黑河水库引水洞上部滑坡的稳定性数值模拟分析

邸海燕

(西安外事学院,陕西西安710077)

0 前 言

黑河水利枢纽工程是西安市黑河饮水工程的主要水源工程,由于该工程是西安人民的“生命线”工程,故水库的安全问题,尤其是坝肩高陡边坡的稳定条件倍受人们关注。而从2004年起,右坝肩坡体上游靠近引水洞放水塔附近的高边坡部分地段发生明显的变形破坏现象。特别是2005年夏季以来,由于降雨量比往年明显增多,坡体渗水量的增加导致边坡变形加速,坡体中上部出现多处错动和拉张裂缝,部分区段喷护层发生严重的开裂和脱落,坡体局部地段甚至发生严重滑塌[1]。因此,该边坡已经发展成为一个对库区安全,尤其是对放水塔构成严重威胁的不稳定变形体。本文采用二维离散元软件对滑坡的变形过程进行了数值模拟,分别从应力、应变、塑性区分布等方面分析滑坡的变形特征,并对坡面一点的速率、位移情况进行监测,以便对滑坡的稳定问题有较为全面的了解,为提出相应的滑坡体综合治理方案提供参考。

1 滑坡体工程地质条件概况

1.1 地形地貌

滑坡体位于黑河水库大坝右岸引水洞上部NE30°方向、约150 m处的高陡边坡上,坡度为 38°～40°,滑坡后缘出露的是相对稳定的基岩,左边界落在一个地貌不太明显的小冲沟中。滑坡右边界紧邻下游区已治理的2号滑坡,滑坡左翼中下部段有喷护层、导水渠等工程防护措施,坡体滑动后已遭破坏。滑坡上部约海拔720 m以上地形相对宽缓,坡度角为25°～33°。具体位置见滑坡平面分布图[2](图1)。

图1 滑坡平面分布图

1.2 地层岩性

研究区滑坡地段基岩主要为前震旦系宽坪群大镇沟组绿泥石片岩(Sc)和云母石英片岩(Se)软弱变质岩,其片理面产状稳定,基本呈条带状展布。覆盖层为第四系残坡积物(Q4del)及滑坡碎裂岩(岩为云母石英片岩、绿泥石片岩)[3]。

1.3 地质构造

滑坡区位于秦岭东西向构造带北缘西骆峪——田峪背斜南翼,岩层倾向SSW～SE,倾角 32°～60°,走向约NW290°～NE70°。滑坡区由于长期受S-N向挤压应力的作用,断层、节理裂隙较发育[4]。

1.4 地下水

据平洞揭露,滑坡体内存在一定量的不稳定地下水,且主要为地表降水形成的渗入水。

2 滑坡体变形破坏特征

调查发现,滑坡表层覆盖有第四系残坡积物(Q4del)及滑坡碎裂岩,基岩为云母石英片岩(Se)和绿泥石片岩(Sc)软弱变质岩,滑坡周界清晰、剪出口明显。随连续的降雨,在坡体上部部分陡峭地段(45°～60°)滑坡体表面多处出现明显的泻溜现象。

滑坡上部至后缘的地表裂缝与错台非常发育,除了所见到的喷护层中裂缝外,其它区段的裂缝也多达二三十条,宽度3 cm～20 cm。在地表有裂缝出现的地方,受坡体蠕动变形的影响,多伴有不同程度的垂直错动,部分区段还出现了明显的错台,最大错距达1.5 m。

滑坡右边界将跨过右岸坡体上的喷护层拉裂、错断,特别是在坡体的中间至右翼区段地表拉张裂缝非常发育。其中,在喷护层上的竖向裂缝多达十几条,最长有30余米,裂缝相互间基本平行,并与滑坡体总体滑动方向近于垂直。滑坡体左边界的岩层受到坡体蠕动变形的影响被揉皱或折断,岩体结构松散、破碎、产状变化复杂,其中有一些岩层表现为整体的滑动[1,3]。

3 滑坡稳定性数值模拟分析

3.1 参数选取

本次滑坡稳定性计算所用剖面是A1-A′1剖面(图2),岩体结构按变形破坏特征分为上部浅层已经滑动的滑坡体、深部的变形体和其下面的基岩三种,节理主要考虑浅层部分,断层考虑剖面图A1-A′1中F1、F2。简化后的计算模型见图3所示。区域A代表基岩滑床,区域B代表变形体,区域C代表浅层滑坡体。根据现场勘测地质资料及室内试验,参考邻近的原2号滑坡及坝址山区软弱变质岩的性质,综合选定模型的计算参数见表1[5-6]。

图2 滑坡工程地质剖面

在数值模拟中,岩体采用理想弹塑性岩体材料,屈服准则采用Mohr-Coulomb准则,节理和裂隙、软弱结构面采用库伦滑动准则,对模型的左右边做x方向的约束,底边做 x,y两方向的约束,坡面不加约束为自由面。

表1 岩土体物理力学参数

3.2 模型建立

借助于FISH语言可以编写建立模型的命令流,计算模型见图3。

3.3 模拟结果分析

计算结果见图4～图6,分别是塑性区分布图4、剪应力(Sxy)分布云图5和1点的位移监测结果图6。

图3 计算模型

图4 塑性区分布

图5 剪应力(Sxy)分布

图6 对1点的位移监测

从塑性区分布图4可见,剪切应力屈服区在滑坡体浅层分散分布,在坡体局部较集中,坡脚全部位于剪切应力屈服区,在此会形成剪出口。同时可以看出拉应力屈服区在坡体上部浅层位置分布,在坡体后缘和坡体中局部出现拉应力集中现象,从而在这些部位易产生破坏。

由剪应力分布图5可知,在天然状态下不稳定滑坡体前缘剪切应力比较集中,在外部营力作用下可能会形成剪出口,剪应力等值线图可以看出,由于坡体的浅层分布有一定厚度的碎裂岩出现了应力降低现象,最大剪应力带在变形体底界面有发展贯通的迹象,坡体沿次软弱结构面(潜在滑带)有整体下滑的趋势。

通过对坡面上一点的位移进行监测记录图6可以看出坡体沿次软弱结构面(潜在滑带)有整体下滑的位移,随着时间的推移速度逐渐增大,伴随位移量在继续增大。这表明了软弱变质岩坡体随时间在不断的发生蠕滑变形,滑坡体处于持续发展变形阶段。

实际上2004年～2005年发生滑坡及坡体变形之后,水库管理方于2006年对部分拉张裂缝进行了灌缝封护或修整,但作者2007年9月考察时发现坡体仍在不断地进行蠕滑变形,最明显的表现特征是早期出现的拉裂缝,虽然做了灌缝封护处理,但其后再次出现拉裂缝宽达2 cm。由此可知随时间变形体继续发展变形与蠕变。数值模拟结果与实际观测的结果大体上是吻合的。

4 结 论

采用离散元法对所研究的滑坡体从速度矢量图、应力、应变、塑性区等方面进行分析得出如下结论:

(1)坡体整体处于不稳定状态,有整体下滑的位移,离散元分析法基本上反映了所研究滑坡体的变形破坏趋势;

(2)由于计算模型中节理、裂隙的存在,应力在此出现了集中现象;

(3)二维离散元分析一定程度上影响着分析结果,主要表现在节理、裂隙的影响,计算结果有所变化。从某种程度上讲,人为的块体分割和基于非连续介质的算法(假定各不同岩石块体为刚性,结构产生的总位移仅仅是由各接触点(面)的变形所引起),也影响了模拟的坡体变形变化的结果,使局部可能出现应力集中现象[6-7];

(4)通过对坡面上一点的速度和位移进行历史监测,可以看到随着时间的推移速度逐增大,相伴的位移量在继续增大,坡体在不断地蠕滑变形;

(5)采用离散元数值分析方法模拟斜坡体的变形破坏特征,考虑坡体里的节理和裂隙后,数值模拟结果与实际观测的结果大体上是吻合的,离散元数值模拟在一定程度上反映了坡体变形破坏的总体趋势。

[1] 邸海燕.黑河水库引水洞上部滑坡稳定性分析与治理设计[D].西安:长安大学,2009:1-2,9-14,32-34.

[2] 马润勇,彭建兵,毛彦龙.西安金盆水库放水塔附近滑坡特征及成因分析[J].工程地质学报,2006,14(4):438-442.

[3] 长安大学工程设计研究院.黑河水库放水塔新滑坡稳定性勘察报告[R].西安:长安大学工程设计研究院,2006:21-22.

[4] 赵法锁.坡体平面旋转机理及稳定性研究[M].西安:西安地图出版社,1999.

[5] 雷远见,王水林.基于离散元的强度折减法分析岩质边坡稳定性[J].岩土力学,2005,27(10):1693-1698.

[6] 冷先伦.层状岩质边坡破坏机理离散元分析[D].西安:西安交通大学,2005.

[7] 师刚,苏立海,马云峰,等.岩质边坡评价方法对比研究[J].水利与建筑工程学报,2009,7(1):109-111.