昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析.doc

昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析2o02年第1期(專刊)水力發(fā)電JOURNALOFHIDROELECqdCENG1NEEPdNG總第6期昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析張丙印師瑞鋒.侯瑜京(1.清華大學(xué)水利水電工程系北京100084;2.中國水利水電科學(xué)研究脘北京10O038)提要本文采用離散元方法研究了昌馬水庫排鈔泄洪洞太規(guī)模塌方對右岸巖石邊坡穩(wěn)定性所造成的影響,分析了右岸巖石邊坡在施工期和蓄水期的靜,動力穩(wěn)定性及巖石邊坡可能的破壞形式.分析結(jié)果為實(shí)際工程處理方案的確定提供了依據(jù).關(guān)蕾詞巖石邊坡離散元穩(wěn)定分析一,引言昌馬水庫樞紐工程,位于甘肅省河西走廊西部玉門市疏勒河昌馬峽進(jìn)口下游1.36krn處.昌馬水庫是以農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼顧工業(yè)用水及結(jié)合發(fā)電等綜合利用的大型水利工程.它是疏勒河流域開發(fā)的龍頭工程,也是中國甘肅省河西走廊(疏勒河)項(xiàng)目的骨干水利工程.昌馬水庫樞紐由大壩,右岸排沙泄洪洞(兼導(dǎo)流),左岸溢洪道,左岸引水發(fā)電洞及水電站五部分組成.水庫壩址區(qū)右岸靠近硫磺溝倒轉(zhuǎn)背斜軸部,斷裂發(fā)育,巖體破碎,級階地基座面以上邊坡已蠕動變形,其變形型式具有傾倒型的變形特征,在邊坡不同部位其變位深度及形態(tài)不一,與正常完整的巖體之間無明顯連續(xù)的分界面.排沙泄洪洞布置在右岸級階地基巖中,洞長298.3m,設(shè)計(jì)開挖洞徑9.210m.1997年l2月30日承包商從排沙泄洪渝出口(樁號0+288)開始開挖,于1998年l0月16日隧洞全線貫通.1998年11月16日,當(dāng)承包商清理隧洞欠挖時,在樁號0+0400+080m洞段發(fā)生冒頂式太塌方.隨后又于l1月27日在樁號為0+0800+125m洞段發(fā)生了第二次塌方.兩次塌方沿洞軸線總長85m,塌方量約為1.21.5萬.右岸排沙泄洪洞的塌方事故必然造成右岸山體構(gòu)造的變動和巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布,可能誘發(fā)上部巖體邊坡的失穩(wěn).塌方發(fā)生后+在泄洪洞上部右岸山坡上已經(jīng)觀測到多條表層土的裂縫.隨著大壩的施工和水庫的蓄水,還將增加巖體的擾動與荷載,加劇應(yīng)力狀況的惡化,可能促使山坡的失穩(wěn).因此,對壩址區(qū)右岸圍巖和邊坡的穩(wěn)定性及加固方案做進(jìn)一步的分析研究是十分必要的.本文應(yīng)用離散元方法對右岸山體w砸典型剖面施工期和蓄水期的穩(wěn)定性進(jìn)行了靜力和動力的分析研究,為實(shí)際工程處理方案的確定提供依據(jù).本文于2OO1年8月1日收到.74水力發(fā)電二,右岸山體地質(zhì)概況昌馬水庫樞紐區(qū)河谷平直,呈北北西向,右岸發(fā)育級階地,寬2030m,階地前緣基巖坡近于直立,階地砂礫石厚I一2m,其上多覆蓋坡積物,厚1040m.至2000nl高程以上有基巖出露,岸邊地形坡度40嗑右,壩線下游坡度則增大至50一60.根據(jù)平硐及鉆孔資料,右岸巖體強(qiáng)風(fēng)化帶深一般為08m左右,最深達(dá)2025m,弱風(fēng)化帶深822m.另外,據(jù)現(xiàn)場實(shí)地地質(zhì)測繪表明,右岸巖層傾倒變形嚴(yán)重.樞紐區(qū)出露的地層,均為背斜倒轉(zhuǎn)翼地層.構(gòu)成右岸的主要巖層(圖1)從老至新依次為凝灰熔巖,灰質(zhì)凝灰質(zhì)砂巖夾夾巖,厚層灰?guī)r,凝灰質(zhì)砂巖與灰質(zhì)砂巖,厚層灰?guī)r,凝灰質(zhì)角礫巖夾厚層灰?guī)r.其中凝灰質(zhì)角礫巖夾厚層灰?guī)r最大厚度達(dá)182m,是構(gòu)成右壩肩及壩基的主要巖層.壩址區(qū)右岸斷裂發(fā)育,較大斷層多為壓扭性,除局部切層外,多與巖層產(chǎn)狀基本一致,且多沿巖性分層界線發(fā)育展布.320一姆傾NE的逆斷層最為發(fā)育,如F,Fl描,F瑚,圈I右岸山體主要巖層和地質(zhì)構(gòu)造F等斷層,該組斷層為右岸的控制性斷層.由于巖層巖性軟硬不同,斷層破碎帶寬度及組成物也不同.其中,F逆斷層,位于厚層灰?guī)r與凝灰質(zhì)角礫巖之間.破碎帶有巖石碎塊,巖屑等組成.并有O.52era的紫紅色斷層泥充填,無膠結(jié),壩線附近破碎帶寬達(dá)79m.級階地基座面以上19652090m高程處.岸坡較陡,巖層呈反傾邊坡,順層斷裂發(fā)育.園受構(gòu)造作用及巖體自重應(yīng)力,物理風(fēng)化及水文地質(zhì)條件等影響,順坡張性裂隙發(fā)育,表部巖體已向岸外傾飼變形,呈現(xiàn)不同程度的張開,拉裂等現(xiàn)象.形成蠕動變形邊坡.右岸邊坡的下部無傾向岸外的緩傾結(jié)構(gòu)面,下部巖層傾角陡立并為反向坡.現(xiàn)邊坡處于自然穩(wěn)定狀態(tài).綜上所述,右岸基巖具有斷裂發(fā)育,風(fēng)化強(qiáng)烈等特征.且順坡向張開裂隙發(fā)育;部分巖層已向岸外傾飼變形,岸體顯示低波速,強(qiáng)透水等特征.右岸巖體邊坡整體上屬蠕動變形型邊坡,其變形型式具傾飼型的變形特征.其中,級階地基座面以上19652090m高程段應(yīng)為分析的重點(diǎn)部位.三,穩(wěn)定分析方法在巖石工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐中.對巖質(zhì)高邊坡,壩肩與地基,堆石壩等工程的穩(wěn)定分析仍多用剛體極限平衡法一.在動力分析中則引入擬靜力法.剛體極限平衡法不考慮巖體的變形與應(yīng)力,也不能反映巖塊在發(fā)生相對位移條件下相互作用力的變化,不能模擬系統(tǒng)的破壞過程.擬靜力法忽略動力荷載與結(jié)構(gòu)的頻率特征,不能準(zhǔn)確預(yù)估系統(tǒng)的動力響應(yīng).張丙印等:昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析75離散單元法是1970年由Cnndall首次提出的,它的一個突出功能是在反映巖塊之間接觸面的滑移,分離與傾翻等太位移的同時,又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布.該方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是它利用顯式時間差分解法(動態(tài)松弛法)求解動力平衡方程,用于求解非線性大位移與動力穩(wěn)定問題具有先天的本領(lǐng),線彈性問題與靜力穩(wěn)定問題的求解僅為兩個簡單特例而已.在我國,離散元方法的研究與應(yīng)用開始于帥年代中期,多年來經(jīng)眾多學(xué)者的努力,這一方法已在數(shù)值模擬理論與工程應(yīng)用方面取得一些進(jìn)展.在離散元法中,一般將所研究的巖體假定為離散塊體的集合體,而節(jié)理,裂晾和斷層等結(jié)構(gòu)面被當(dāng)做是這些離散體之間相互作用的接觸面.塊體之間相互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出,而單個塊體的運(yùn)動則完全根據(jù)該塊體所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動定律確定.本文采用二維剛性塊體離散元法.在離散元法中,判斷體系穩(wěn)定的方法主要利用位移收斂,速度回零以及整個系統(tǒng)的不平衡力值為零三個判據(jù).在計(jì)算中往往同時采用上述的多個判據(jù).安全系數(shù)則常用臨界位移法確定.在該法中,通過改變影響系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素摩擦系數(shù),及粘著系數(shù)c的值,可以找到使邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的臨界值工,在假定,c有相同的安全儲備的條件下,邊坡的臨界穩(wěn)定安全系數(shù)k為:四,計(jì)算斷面,計(jì)算參數(shù)及計(jì)算條件4.1計(jì)算斷面及其捌塊計(jì)算中選取排沙洞樁號0+55.5m斷面也即WH5斷面為典型的計(jì)算斷面,因WH5剖面發(fā)生的是冒頂式塌方,塌落高度較大,其二維分析結(jié)果是偏于危險的,其分析結(jié)果可以代表導(dǎo)流洞塌方對右岸山體所造成的最不利的情況.在確定計(jì)算斷面的大小及位置時,將導(dǎo)流排沙洞周圍的圍巖及山體和級階地基座面以上19652090m高程段作為了分析的重點(diǎn),在計(jì)算斷面中考慮了巖體的主要結(jié)構(gòu)面,為使計(jì)算簡潔,進(jìn)行了一些適當(dāng)?shù)暮喕?在離散元方法中,計(jì)算斷面的分塊工作具有十分重要的意義.對于邊坡穩(wěn)定分析問題,由于破壞滑移面在計(jì)算中只能沿塊體的接觸面產(chǎn)生,因而可能的滑移面的大致位置在通常情況下應(yīng)事先由針對性的地質(zhì)勘探工作和分析研究工作加以確定,而在該區(qū)域的分塊應(yīng)盡量按照巖石結(jié)構(gòu)面的實(shí)際分布來進(jìn)行,只有這樣才能得到可靠的分析結(jié)果.對所取計(jì)算斷面的離散元分塊工作,是在工程單位地質(zhì)橫剖面圖及右岸邊坡巖石節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,其中橫坡向主要的結(jié)構(gòu)面(斷層)在分塊時全部給予了考慮,在上述主要的結(jié)構(gòu)面的各中間區(qū)域橫坡向結(jié)構(gòu)面的生成(主要是層厚)采用了隨機(jī)生成的方法,其傾角則主要參照了兩邊斷層的傾角.順坡向的結(jié)構(gòu)面則是根據(jù)巖石節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)的分布參數(shù),采用隨機(jī)的方法生成的.為了控制計(jì)算的規(guī)模,按區(qū)采用不同大小塊體,也即在計(jì)算斷面的重要部分(如:在導(dǎo)漉排沙洞周圍和在巖體邊坡的坡腳部位,尤其是對導(dǎo)流排沙洞上部的塌落區(qū))采用了相對較小的塊體,以保證取得較好的計(jì)算精度;而在計(jì)算斷面的其它部位(如巖體邊坡的上部和下部的基76水力發(fā)電_r170m-1Lk一24Sm圖2計(jì)算斷面及分塊圖礎(chǔ)巖盤部位),為了控制計(jì)算的規(guī)模,則采用了相對較大的塊體.wm計(jì)算斷面單元劃分的結(jié)果見圖2所示,共包括861個塊體,含有4669個接觸.4.2計(jì)算條件及參數(shù)表1為穩(wěn)定計(jì)算所采用的材料參數(shù)表.其中塌落區(qū)因在塌落前為弱風(fēng)化巖層,故其和丘取弱風(fēng)化巖層的數(shù)值.計(jì)算采用Ctmdall自適應(yīng)阻尼法.阻尼的形式和大小由計(jì)算程序根據(jù)計(jì)算情況自行確定.衰1材料計(jì)算參數(shù)衰千容重y法向剛度k切向剮度.摩擦角牯滯力c材料分區(qū)(N/11;I)(psdm)(Pa/m)(.)()弱風(fēng)化2.5xlo1.ox105xl37.02.3x強(qiáng)風(fēng)化2.4xIa.o.8x104xl28.61.5x1蠢風(fēng)化2.6xIa.1.2xl0.6xl4203.0x1塌落區(qū)2.2x10410x10.5xl2400.2x1厚層灰?guī)r2.5xIa.I2x1o.6xI43o3.4x斷層及破碎帶2.5x10404xl0.212/,00.9x14.3輸入地震波的確定昌馬壩址區(qū)的設(shè)計(jì)地震烈度為8度,根據(jù)現(xiàn)行的水工建筑物規(guī)范,其設(shè)計(jì)地震基巖峰值加速度為0.2g.根據(jù)壩址設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜反演生成的人工地震加速度時程曲線如圖3所示,詼曲線生成時采用的有效年限為500年,超越概率為10%,卓越周期為0.2秒,地震持續(xù)時間為20秒.地震荷載僅考慮了水平向地震的作用.根據(jù)計(jì)算程序的需要,計(jì)算中對所給定的地震加速度歷程采用兩點(diǎn)積分法進(jìn)行積分,把得到地震波速度歷程作為地震渡的輸入.為了消除人工生成時地震數(shù)據(jù)的飄移現(xiàn)象,對生成的加速度時程曲線進(jìn)行了基準(zhǔn)校正,使其積分后的速度在地震結(jié)束后歸零.張丙印等:昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析77D201nD-0一021.I6.J.fs圖3地震波加速度時程曲線五,右岸邊坡的穩(wěn)定計(jì)算成果分析s.1排沙泄洪洞的塌落分析1998年I1月16日右岸排沙泄洪洞發(fā)生的大規(guī)模塌方,致使右岸山坡出現(xiàn)了l2條明顯的張裂隙,對右岸山體的穩(wěn)定性造成了十分不利的影響.雖然隨后對塌方段進(jìn)行了緊急的灌漿處理,但是排沙泄洪洞塌方可能造成右岸山體松動的范圍以廈對右岸山體穩(wěn)定性造成不利影響的大小,仍是工程建設(shè)者十分關(guān)心的問題.為此這里利用離散元法對右岸排沙泄洪洞的塌方過程進(jìn)行了分析.由于各斷面的塌落高度不盡相同,塌落分析嚴(yán)格講是三維問題.因而這里進(jìn)行的二維分析僅近似地反映實(shí)際情況.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,用表l所列的材料參數(shù)和圖2中所示的塌落區(qū)分塊大小,均無法使實(shí)際的塌落區(qū)巖塊全部塌落,說明塌落區(qū)巖體或者是比所采用的劃塊方案更加破碎或者是其強(qiáng)度參數(shù)比所提供的參數(shù)要小,總之,右岸山體內(nèi)部可能存在十分破碎的區(qū)域.在計(jì)算中,為使塌落區(qū)的巖體全部塌落,對區(qū)域內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕档?表l所列的塌落區(qū),c值為降低后的數(shù)值.圖4圖示了在排沙泄洪洞塌方完成后右岸邊坡的狀態(tài).從圖中可以看出,排沙洞冒頂式塌方對巖坡的影響范圍較大.對于左側(cè)的下部坡體,由于橫坡向巖層層面的不利影響,塌方可能在該區(qū)域內(nèi)造成較大的裂縫,對坡角的穩(wěn)定性產(chǎn)生十分不利的影響;對于右側(cè)的巖坡,塌方會使巖坡產(chǎn)生較大的位移,在巖坡的上部造成眾多的張裂隙,對巖坡整體穗定性影響十分不利.圖4所示的巖坡張裂隙區(qū)域與實(shí)際發(fā)生的張裂隙區(qū)域是一致的.s.2右岸邊坡的靜力穩(wěn)定分析按照前面所述的臨界穩(wěn)定安全系數(shù)法,假定f,c有相同的安全儲備,通過不斷降低f,c值對計(jì)算剖面作一系列靜力計(jì)算.按式(1)算得K=l7一1.8,岸坡是穩(wěn)定的.圖5圖示了巖坡剖面在臨界安全系數(shù)為1.8時巖坡的變形狀況.從圖中可以看出,在臨界安全系數(shù)為1.8時巖坡雖然最終仍處于穩(wěn)定狀態(tài),但此時巖坡已有相當(dāng)?shù)淖冃?從圖中所示,巖坡的坡腳部位已形成了連續(xù)的滑穆面,其滑移的位移已超過14.em,同時在巖坡的上部也已出現(xiàn)了眾多的張拉裂隙.這說明此時巖坡已基本處于臨界狀態(tài),因而巖坡在自然狀態(tài)下的臨界安全系數(shù)可以認(rèn)為在1.71.8之間.圖6為臨界安全系數(shù)為2.0時巖坡的破壞過程圖.從圖中可以看出,平臺下部坡角部位的滑移傾倒型破壞以及F斷層以上部位的傾倒型破壞構(gòu)成了巖坡破壞的主要特征.計(jì)78水力發(fā)電圖4捧沙泄洪洞塌方后右岸邊坡的狀態(tài)圖5巖石山坡的變形狀況(I臨界安全系數(shù)k=1.8)算表明,F.斷層以上部位巖體的傾倒型破壞應(yīng)為巖坡破壞的主要誘因之一.從以上的分析可以看出,F斷層頂部處應(yīng)為加固措施所考慮的重點(diǎn),同時應(yīng)注意對巖坡坡角的保護(hù).5.3巖石邊坡的動力穗定分析圖7,圖8分別為臨界安全系數(shù)為1.4時的巖坡變形狀態(tài)和三個點(diǎn)的位移時程圖.從圖中可以看出,wm剖面在地震結(jié)束后仍然是穩(wěn)定的,但巖坡已發(fā)生了較大的位移,巖坡的坡腳精移面的滑移已達(dá)20era,在巖坡上部的張拉裂隙最大張開度也已達(dá)26era.從圖8所示的位移過程曲線可知,地震造成的巖坡上部觀測點(diǎn)3的永久水平和垂直位移分別已達(dá)54cm和27cm.同時由8度地震造成的松動巖體的范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大.綜上所述,在臨界安全系數(shù)為1.4的情況下,雖然地震結(jié)束后巖坡仍然是穩(wěn)定的,但巖坡的位移已有相當(dāng)?shù)牧考?巖坡總體的穩(wěn)定性已遭到了一定程度的破壞.圖9圖示了當(dāng)臨界安全系數(shù)為1.8時巖坡的破壞過程,從圖中可以看出,其破壞的形式同靜力的情況基本一致.張丙印等:昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分折79圖6巖坡的破壞過程(臨界安全系歙:2.0)圖7地震后巖石山坡的狀況(臨界安全系教k:1.4)六,結(jié)語1.根據(jù)所提供的強(qiáng)度指標(biāo),巖坡的靜力穩(wěn)定臨界安全系數(shù)在1.71.8之間,在8度地震情況下的動力穩(wěn)定臨界安壘系數(shù)在1.31.4之間.2.山體下部坡角部位的滑移傾倒型破壞以及E斷層以上部位的傾倒塑破壞構(gòu)成了巖坡破壞的主要特征.計(jì)算表明E,斷層以上部位巖體的傾倒壟破壞應(yīng)為巖坡破壞的主要誘因之一.從以上的分析可以看出,F斷層及其頂部處應(yīng)為加固措施的重點(diǎn),同時應(yīng)注意對巖坡坡角的保護(hù).80水力發(fā)電.點(diǎn)2u安4Bl2l620時聞(穢)地震造成的山坡位移狀況(嵇界安全系數(shù)=1.4)圖9地震后巖坡的破壞過程(嵇界安全系數(shù)=I8)3.排抄泄洪洞的塌方,造成右岸山體產(chǎn)生較大的位移,并會在塌方體周圍及巖坡上部出現(xiàn)較大范圍的巖體松動,會對巖坡整體的穩(wěn)定性造成不利的影響.另外,排沙泄洪洞的塌落分析也表明排沙洞上方的巖體非常破碎,加之塌方所造成的不利影響,因而對排沙洞周圍區(qū)域的加固尤其是對塌方空洞的回填和塌方松散體及其周圍巖體松動區(qū)的固結(jié)灌漿,對保證排沙泄洪洞及整個右岸山體的穩(wěn)定性是非常重要的.4.由于不存在對右岸山體穩(wěn)定不利的深層軟弱滑裂面,經(jīng)計(jì)算表明,右岸山體不會發(fā)生大規(guī)模的深層滑動破壞.參考文獻(xiàn)1Giarfi,G.P.,R0ckSlopeStabilityAnalysis,A.A.Balkeraa,19922張有天,周維垣,巖石高邊坡的變形與穩(wěn)定,中國水利水電出版社,北京,1999年4月.3Cundall,P.A.,AComputerModelforSimulationProgressiveLaScaleMovementinBlockym瑚瑚瑚瑚張丙印等:昌馬水庫樞紐工程右岸巖石邊坡穩(wěn)定性的離散元法分析System.InProc.Syrup.