顺层岩质边坡的蓄水响应特征研究

2021-03-20张芊冉

水科学与工程技术 2021年1期

张芊冉

（浙江水利水电学院，杭州310018）

1 引言

库岸边坡相比于交通行业的挖填方边坡及市政、工民建行业的基坑边坡有着显著不同。这类边坡具有成因机制复杂、隐蔽性好、威胁性大的特点，因此对这类边坡进行深入研究具有良好的现实意义。

通过对近年来的研究成果进行归纳整理，发现行业内的研究、技术人员主要将研究重点聚焦于将新技术引进至滑坡变形分析。如吴国宏等（2020），将TM30测量机器人在水库地质灾害中的应用进行了探究，研究成果具有一定的推广价值［1］。但更多的研究人员，还是主要将研究重心聚焦于传统的机理分析上［2-5］，譬如，顾东明（2020）对三峡库区反倾岩质边坡的时效变形特征进行了研究［6］。雷卫佳等（2020）对水位升降对边坡渗流场特征进行了研究［7］，朱应佳等（2020）对东北某库岸边坡稳定性进行了评价［8］，周延国等（2020）对小盘河水库库区的黄土塌岸进行了分析预测［9］。

本文以浙江某水电站为研究对象，对场地揭露的顺倾边坡在水位变动的情况下进行了流固耦合分析，揭示了边坡变形机理，本论文的研究成果有望为类似工程提供参加价值。

2 工程案例基础条件与数值计算前处理

2.1 研究区工程地质条件

位于浙江宁海境内的白溪支流大溪上，其坝址在大溪中游沙地村附近，场地以丘陵、构造剥蚀中低山地貌为主，地形地貌如图1。

图1 研究区水库地形地貌

区域内降雨充沛，年均降雨量可达1060mm，最大单日降雨量达66mm。新构造运动活跃。库区内主要出露有天马山组的砂岩、泥岩、泥质粉砂岩。研究区内不良地质体以顺倾边坡为主，研究区边坡细部发育情况如图2。

图2 顺倾边坡细部图

通过对现场调研发现，自2017年来，随着每年蓄水、泄水工作的实施，研究区边坡中上部开始出现变形，该病害体一旦失稳，可能对水库的正常运营造成威胁，因此笔者以本工点为范例，对其变形机理进行研究，以期为今后类似工程的建设提供参考价值。

2.2 数值模型建立方法

结合场地的实际情况，分别建立常水位、蓄水位、泄水位数值模型，如图3。

图3 数值计算模型

网格采用四边形单元与三角形单元混合的形式，单元边长范围在1～3m之间。水平和竖直方向均采用固定约束。

计算工况选取3种：

（1）常水位工况（水位线65m）；

（2）蓄水位工况（水位线89m）；

（3）泄水位工况（水位线51m）；

参数主要依据场地勘察成果取值，综合取值如表1。

表1 岩土体物理力学参数综合取值

3 变形机理分析

3.1 天然工况计算结果及分析

图4～图8为工况一的研究区边坡的数值计算结果。

图4 天然工况最小总应力云图

图5 天然工况最大剪应变云图

图6 天然工况合位移分布情况

图7 天然工况屈服单元分布情况

计算结果表明：坡体处于常水位时，最小总应力总体受压应力控制，与重力方向呈近似正交关系，与实际情况相符，但坡表局部位置和坡体内部局部出现拉应力单元，说明整体稳定性较好，但可能存在局部稳定性问题。最大剪切应变云图方面，可以发现在泥岩层内部出现了剪应变集中，说明该区带可能为蠕动层，为相对不稳定层。在位移方面，可发现，最大位移约1.2cm，量值较小，在泥岩层内没有出现明显的位移增量，从屈服单元云图来看，坡体内部主要在坡体中后部与坡脚位置泥岩层内零星分布有屈服单元，结合前文分析可知：总体拉应力区未贯通，位移量值也比较小，因此整体稳定性较好。

3.2 蓄水工况计算结果及分析

图8～图12为研究区边坡在蓄水作用下的计算结果云图。

图8 蓄水工况最小总应力

图9 蓄水工况最大剪应变

图10 蓄水工况合位移

图11 蓄水工况水平位移

图12 蓄水工况屈服单元分布情况

计算结果表明：相比天然工况，蓄水后，最小总应力的拉应力区明显扩展，沿坡体内部逐渐延伸至斜坡前缘。最大剪应变方面，应变增量沿泥岩层，量值明显增加，合位移方面，最大位移量达8cm，相比天然工况明显增加，坡体内部屈服单元主要沿泥岩层和坡体上覆粉砂质泥岩展布。综上可知：蓄水后，坡体内和坡表拉应力区不断延伸并逐渐贯通，软弱带发育于泥岩层，位移在重力与蓄水两种工况组合作用下不断增加，坡体内部沿泥岩和上覆粉砂质泥岩形成屈服面，该屈服面可能为潜在变形面。

根据以上分析，认为水库蓄水后，导致边坡出现变形，整体处于不稳定状态。

3.3 泄水工况计算结果及分析

图13～图17为研究区边坡在二期蓄水作用下的计算结果云图。

图13 泄水工况最小总应力

图14 泄水工况最大剪应变

图15 泄水工况合位移

图16 泄水工况水平位移

图17 泄水工况屈服单元

计算结果显示：泄水工况下，边坡中上部坡表拉应力区贯通，但边坡中下部拉应力区未贯通，泥岩层内部出现剪应变集中，但量值相比蓄水工况更小，最大位移约3.0cm，比天然工况大2.3cm，但小于蓄水工况，从屈服单元来看，泥岩层内完全屈服，坡体上覆粉砂质泥岩局部分布有屈服单元，未整体贯通，由以上分析可知：在泄水工况下，研究区边坡整体处于欠稳定状态，该边坡受蓄水影响更大。