基于数值模拟的水位升降对倾倒变形体稳定性影响研究

黎万昌

（贵州省毕节市金海湖新区毛栗水库管理所，贵州 毕节 551600）

1 引言

水电站受活跃的构造运动和高地应力等因素影响，两侧边坡存在大量不稳定岩质边坡，一旦变形破坏，会对水电站的安全运营造成巨大影响。丁阳波等在Sarma法基础上，编写了Fortran 强倾倒变形体稳定性分析程序，研究苗尾水电站工程倾倒变形体体的稳定性，并与离散元程序对比验证，结果表明，坡角越陡稳定性越低，蓄水后稳定性比蓄水前稳定性大大降低。李兴明等采用UDEC 进行数值模拟，分析了某电站边坡的倾倒变形破坏特点，揭示了其失稳破坏规律。以某水电站倾倒变形体为例，分析其失稳破坏机制，采用数值模拟了水位波动对倾倒变形体的影响程度，对于相似工程具有参考意义。

2 工程概况

研究区倾倒变形体地处高山峡谷区，地形坡度变化较大，呈陡缓相间地貌，陡坡段坡度65°～70°，局部缓坡段坡度20°～25°见图1。出露地层为侏罗系中统-上统拉贡塘组（J1-2l）石英砂岩，岩层产状：N60°～70°E/NW∠60°～65°。岩性为石英砂岩和少量石英岩，未见灰岩等可溶岩，构造及卸荷裂隙发育，所切割危岩块体块径一般2～5 m不等。

倾倒变形体范围主要分布在坝址左岸上游，岩体发生明显倾倒变形现象。变形体主要为板岩、石英砂岩，石英砂岩自身抗风化的能力较强，板岩抗风化能力较弱。

3 倾倒变形体发育及破坏特征

3.1 倾倒变形体发育特征

变形体紧临进水口，顺河长120 m，横河宽约240 m。根据倾倒变形强弱，可分为强倾倒变形体（倾倒后岩层倾角小于等于30°，以下简称“强变形”）和弱倾倒变形体（倾倒后岩层倾角小于60°大于30°，以下简称“弱变形”）。其中强倾倒变形岩体水平深度5 m，初估方量约19 万m3；弱变形体水平深度5～18 m，则约11 万m3；两者合计约30 万m3。由于修建公路开挖边坡，导致变形体前缘发生局部垮塌，顺河长20 m，横河长50 m，厚度约10 m，预估方量为1万m3。

3.2 变形体可能失稳模式分析

在研究区布置了4条平硐进行探测。以平硐PD03和PD07勘查结果为例。硐口可以清晰见到岩层发生倾倒，岩层倾倒后倾角在50°左右，根据倾倒变形强弱判定为弱倾倒。PD03硐内上游壁40 m处可见岩层发生折断，折断面呈折线状，折断面下段的产状为N60°W／NE＜21°，上段的产状为N60°W／NE＜70°，折断面以上的岩层发生倾倒产状为N60°W／SW＜51，折断面以下的岩层为正常基岩，产状为N80°E／SE＜80°，折断面是岩层弱倾倒的底界，也是岩层发生破坏的潜在滑移面。PD03硐内上游壁62.50 m处可见岩层发生折断，折断面的产状为N70°W／NE＜33°，折断面以上的岩层发生弱倾倒，产状为为N60°W／NE＜55°，折断面以下的岩层未发生倾倒，为正常基岩，产状为N70°W／NE＜75°。

根据分析，变形体所在部位以板岩和石英砂岩为主，岸坡岩体陡立。倾倒变形体是伴随河流下切、地壳抬升而成的，并随着地质历史倾倒变形由表及里，由强而弱，斜坡表部的强变形体随着坡脚锁固段的坍滑而逐渐诱发牵引其上的其他强变形体下滑，最终形成目前的地形地貌特点。目前所见的倾倒变形体。同时可以按倾倒～弯曲、弯曲～拉裂的变形程度的强弱划分为强变形体和弱变形体，强变形体倾倒～弯曲变形后的岩层倾角小于30°，而弱变形体倾倒～弯曲变形后的岩层倾角在30～60°。

4 数值模拟计算

4.1 模型及计算参数

基于FLAC 3D数值有限元建立模型进行分析。设定模型材料静力参数和模型静力边界条件，计算自重应力的初始应力场；设定材料本构模型、材料动力参数，进行模型分析。采用典型剖面为图1中的1-1’剖面。建立数值模型见图1所示。

图1 典型剖面数值计算模型图

暴雨状态下板岩强倾倒潜在滑面内摩擦角取27°，粘聚力取35 kPa；根据工程经验，天然状态下板岩强倾倒潜在滑面滑面内摩擦角取29°，粘聚力取43 kPa。采用工程类比法，结合常见石英砂岩物理力学参数，将暴雨状态下滑面内摩擦角取37.80°，粘聚力取100 kPa；天然状态下滑面内摩擦角取40°，粘聚力取120 kPa。

4.2 计算结果

计算工况①正常蓄水位下工况，水位3 723 m；②考虑水位骤降5 m，即3 718 m工况。

蓄水前坡体塑性区云图表明，坡体的剪切应变集中在强弱倾倒变形体的底界以及两个潜在滑移面上，倾倒变形体底界前部的剪切应变最大，最大值为4.58×10-4。结果表明，坡体的剪切应变集中在强倾倒变形体的底界上，最大值为0.01。应变增量云图表明，强倾倒变形体稳定性较差。

不同水位下，倾倒变形体塑性区云图表明，底界潜在滑面未出现塑性屈服现象，强倾倒变形体处于稳定状态；弱倾倒变形体底界潜在滑面未形成贯通塑性屈服区，弱倾倒变形体处于稳定状态；潜在滑移面Ⅰ未出现塑性屈服现象，处于稳定状态；潜在滑移面Ⅱ未形成贯通塑性屈服区，处于稳定状态。水位骤降后，强倾倒变形体底界潜在滑面未形成贯通塑性屈服区，强倾倒变形体处于稳定状态；弱倾倒变形体底界潜在滑面未形成贯通塑性屈服区，处于稳定状态；潜在滑移面Ⅰ未形成贯通塑性屈服区，处于稳定状态；潜在滑移面Ⅱ未形成贯通塑性屈服区，处于稳定状态。

不同水位工况下，倾倒变形体水平位移云图表明，弱倾倒变形体前缘的水平位移最大，最大值为1.63×10-3m，弱倾倒变形体上的水平位移较小，基岩上的水平位移最小。水位骤降后强倾倒变形体前缘的水平位移最大，最大值为0.02 m，弱倾倒变形体上的水平位移较小，基岩的水平位移最小。

综合有限元数值模拟可以看出，水位骤降对研究区倾倒变形体的稳定性影响较大，当水位降低时，边坡水平位移大幅增大，塑性区扩展较快，稳定性降低。

5 结论

①变形体所在部位以板岩、石英砂岩为主。随着河谷下切、地壳相应抬升，使得岸坡岩体向临空面方向发生倾倒～弯曲、弯曲～拉裂、弯曲折断面形成潜在底滑面的过程模式。现场调查及统计分析，强变形体倾倒～弯曲变形后的岩层倾角一般小于30°，而弱变形体倾倒～弯曲变形后的岩层倾角30°～60°。②FLAC数值模拟结果表明，倾倒变形体边坡在蓄水前主要为强倾倒变形体的表面发生浅表层变形破坏。不同蓄水位工况下倾倒变形体的稳定性结果表明，当蓄水位为3 723 m 时，变形体前缘的水平位移最大，最大值为1.63×10-3m；水位为3 718 m 时，最大值水平位移为0.02 m。整体来看，水位骤降对倾倒变形体的稳定性影响较大，但数值结果表明强倾倒变形体和弱倾倒变形体的滑面均为发生贯通，坝库水位骤降导致的失稳的可能性较小。