云南苗尾水电站倾倒变形体边坡稳定性分析

骆波 湛书行 严克渊 罗江波

摘要：倾倒变形破坏是高山峡谷地区反倾薄层状斜坡的典型失稳形式之一。为了分析云南苗尾水电站库区倾倒变形体边坡（QD8）稳定性，对其岩体结构进行调查，并分析了两种破坏形式。采用极限平衡法，计算倾倒变形体边坡在天然、地震、蓄水和暴雨4种工况下的稳定性。结果表明：边坡最小安全系数为1.18，整体稳定性较好;运用离散元法，得到边坡的应力和位移分布，最大位移为0.14 m，存在局部坍塌現象，因此倾倒变形体边坡（QD8）稳定性较好。研究成果可为倾倒变形体边坡稳定性分析提供借鉴。

关键词：倾倒变形;边坡稳定;极限平衡法;离散元法;地震工况;蓄水工况;暴雨工况;云南苗尾水电站

中图法分类号：TV223文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.006

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0027 - 07

1 研究背景

20世纪50年代，国外学者开始研究倾倒变形现象，70年代首次正式提出岩体倾倒变形的概念。经过学者几十年不懈的研究，在倾倒变形岩体的稳定性分析方面已取得了丰硕成果。

极限平衡法是目前研究斜坡稳定性最常见的分析方法，Goodman和Bray（1976年）最早提出基于极限平衡理论的倾倒稳定分析方法（简称 G-B 法）。随后Zanbak[1]（1983年），Bobet[2]（1999年），Aydan和Kawamoto[3]（1992年），Wylie（1980年），Choquet（1985年）对这一方法做了改进。Hoke和Bray（1977年）详细介绍了Goodman和Bray提出的边坡倾倒稳定性分析方法，对于任一条块，作用在其上的力将使该条块处于以下3种状态中的一种：①稳定;②倾倒破坏;③滑动。卢海峰[4]（2012年）对Adhikary和Dyshin的悬臂梁弯曲极限平衡进行改进，利用剩余不平衡力作为稳定性评价依据。

Byrnte[5]、Hammett等[6]（1974年）利用离散单元法，对岩体倾倒、翻转进行模拟分析，并从运动学的角度分析其破坏机制。Hsu和Nelson（1995年）采用离散元法总结倾倒变形斜坡的变形特性，认为滑移和剪切伴随岩体的倾倒变形破坏。Coggan和Pine（1996年）运用离散单元法，选取英国Delabola采石场为研究对象，分析板岩斜坡深层弯曲倾倒破坏特征和失稳机制，并考虑到地下水的影响。Evans等[7]利用有限单元法模拟次生倾倒变形破坏机制。Orr和Swindells将有限差分法运用于露天金矿斜坡的弯曲倾倒破坏研究。任光明等[8] （2003年）通过离散元软件UDEC数值模拟分析，对软弱基座型反倾岩质高边坡的倾倒变形破坏过程进行了模拟分析，结合工程地质调查揭示了反倾向岩质斜坡的变形破坏过程。程幸东[9]（2005年）运用3DEC分析了龙滩水电站倾倒变形体边坡的影响因素。本文对云南苗尾水电站库区倾倒变形体边坡（QD8）进行坡体结构和破坏模式分析，通过极限平衡法和离散元法研究其稳定性。

2 工程概况

云南苗尾水电站库区某倾倒变形岩体倾倒体（QD8）位于澜沧江右岸，距大坝里程桩号为20+700～21+100，属于R023岸段，QD8工程地质平面见图1，沿江公路穿过倾倒体，左侧有断层F36经过。河流岸段形态为凸岸，坡脚高程为1 350 m，沿河长度400 m，高15m，边坡坡向N80°E，倾倒方向N75°E，河流流向S10°E。岩性以灰黑色板岩、千枚岩、千枚状板岩、变质石英砂岩为主。变质石英砂岩主要分布在高程1 500 m以上和坡脚位置，边坡中部主要为板岩、千枚岩、千枚状板岩，高程1 550 m以上为第四系覆盖层，QD8倾倒体1-1工程地质剖面图见图2。

根据倾倒变形岩体的变形程度，将QD8划分为3个区域。上部强倾倒岩体，产状为N50°E/NW∠15°～25°;中部弱倾倒岩体，产状为N50°E/NW∠30°～45°;下部未倾倒岩体，产状为N50°E/NW∠70°～80°。坡体结构为砂岩和板岩互层，板岩层厚0.3～20 cm，砂岩层厚10～80 cm。坡体表面风化严重，较破碎，坡体上部已经局部垮塌。倾倒体下游边界被冲沟隔断，上游边界为河流转向处。

3 岸坡岩体结构特征

通过对QD8进行详细的地质点调查，可观察到露头面从坡脚到坡顶岩性由变质石英砂岩到板岩、千枚岩、千枚状板岩以及砂板互层再到变质石英砂岩。

在河谷靠近河流地段，岩性主要为变质石英砂岩，岩体较完整，微风化，岩层产状N50°E/NW∠85°，结构面不发育，以闭合裂隙为主，坡脚分布由上部崩塌掉落形成的崩坡堆积体，厚度约50 cm，如图3所示。在板岩出露的岸段，岩体呈薄层状结构，岩层产状N45°E/NW∠85°岸坡散落分布折断的板岩岩块，坡表有灌木生长，如图4所示。

在沿江公路下部，岩性以板岩和千枚状板岩为主，下部岩层产状为N45°E/NW∠70°，上部倾倒岩层产状为N45°E/NW∠25°。坡体中分布有两组节理裂隙，产状为N19°W/SW∠22°的节理与层面近垂直倾向坡外，节理切层发育，产生拉张裂缝，节理光滑平直，贯通性较好。产状为N40°W/NE∠63°的节理呈波状粗糙，充填有少量岩屑，垂直切割岩层。如图5所示，岩体节理较发育，岩体较破碎，呈碎裂状结构，岩体发生倾倒弯曲变形。

在沿江公路的上部，分布有强风化千枚岩，如图6所示，层面平直光滑，厚度2～5 cm，薄层状结构;结构面发育，部分张开，岩石破碎，坡表风化严重，岩屑掉落堆积，呈散体状结构。上表部有第四纪坡积层，厚度约10 cm，有灌木出露。

在边坡中部和上部都分布有变质石英砂岩和板岩，如图7所示，呈互层状结构分布，变质石英砂岩厚度约20～50 cm，板岩厚度约2～10 cm，主要分布产状为N24°W/SW∠35°和N43°W/NE∠63°的两组节理，岩石破碎，表面风化严重。

4 破坏模式分析

在水库蓄水过程中，根据倾倒变形体边坡后缘拉裂缝、岩体分化程度和节理裂隙分布、坡体前缘变形分别确定滑动面的后缘边界、底边界、剪出口位置。倾倒体QD8可能发生的破坏模式有2种，破坏模式示意见图8。

（1）破坏模式①：处于极强倾倒区岩体构成潜在滑动体，沿缓倾坡外的结构面发生整体滑动，倾倒折断深度约33.7 m，滑面底部高程1 422 m，位于沿江公路上部，顶部高程1 500 m。见图7～8。

（2）破坏模式②：处于强倾倒区岩体构成潜在滑动体，沿缓倾坡外的结构面发生整体滑动，倾倒折断深度约68.3 m，滑面底部高程1 383 m，位于沿江公路以下，顶部高程1530 m。见图5和图8。

5QD8稳定性分析

5.1 极限平衡稳定性分析

（1）计算剖面。本次计算剖面见图1和图2所示的1-1剖面，slope计算模型见图9，模型底部高程1 250 m，顶部高程1 600 m，模型高350 m，水平距离600 m，并按照前文描述将模型岩土层进行分区。

（2）计算工况与参数。①蓄水工况下，蓄水位以下岩体取饱和参数，岩体参数按照85%进行折减。②暴雨工况下，根据国家防汛办《防汛手册》的规定，雨量超过100 mm/d的称为大暴雨，超过150 mm/d的称为特大暴雨，根据极端暴雨条件，并结合云南省旧州水文站的降水特征值，暴雨工况下降雨量取值为150 mm/d。③地震工况下，采用规范推荐的拟静力法，参照《澜沧江苗尾水电站场地地震安全性评价报告》，将地震工况下水平加速度取值为0.17g。计算采用摩尔-库仑模型。

根据蓄水后岸坡可能面临的各种影响其稳定性的问题，主要确定以下4种计算工况：①天然工况;②蓄水工况;③暴雨工况;④地震工况。

库区共分布有24个倾倒变形体，根据岩性不同也进行现场取样试验，QD8岩体参数根据库区其他相同岩性倾倒变形体试验的结果进行类比所确定。岩体物理力学参数见表1。

（3）计算结果分析。破坏模式①不同工况下的倾倒体边坡稳定性系数见表2和图10，天然工况下边坡稳定系数为1.26，地震、蓄水、暴雨工况下的稳定系数分别为1.18，1.24，1.21，地震和暴雨工况对边坡稳定性影响较大，蓄水工况对其影响较小。不同工况下边坡稳定性计算最危险滑裂面见图11。

破坏模式②不同工况下的倾倒体边坡稳定性系数见表3，天然工况下边坡稳定系数为1.38，地震、蓄水、暴雨工况下的稳定系数分别为1.28，1.30，1.35，地震和蓄水工况对边坡稳定性影响较大，暴雨工况对其影响较小。不同工况下边坡坡稳定性计算最危险滑裂面见图12。

5.2离散元稳定性分析

（1）模型建立和参数选取。结合地质勘查资料，以典型工程地质剖面（图2）建立变形分析的离散元模型，计算模型的几何形态及单元划分见图13。模型中各点Y坐标取各点真实高程。模型沿X向长600 m，底部高程为1 250 m，最高点高程为1 600 m。计算模型共划分24 376个单元，模型中单元均为三角形单元。计算所有材料均采用弹塑性模型，模型采用摩尔—库伦强度屈服准则，本次计算所用的岩土体参数见表4，各结构面参数见表5。

（2）计算结果。图14为离散元计算过程中的不平衡力分布，计算时步为4 000步时，坡体达到初始平衡，计算时步为12 000步时，边坡处于平衡状态。

图15和图16分别为坡体最大主应力和最小主应力分布，主应力随岩体深度的增加逐渐增大，量值为0～8 MPa，坡表倾倒岩体的应力分布范围为0～1 MPa。在坡表，最大主应力方向与斜坡近平行，往坡体内部，主应力方向发生偏转，最大主应力方向为竖直向，主应力迹线在坡体中均为层状分布。

图17和图18分别边坡X和Y方向上的位移云图，位移主要集中在坡体上部极强倾倒变形区。图19为坡体的位移矢量图。X方向上的最大位移为0.14 m，Y方向上的最大位移为0.12 m，变形区坡脚高程为1 420 m左右，顶部部高程为1 500 m左右，位移值往坡体逐渐减小至零。

6 結 论

通过对倾倒变形体边坡QD8进行变形分析，建立工程地质模型，运用极限平衡法和离散元法分析其稳定性，得出以下结论。

（1）倾倒体QD8坡脚和坡顶以变质石英砂岩为主，中部主要为板岩、千枚岩、千枚状板岩形成的互层状结构，坡表岩体倾倒变形强烈。坡体存在两种破坏模式：①沿极强倾倒界面发生滑动破坏;②沿强倾倒界面发生滑动。

（2）破坏模式①在天然、地震、蓄水、暴雨工况下的稳定系数分别为1.26，1.18，1.24，1.21;破坏模式②在天然、地震、蓄水、暴雨工况下的稳定系数分别为1.38，1.28，1.30，1.35，边坡稳定性较好。

（3）离散元计算结果显示：边坡发生变形的最大位移为0.14 m，变形区域在高程1 420～15 00 m之间。总体而言，倾倒体QD8处于稳定状态，但可能会有坡体浅表层发生局部的坍塌。

参考文献：

[1] ZANBAK C. Design charts for rock slopes susceptible to toppling [J]. Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1983，109 （8）： 1039-1062.

[2] BOBET A . Analytical solutions for toppling failure[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 1999， 36（36）：971-980.

[3] AYDAN O ， KAWAMOTO T . The stability of slopes and underground openings against flexural toppling and their stabilisation[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering， 1992， 25（3）：143-165.

[4] 盧海峰， 刘泉声， 陈从新. 反倾岩质边坡悬臂梁极限平衡模型的改进[J]. 岩土力学， 2012（2）：262-269.

[5] BYRNTE R J. Physical and numerical models in rock and soil slope stability[D]. North Queensland：James Cook University， 1974.

[6] HAMMETT R D. A study of the behavior of discontinuous rock masses[D]. North Queensland： James Cook University， 1974.

[7] RICE-EVANS  C  A，   MILLER  N  J，   PAGANGA   G.  Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic acids[J]. Free radical biology & medicine，1996，20（7）：933-956.

[8] 任光明， 夏敏， 李果，等. 陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏特征研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2009， 28（1）：3193-3200.

[9] 程东幸， 刘大安， 丁恩保，等. 反倾岩质边坡变形特征的三维数值模拟研究——以龙滩水电站工程边坡为例进行三维变形特征分析[J]. 工程地质学报， 2005， 13（2）：222-226.

（编辑：唐湘茜）

Stability analysis of toppling deformation slope in reservoir area of Miaowei Hydropower Station in Yunnan

LUO Bo1， ZHAN Shuhang2， YAN Keyuan1， LUO Jiangbo1

（1. Guizhou Survey&Design Research Institute for Water Resources and Hydropower， Guiyang   550002， China;   2. Guizhou University of Commerce， Guiyang  550014， China）

Abstract： Toppling deformation and failure is one of the typical instability forms of anti dip thin-layer slope in high mountain and gorge area. In order to analyze the stability of toppling deformation slope QD8 in the reservoir area of Miaowei hydropower station， the rock mass structure was investigated and two failure modes were analyzed. The limit equilibrium method is used to calculate the stability of the slope under natural， earthquake， water storage and rainstorm conditions. The minimum safety factor of the slope is 1.18， and the overall stability is good. By using the discrete element method， the distribution of stress and displacement of the slope is obtained. The maximum displacement is 0.14m， and there exist local collapse. Therefore， the stability of QD8 is better. The research results of this paper can provide reference for the slope stability analysis of toppling deformation body.

Keywords： toppling deformation;slope stability; limit equilibrium method; discrete element method;operation condition at earthquake; operation condition at water storage; operation condition at rainstorm; Miaowei Hydropower Station in Yunnan