蓄水条件下库区边坡稳定性数值模拟研究

丁成有

（岫岩满族自治县水利事务服务中心，辽宁岫岩满族自治县114300）

1 工程背景

岫岩县位于辽东半岛东部，近年来经济社会发展十分迅速。随着该县城镇面积的不断扩大以及城镇人口的迅速增加，供水安全问题也日渐突出。为了提高城区供水安全系数，当地政府拟在岫岩县前营子镇西大营村与狄家堡村交界处新建1 座蓄水调节中型水库——前营子调节水库，作为岫岩县的备用水源水库。前营子调节水库的设计库容为3 350 万m3，配套设施为日处理3.5 万m3的净水厂1 座，输水管线5 km。工程建成后可以为岫岩县城区、前营子农高区、雅河园区提供生活生产用水，项目计划投资5 亿元。前营子调节水库位于岫岩县城区西南部山区，为典型的河谷地貌，两岸的山势陡峭，地质条件十分复杂。特别是库区左岸距离坝址200～400 m 的区域存在较多的断层、层内和层间错动带、原生和构造裂隙等不良地质构造，在蓄水过程中会产生比较复杂的应力变形，一旦发生失稳破坏，必将对工程的安全运行造成极大威胁[1]。因此，针对该段岸坡蓄水条件下的稳定性研究具有十分重要的意义和价值。

2 岸坡三维有限元模型

2.1 模型的构建

根据对研究区岸坡的野外地质调查数据以及工程设计资料的整理和分析，得到岸坡内部空间分布情况，进而建立有限元计算模型[2]。该模型的海拔高程差为400 m，最高点和最低点的海拔高程分别为155 m 和555 m，顺河谷向长度为300 m，宽度为250 m。在岸坡内部分布有2 条较大的斜切带，岸坡表层分布有2 个大规模的碎裂松动岩体。从岸坡的地质岩性来看，主要为二叠纪玄武岩，自上而下分别为碎裂松动岩体、强卸荷岩体、弱卸荷岩体以及微新岩体。

研究中利用FLAC3D 三维有限元软件进行岸坡计算模型的构建[3]。模型以坝轴线指向左岸的方向为X 轴正方向，以垂直于X 轴指向下游的方向为Y 轴正方向，以竖直向上的方向为Z 轴正方向。模型在X 轴和Y 轴方向的宽度分别为300 m 和250 m，Z 轴方向的高度为400 m。在模型进行网格划分时，选择四面体和六面体组合单元并进行局部加密处理，最终获得122 457个计算节点，681 024个网格单元[4]。有限元模型的示意图如图1所示。

2.2 计算参数和约束条件

图1 有限元模型示意图

FLAC3D 可以提供多种不同形式的模型边界条件，以满足不同用户的研究需要[5]。结合此次研究的目的以及研究对象的实际特点，选择位移和应力边界条件[6]。因此，模型的X 轴方向的两侧需要施加应力边界条件；Y 轴方向的2 个侧面与模型的底面施加法向约束条件；模型的上部为自由边界条件；根据现场的实测地质数据资料确定初始应力场[7]。在水库建成后的蓄水过程中，研究岸坡受到渗流场和地质构造的双重作用，会形成比较明显的应力集中现象。因此，在研究中不仅需要考虑岸坡的自重应力和内部构造的作用，还应该考虑渗流作用的影响[8]。因此，研究中将模型的底面和Y 轴方向视为不透水面；模型的X 轴方向为已知水头边界。

鉴于模型的物理力学参数会对计算结果造成显著影响，研究中结合相关资料和试验结果，采用表1 所示的计算材料体物理力学参数。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

研究中，利用上节构建的三维有限元模型，对岸坡蓄水前后的应力、位移以及剪应变增量进行模拟计算，根据计算结果对水库蓄水后岸坡的稳定性进行综合评价。

3.1 应力场分析

利用模型对前营子调节水库蓄水后岸坡的最大主应力进行模拟计算，获得如图2 和图3 所示的边坡蓄水前后最大主应力云图。由2，3 图可知，相对于水库蓄水前，研究岸坡在蓄水后的最大主应力分布特征存在一定的变化，主要表现为最大主应力的值有一定程度增大，且蓄水位以下的部位增大更为明显。究其原因，主要是随着水库的蓄水，库区水位不断上升，而孔隙水的压力也不断增大。同样，在蓄水之后，岸坡额河谷部位也呈现出比较明显的应力集中现象，主要是韧性带的岩体岩质相对比较松软，会造成应力松弛，而与其相邻的岩体则会出现一定程度的应力集中。

图2 蓄水前岸坡最大主应力云图

图3 蓄水后岸坡最大主应力云图

利用构建的模型，对岸坡的最小主应力进行模拟计算，获得如图4 和图5 所示的边坡蓄水前后最小主应力云图。由图4，5 可知，水库蓄水前后的最小主应力均表现为压应力，且表现出坡表较小，深部较大的特征。同时，在坡表的部分区域表现为拉应力，但是分布的区域并不大，虽然可能诱发局部岩体的张拉破坏，但是对边坡的整体稳定性影响极为有限。

综合最大和最小主应力的计算和分析结果，研究边坡在蓄水前后的应力场并没有出现明显变化，可能发生张拉破坏的范围较小，影响极为有限。

图4 蓄水前岸坡最小主应力云图

图5 蓄水后岸坡最小主应力云图

3.2 位移场计算结果与分析

利用构建的模型，对岸坡的位移量进行模拟计算，获得如图6 和图7 所示的边坡蓄水前后位移云图。由图6，7可知，与水库蓄水前相比，研究岸坡发生位移变形的区域有所扩大，并且主要集中于水库蓄水位以下的岸坡部位，水面线以上的部位与蓄水前相比变化不大。虽然，位移区域较蓄水前有明显扩大，但是位移量均相对较小，都在10 cm以下，不会对边坡的稳定性产生显著的直接影响。从最大位移量来看，蓄水前后并无显著变化，分别为69 mm 和71 mm，其位置位于蓄水水位以上的韧性剪切带上方的岩体破碎松动区。

图6 蓄水前岸坡整体位移云图

图7 蓄水后岸坡整体位移云图

3.3 剪应变增量计算结果与分析

利用构建的模型，对岸坡的剪应变增量进行模拟计算，获得如图8 和图9 所示的典型剖面A-A剖面蓄水前后剪应变增量云图。由图8，9 可知，与蓄水前相比，研究岸坡的剪应变增量均表现为不同程度地增加。但是，剪应变增量相对较大的区域与蓄水前相比变化并不明显。从剪应变增量的具体变化特征来看，研究岸坡的坡表部位剪应变增量相对较大，其余部位的变化并不明显。此外，研究岸坡的韧性剪切带部位的剪应变增量与周围区域相比明显偏大，但是受到周围致密稳固岩体的约束作用，并没有贯通，因此不会对岸坡的整体稳定性造成显著影响。从云图上看，岸坡坡表部位的碎裂松动岩体已经贯通到前缘部位，可能会发生失稳破坏，但由于区域范围较小，不会对边坡整体稳定产生较大危害，这与应力分析结果基本一致。

图8 蓄水前典型剖面剪应变增量云图

图9 蓄水后典型剖面剪应变增量云图

4 结论

库区岸坡的稳定性对水利工程的安全和稳定运行具有重要影响，针对蓄水过程对岸坡稳定性的潜在影响，此次研究以辽宁省岫岩县拟建的前营子调节水库上游复杂地质条件岸坡段为例，利用数值模拟的方法对该段岸坡在蓄水条件下的稳定性进行数值模拟研究，获得的主要结论如下：

1）综合最大和最小主应力的计算结果，研究岸坡在蓄水前后的应力场并没有出现明显变化，可能发生张拉破坏的范围较小，不会对岸坡的整体稳定造成明显影响。

2）从岸坡的位移量来看，蓄水前后的最大位移量和位置没有明显变化，蓄水位以下的岸坡发生位移变形的区域有所扩大，但是位移量均相对较小，都在10 cm 以下，不会对边坡的稳定性产生显著的直接影响。

3）研究岸坡的坡表部位剪应变增量相对较大，其余部位的变化并不明显；韧性剪切带部位的剪应变增量与周围区域相比明显偏大，但是受到周围致密稳固岩体的约束作用，并没有贯通，因此不会对岸坡的整体稳定性造成显著影响；岸坡坡表部位的碎裂松动岩体已经贯通到前缘部位，可能会发生失稳破坏，但由于区域范围较小，不会对边坡整体稳定产生较大危害。

4）综上，水库蓄水并不会对研究岸坡的整体稳定造成显著影响，岸坡的整体稳定性较好，暂不需要采取工程干预措施。