基于DDA分析的白石水库库岸硬岩边坡倾倒变形研究

李志环

(凌源县水务局宋杖子震水利站,辽宁 凌源 122524)

倾倒破坏是水利工程建设和运行中层状岩质边坡失稳的主要类型。此类变形一般不存在明显的滑面，因此也不会导致快速滑动变形的出现，但是不采取必要的变形控制措施，任由变形持续发展，最终可能导致拉裂、崩塌等破坏或深层滑坡。倾倒变形属于一种比较复杂的边坡变形，受到众多因素的影响。郑允、吴昊、杨建成等[1-3]学者对倾倒变形及破坏机理进行了深入探讨和研究，认为边坡的几何形状、岩层的厚度和强度、节理产状和力学参数以及初始地应力和外在荷载均能够对岩质边坡的倾倒变形造成影响。但是，边坡倾倒破坏的真实变形机制和安全标准方面尚未形成研究定论。本次研究以辽宁省白石水库上游右岸边坡为例，利用DDA分析模型对硬岩边坡倾倒变形进行深入研究，力求为相关理论的完善和边坡治理提供借鉴和帮助。

1 工程简介

白石水库始建于2009年，坝址位于辽宁省北票市大凌河干流上，是一座以供水为主，兼具发电、旅游、养殖的大型水利枢纽工程[4]。水库控制流域面积17 649 km2，占大凌河流域面积的76%，水库正常蓄水位为126 m，总库容为16.45亿m3。水库建成后可以使下游地区的防洪标准由原来的20 a一遇提高到50 a一遇，同时每年可以向下游的阜新和锦州等城市提供生产生活用水2亿m3。白石水库的防洪设计标准为百年一遇，下泻流量为2675 m3/s，校核标准为千年一遇，下泻流量为3814 m3/s。白石水库所在的大凌河流域属于寒温带大陆性气候，降雨的年际变化较大，最大年降雨量为1053 mm，最小年降雨量为345 mm；夏季降雨较多，其中7、8两月的降雨量占全年的4成左右。

研究的岸坡位于白石水库上游右岸的400～800 m范围内，岸坡在水面线以上的最大高度接近700 m。地质调查结果显示，岸坡的岩体主要包括4种结构，自外向内分别为散体结构、碎裂结构、块状结构以及次块状结构。岸坡主要由花岗岩构成，其中的断裂构造发育且具有较大的规模，并认为其中存在的4组较大的结构面会对后期的蠕动变形起到主要影响作用。

2 计算方法

2.1 计算模型

根据白石水库右岸岸坡的现场观测资料，2#山梁的倾倒蠕变变形特征比较典型，同时变形量也最大，因此选取2#山梁作为本次DDA分析的对象。对2#山梁的典型剖面进行分析，并对其内部结构和相关参数资料进行概化整理，建立起如图1所示的2#山梁二维DDA计算模型。模型高820 m，长1562 m，共划分为2298个计算单元。模型考虑到了岸坡内部的主要断层，并对内部的结构面间距进行必要的调整，力求通过模型计算可以获得与实际情况最为接近的计算成果。

图1 2#山梁二维DDA计算模型示意图

2.2 计算荷载与工况

岸坡倾倒蠕变变形的DDA分析应主要考虑以下荷载：岸坡的自重荷载、初始水位荷载、水库运行过程中水位变动、岩体自身的蠕变[5]。对白石水库右岸岸坡而言，由于自重变形已经完成，因此在模拟过程中不予考虑，但对自重产生的初始应力场应该予以保留。蠕变变形是岸坡岩体的主要力学性质，是对岸坡时效变形进行解释的重要依据，在模拟计算过程中应该重点考虑。由于白石水库的岸坡具有比较好的透水性，在库水位发生变化之后，岸坡内的水位可以迅速达到稳定状态，因此在计算过程中可以按照稳定渗流考虑库水位荷载的影响。此外，由于岸坡为花岗岩，且水位变化过程历时不长，因此计算中不考虑水对岸坡岩体的侵蚀作用。基于上述分析以及研究的主要目的，设计出如表1所示的计算工况。

表1 计算工况设计

3 计算结果分析

利用构建的关于白石水库右岸边坡2#山梁典型剖面的DDA计算模型，对不同工况下的岸坡倾倒蠕变变形进行数值模拟计算，并对计算结果进行分析。

3.1 工况1计算结果分析

利用构建的模型对工况1条件下的岸坡水平、竖向位移变形以及综合变形进行DDA计算。由计算结果可知，岸坡水平位移变形的最大值为1.50 m，方向为朝向河道方向；竖向位移变形的最大值为6.2 m，岸坡的综合位移变形的最大值仅为6.4 m，与实际监测结果明显不符。计算结果说明，由于水库库水位变动造成的岸坡变形量极为有限，同时主要集中于岸坡下部。

3.2 工况2计算结果分析

利用上节构建的计算模型，在考虑岸坡蠕变变特征情况下，对白水水库右岸岸坡的蠕变变形进行DDA数值模拟分析。

3.2.1 变形量计算结果分析

利用构建的模型对工况2条件下的研究断面水平和竖向位移进行计算，结果显示，岸坡的水平位移最大值约30 m，方向为朝向河道方向，竖向位移的最大值接近15 m，在岸坡顶部平台部位出现了若干陷落带。根据位移变形量计算结果，绘制出如图2所示的岸坡综合变形云图。由计算结果可知，计算断面的最大变形位于岸坡顶部的前缘部位，最大变形量接近40 m。在研究断面的D103断层出口部位，由于部分块体在应力作用下随着蠕变变形被挤出，因此变形量明显较大。

图2 岸坡综合变形云图

3.2.2 岸坡变形形态分析

利用DDA计算结果，对研究岸坡的整体和局部形态进行模拟。从整体上看，岸坡呈现出自上而下的倾倒蠕变变形，在岸坡的局部伴随着张裂、剪切、崩塌、挤出等不同形式的变形。相对而言，岸坡的中下部岩体比较稳定，主要表现为倾倒变形，同时伴随着少量的剪切错动变形，有少量岩块被挤出岸坡表面。岸坡的上部倾倒蠕动变形特征最为明显，根据计算结果绘制的变形形态图如图3所示。由图可知，岸坡的上部表现为典型的挤压倾倒蠕变变形，在D103断层附近，有大量的岩块在挤压作用下破碎和挤出，由于岸坡顶部整体向库区方向变形，且前缘的变形量明显偏大，造成在平台上出现了大量的翻边梗和塌陷带。总之，利用DDA方法在工况2下的变形形态计算结果与现场观测结果具有较高的吻合度，这也说明了本文研究和计算方法的有效性和适用性。

图3 岸坡上部变形形态示意图

3.2.3 变形过程分析

对变形量最大的K1点的变形过程进行计算，并与实际观测值进行对比，结果如图4所示。由图可知，DDA计算结果与实测值在变形量与变形过程方面均具有良好的吻合度，在说明研究方法的科学性和适用性的同时，也验证了白石水库岸坡变形的主要原因是水库蓄水造成的岸坡岩体蠕动变形。

图4 DDA计算值与实测值对比曲线

4 结 论

本次研究以辽宁省白石水库右岸岸坡为研究对象，建立基于典型断面的二维DDA数值分析模型，在考虑水岩耦合以及岸坡蠕动变形的基础上，从变形量、变形形态以及变形过程等方面进行了DDA模拟，并获得如下主要结论：

(1)水库库水位变动造成的岸坡变形量极为有限，同时主要集中于岸坡下部，岸坡变形主要表现为岩体在水库蓄水条件下的蠕动变形。

(2)岸坡的水平位移最大值约30 m，方向为朝向河道方向，竖向位移的最大值接近15 m，最大综合变形量接近40 m；岸坡呈现出自上而下的倾倒蠕变变形，在岸坡的局部伴随着张裂、剪切、崩塌、挤出等不同形式的变形。岸坡的中下部岩体比较稳定，上部表现为典型的挤压倾倒蠕变变形，坡顶平台前缘的变形量明显偏大。

(3)利用DDA方法在工况2下的变形形态计算结果与现场观测结果具有较高的吻合度，说明本文研究和计算方法的有效性和适用性，可以用于水库岸坡倾倒蠕动变形预测研究。