43、β68、β83、β85和抗剪洞附近，这与微震监测到的事件分布区域一致。随后在卸荷裂隙带出露坡表处出现破坏单元，并沿着软弱结构面不断发展。从计算结果看整个右岸边坡共有两条主要的软弱结构面：一条是以卸荷裂隙带XL-915为主的软弱结构面;一条是以卸荷裂隙带XL-316和断层f231组成的软弱结构面。两条软弱结构面均是从顶部最先出现破坏单元，然后破坏单元逐渐向底部延伸。卸荷裂隙带XL-915由于没有任何加固措施，在计算到第77步时，形成了贯通的滑移面;而软弱结构面XL-316/f231由于受到抗剪洞的影响，此时并没有完全贯通。根据安全系数的定义及式（1）可以计算出在考虑蓄水过程对边坡造成的渐进性微震损伤后的安全系数为1.76。大岗山水电站工程等级为I等，其对应的主要水工建筑物等级为1级，因此右岸边坡的级别为1级。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）相关规定，确定大岗山水电站右岸边坡蓄水期的安全系数要求至少为1.30。计算所得的安全系数满足规范要求，说明经过蓄水过程后的大岗山水电站右岸边坡处于整体稳定状态。

整个计算过程中各个时间段考虑渐进性微震损伤效应计算得到的边坡安全系数与微震事件能量变化如图5所示。安全系数变化的整体趋势是减小的，说明蓄水对边坡产生了不利的影响。而安全系数减小的速度与每个时间段内微震事件的能量大小有直接关系。从图5可以看出，在蓄水的过程中，能量最大的微震事件出现在第二个时间段内，所以在这一时间段内计算得到的安全系数有了明显地下降。而在其他3个时间段的计算过程中，由于微震事件的能量相对较弱，微破裂尺度小，对边坡稳定性影响小，没有出现安全系数陡降的情况，这体现了微震损伤模型用来评价边坡稳定性的可行性。

3结论

基于渐进性微震损伤效应，对大岗山水电站右岸边坡蓄水期稳定性进行了分析，得到如下结论。

（1）蓄水对边坡稳定性有不利的影响，且随着库水位的升高，边坡的安全系数逐渐降低。

（2）微震事件能量越高，说明微破裂的尺度越大，对边坡的稳定性影响越大。微震监测是一个很好的定性评价边坡稳定性的方法。

（3）蓄水虽然对边坡稳定性造成了影响，但经计算，边坡的安全系数为1.76，满足规范要求，说明大岗山水电站右岸边坡在蓄水过程中处于稳定状态。

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引用本文：

刘兴宗，唐春安，李连崇，孙润.基于渐进微震损伤效应的蓄水期库岸稳定性分析[J].人民长江，2019，50（3）：151-155.

Stability analysis of reservoir bank slope during reservoirimpoundment based on effect of progressive microseismic damage

LIU Xingzong，TANG Chun' an，LI Lianchong，SUN Run

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 1 16023，China;2.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Yantai Institute of Metrology，Yantai 264003，China）

Abstract：The Dagangshan Hydropower Station began to impound in December 2014，and the water level increased from 975m to 1130 m in November 2015.The right bank slope was subjected to complex geological condition，including diabase dikes，unloading fissures and fractures，which attributed to the local or overall failure of right bank slope in the process of water impoundment.The evolution of micro-fractures of the right bank slope during impoundment was obtained by microseismic monitoring technique.Combining the abundant microseismic monitoring information，the safety factor of the right bank slope during impoundment was calculated by realistic failure process analysis code in three dimensions（RFPA3D）.Through considering theeffect of progressive microseismic damage，the results showed that the safety factor decreased as the water level increased.The final safety factor was 1.76，which met the requirement of the specification，indicating that the right bank slope was overall stablein the process of water storage.

Key words：slope stability;reservoir impoundment;microseismic monitoring;microseismic damage effect;progressive damage;Dagangshan Hydropower Station