蓄水条件下某水电工程坝址区变形体变形与稳定性研究

第14卷01期南水北调与水利科技Vol.14No.012016年2月South2to2NorthWaterTransfersandWaterScience&TechnologyFeb.2016蓄水条件下某水电工程坝址区变形体变形与稳定性研究11,211马磊,李满意,冯樊,史玲(1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院),重庆400042;2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都610059)摘要:库岸边坡在蓄水后的变形和稳定问题一直是水电工程的主要问题,尤其是坝址区库岸边坡稳定性对水电工程的正常运营起着至关重要的控制作用。针对黄河上游某水电站库岸一变形体边坡,在对该变形体边坡基本特征分析的基础上,采用数值计算的手段,对黄河上游某水电站坝址区变形体在自然及蓄水条件下稳定性进行对比分析。结果表明:蓄水后变形体边坡的变形具有明显的分区特征,且坡体的变形受影响较大。同时,利用强度折减法对变形体的稳定性系数进行了计算,变形体的稳定性较好,考虑到坡体局部稳定性较差,可能会产生局部失稳破坏,因此,需采取支护措施保证该处坝址区变形体在运营期间的长期稳定性。关键词:库岸边坡;坝址区;变形体;变形;稳定性中图分类号:P642文献标识码:A文章编号:167221683(2016)00120119204DeformationunderstorageconditionsandstabilityofahydroelectricdamsiteareaofdeformationMAlei1,LIMan2yi1,2,FENGFan1,SHILing1(1.ChongqingKeyLaboratoryofExogenicMineralizationandMineEnvironment(ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources),Chongqing400042,China;2.StateKeyLaboratoryofGeoharzardsPreventionandGeoenvironmentProtection(ChengduUniversityofTechnology),Chengdu610059,China)Abstract:BankSlopedeformationandstabilityinstorageafterthehydropowerprojecthasbeenamajorproblem,especiallyinslopestabilityRes2ervoirDamAreaofthenormaloperationofthehydropowerprojectcontrolplaysavitalrole.TheupperreachesoftheYellowRiverHydropowerReservoirforadeformationofaslope,slopedeformationbasedonthebasiccharacteristicsoftheanalysis,theuseofthemeansofnumericalcal2culation,undernaturalconditions,andimpoundmentofahydropowerdamontheupperreachesoftheYellowRiverareainthedeformablebodystabilitywereanalyzed.Theresultsshowthat:Afterimpoundingdeformationslopedeformationcharacteristicshaveobviouszoningandde2formedbodygreatlyaffected.Atthesametime,theuseofstrengthreductionfactorforthestabilityofdeformablebodieswerecalculated,betterstabilitydeformablebody,takingintoaccountthelocalslopestabilityispoor,maycauselocalbucklingdamage,therefore,needtotakesupportmeasuresensurethedamareawherethedeformablebodyinlong2termstabilityduringoperations.Keywords:bankslopes;damarea;deformablebody;deformation;stability黄河上游某水电站坝址区发育一变形体。该变形体具面形态呈不规则状,地形总体坡度约40b,后缘变形体可见高有方量大、局部变形明显、近坝址等特点,一旦失稳击起的涌约20~30m的后壁,部分地段为3~5m厚的第四系崩坡积浪有可能直接危胁坝体的安全、正常运行,因此对其稳定性物。变形体下游边界为一较大的/V0字型冲沟,沟内堆积有展开评价直接关系到该水电站的安全。本文在该变形体边变形体及水流冲刷携带的块、碎石。上游边界在地形地貌上坡基本特征的基础上,采用数值计算方法,对该变形体蓄水不甚清楚,仅从微地貌上可见小的沟壑痕迹。变形体最大纵条件下的变形及稳定性进行评价。以避免发生意大利瓦伊长180m,横宽约160m,变形体最大坡体厚度58m,详见图昂水库边坡失稳的事例,同时,为同类工程的研究提供依据。1。该变形体边坡后缘高程约为1800m,前缘高程约1600m,高于正常蓄水位(1705m)。变形体边坡总体积约1变形体的基本特征3366万m,正常蓄水位1705m,水上部分约42万m,水下部该变形体边坡位于坝前约600m的左岸岸坡,变形体平分约24万m3。收稿日期:2015201227修回日期:2015203204作者简介:马磊(19842),男,河南周口人,工程师,主要从事地质灾害防治方面的研究。E2mail:13953057@qq.com.通讯作者:李满意(19862),男,安徽砀山人,工程师,主要从事岩土体稳定性评价、地质灾害防治方面的研究。E2mail:562365608@qq.com.水文地质与工程地质#119# 第14卷01期#南水北调与水利科技#2016年2月图1变形体平面图根据野外调查以及钻探、平硐揭露结果,坡体表面大部本正常,仅局部有所变动。分地段覆盖有崩坡积物,厚度一般不大。岩体仍有一定的完滑床形态具有上陡下缓的特征(见图2),滑床中上部基本整性,除层面外,陡倾坡外结构面较为发育,拉裂、破碎现象沿中陡倾坡外的结构面顺层发育,滑面倾角一般50b~60b,滑较为明显。部分地段拉裂、架空现象严重,其物质组成主要体中下部滑面倾角相对较缓,一般20b~40b。滑带中上部特征为较大的块、碎石。与结构较为简单,主要是沿拉裂缝发育,物质组成一般为岩变形体下部,缓倾坡外结构面较发育,滑体破碎程度显块,岩屑。下部滑面上附有泥质物,厚度一般为2~5mm,并著增高,滑移-拉裂、架空现象更加严重,滑体中岩层倾角基填充有岩屑、岩粉,揭示了结构面有运动迹象,亦见明显擦痕。图2变形体工程地质剖面下,坡体中上部会形成陡倾角结构面,下部形成缓倾角结构2变形体的破坏模式面,同时,由于在坡脚处差异位移受到阻挡从而在此部位产变形体主要由泥盆系上统的灰岩组成。原始岸坡为层生应力集中,局部可能出现微弱的剪裂、架空现象。状逆向坡。变形体所在的山脊三面临空,上下游边界发育冲(2)随着时间的推移,剪切变形进一步加剧,并在坡脚部沟构成了变形体的边界。因此,结合变形体的岩体结构特征位出现岩体片理化,并加剧了岩体剪切、压碎现象。从而引与变形特征,对变形体破坏过程与模式做出如下解释。起该部位岩体强烈扩容,松动加剧,进而更加促进了边坡深(1)由于河流下切,沿河谷形成高陡斜坡,在卸荷作用部的变形与破坏。#120#水文地质与工程地质 马磊等#蓄水条件下某水电工程坝址区变形体变形与稳定性研究(3)坡脚剪切贯通,滑坡形成阶段。随着坡脚地带岩体的剪断破坏,应力集中带也逐步向边坡深部发展,从而使岩体的破坏也进一步发展,当锁固段岩体被剪断,从而与上部陡倾角结构面贯通,即发展为滑坡。根据上述滑坡发生的机理,该类滑坡往往具有崩滑特性或表现为渐进滑塌特征。3计算模型根据变形体边坡的地质模型,建立变形体边坡的计算模型和坐标系的空间形态。计算模型采用Mohr2Cloumb强度屈服准则。模型采用的直角坐标系,X轴为垂直河流方向,正向为坡内至坡外方向;Y轴为河流的方向,正向为河流下图4最大主应力分布游至上游方向;Z轴为铅垂方向,假设向上为正向。计算模型参照变形体平面图及工程地质剖面图,具体计算模型边界条件按如下考虑:模型纵长755m;横宽512m;Z轴以顶面为坡表面,底面向下延至1250m高程水平面,模型垂直高约700m。计算采用的岩体力学参数通过现场和室内实验获取,见表1。表1岩体力学参数容重变形模量内聚力内摩擦角抗拉强度介质/(kg#m23)/MPa/MPa(b)/MPa变形体250050000.8360.3稳定基岩2700100001.5481.5潜在滑带23005000.3250图5最小主应力分布数值计算模型在自重条件下采用以静力平衡数值计算大部分区域的最大主应力表现为压应力,在坡体中下部出现是否收敛作为基准,同时结合变形体边坡的监测点(如图3了拉应力集中区,拉应力达210MPa,受坡形的控制,在变形所示a、b、c、d监测点)的水平向位移变化规律和坡体塑性区体边坡的前缘边界、后缘边界和地形起伏较大位置也出现了贯通情况,来进行共同判断该变形体边坡是否达到临界失稳拉应力。状态。总体来说,坡体最大主应力和最小主应力任主要受控于重力场,坡体的坡形对其应力场有一定程度的影响,但不是主要因素。对变形体在天然条件下的应变情况进行数值计算,见图6-图9。通过对其位移分析可知:总体来看变形体边坡不同坡面位置产生的变形具有一定的差异性,表现出纵向上变形体坡体前缘水平位移较后缘大;从变形控制的角度来说,坡体变形受控于变形体边坡前缘部分。图3变形体计算模型4计算结果分析4.1天然状态下变形体变形特征对该变形体边坡在天然状态下进行数值计算,计算结果见图4、图5。由图4、图5可见,天然状况下,除整体显示正常的自重应力形成的最大主应力分布外,受变形破坏影响,整个坡面图6总位移分布图水文地质与工程地质#121# 第14卷01期#南水北调与水利科技#2016年2月图7水平位移分布图图10最大主应力分布图图8剖面总位移图11最小主应力分布图然状态下的应力大呈倍数增长,这是蓄水后基岩裂隙充水加大坡体自重所致。蓄水后最小主应力整体仍表现为压应力,与天然状态类似,在变形体的前缘边界、后缘边界和地形起伏较大的部位出现拉应力,同时,潜在滑带出现了拉应力集中区。以上对比分析表明,蓄水后,变形体边坡坡体应力环境比天然条件下的应力环境更不利用坡体稳定。对天然及蓄水后变形体边坡坡体水平位移的变形趋势进行对比分析,呈现出较大的相似性,在水平位移的量值上呈现出数倍增大的趋势,蓄水下变形体X方向最大位移达40cm,这对坡体的稳定性起到极为不利的作用。图9剖面水平位移5蓄水下变形体稳定评价特别从图9中水平位移可以明显的看出,该变形体边坡强度折减法是通过调整变形体边坡的岩土体力学参数,水平位移最大的部位为坡体的前缘。受地形地貌的控制,横对其稳定性进行不断的折减,直至该变形体边坡其水平位移向上表现为下游区位移较上游区大。天然状态下最大变形达到剧增的状态(即该变形体边坡处于临界失稳状态),此时出现在变形体边坡下游区前缘,总位移为24cm,X向变形量的折减系数即为该变形体边坡的稳定性系数。较小,最大位移为8cm。总体来讲,天然状态下坡体处于稳为进一步探讨该变形体边坡的稳定性状况,在数值计算定状态。模型的纵向上设置a、b、c、d四个监测点(图3所示)。通过4.2蓄水状态下变形体变形特征数值计算的结果,并结合坡体上各个监测点在不同折减系数对该变形体边坡在蓄水状况下进行数值计算,计算结果的水平位移,从而绘制出各监测点的水平位移和强度折减系见图10、图11。数K的关系曲线,见图12。由图10、图11中应力分析可知,蓄水下与天然状态下变从以上不同折减系数下剪应变增量云图的计算结果可形体应力场分布表现为极大的相似性,坡表分布较为均匀,随以看出,该变形体边坡的折减系数从1115变为1116时,变深度变化与一般自重应力形成的地应力场分布规律类似,即:形体边坡的水平位移呈现出突变的趋势,且塑性区表现出明从变形体边坡坡表向坡体内部最大主应力逐步增大,最大主显的扩大趋势,潜在滑带处的剪应变增量在K=1116时出应力出现在变形体后缘模型底边界处,最大值为13MPa;与天(下转第126页)#122#水文地质与工程地质 第14卷01期#南水北调与水利科技#2016年2月计算结果见表1。地下水分水岭一致,含水层的补给区和分布区基本一致,大气降雨多呈地表流汇入冲溪沟及腾桥河流出区外,少部分经表1正常涌水量计算结果地表风化裂隙渗入补给含水层,并总体顺岩层向东运动,以K/(m#d21)M/mSw/mR0/mr0/mQ/(m3#d21)泉的方式排泄于地表或渗流补给雅砻江。因受补给条件影0.015831503345259响,矿床直、间接充水含水层富水性一般较弱。研究区应属4.3计算多年最大涌水量以大气降雨补给为主的水文地质简单的裂隙充水矿床。应用暴雨峰值系数法计算矿坑最大涌水量,矿坑最大用(2)根据研究区地质条件,选择/大井法/计算矿坑涌水水量受多年一遇的暴雨强度及补给条件控制,因此最大涌水3量,其开采5号煤层矿坑涌水量为59m/d,矿坑涌水量小,量的预测,常以多年一遇的大暴雨强度的补给作为依据。含水岩组为弱含水层。暴雨峰值系数法:QF#X#f#7(3)由于大气降水对矿坑的影响大,选择利用水均衡法max=(3)t3中的暴雨峰值系数法计算矿坑多年最大涌水量,计算选取过式中;Qmax为多年最大涌水量(m/h);F为补给区的汇水面去10年最大暴雨洪峰期矿坑的涌水量,涌水量为198157积(m2);f为入渗系数(%);t为峰期延续时间(h);7为峰期m3/h。该计算结果可为做矿坑截流引洪防水工作依据。系数。从预测结果分析来看,若峰值时间t越短,则W越小。根参考文献:据气象及钻孔资料,计算成果见表2[4]。[1]曾晋洋,新时期煤矿水文工作的相关建议[J].煤矿技术,2013(8).表2多年最大涌水量计算结果[2]张晓波.文山官房鹤矿区水文地质条件及矿坑涌水量预测[D].F/m2涌水量类型/aX/mmf(%)7(%)昆明:昆明理工大学,2011.31700010116618[3]杜敏铭,邓英尔,许模.矿井涌水量预测方法综述[J].地质学报,2009,29(1):70273.5结论[4]董兴文.井最大涌水量计算与参数确定[J].四川地质学报,(1)该矿区水文地质条件简单,受地貌形态影响,地表及1995,15(1).(上接第122页)现贯通,这表明该变形体边坡已处于临界失稳状态。参考文献:[1]李晓,张年学,廖秋林,等.库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(21):371423720.[2]丁秀丽,付敬,张奇华.三峡水库水位涨落条件下奉节南桥头滑坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(17):291322919.[3]徐则民,黄润秋,范柱国.滑坡灾害孕育2激发过程中的水2岩相互作用[J].自然灾害学报,2005,14(1):129.图12蓄水下变形体上监测点位移与K关系曲线[4]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,2009.6结论[5]沈新普,范军.意大利瓦洋特水库诱发滑坡的地质力学思考[J].沈阳工业大学学报,2005,27(6):6692673.(1)该变形体边坡坡体变形特征受岩体结构和地形的[6]中村浩之.论水库滑坡[J].水土保持通报,1990,10(1):53264.控制;具有明显的分区特征,主要表现为坡形越陡,变形越[7]陕硕,刘大显,胡义.锦屏一级水电站大奔流沟料场南侧边坡变明显。形破坏模式与稳定性评价[J].资源环境与工程,2012(5):4932(2)蓄水后变形体边坡虽发生较大的变形,但总体稳定497,513.性较好,不会发生整体的失稳,存在局部失稳的可能性。[8]陈丽丽,何江达,谢红强,等.考虑暴雨入渗的覆盖层滑坡体渗(3)该变形体边坡总体稳定性较好,但是局部会有破坏流特性及稳定性评价[J].南水北调与水利科技,2013(3):1472现象,特别是在坡体前缘,如果发生破坏,变形会向坡体上部150.发展,因此,为保持变形体边坡在水电站运行期间的长期稳[9]赵尚毅,郑颖人,时卫民.用有限元强度折减法求边坡稳定安全定性,建议应对其予以进行支护。系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):334.#126#水文地质与工程地质