昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析.doc

昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析2o02年第1期(专刊)水力发电JOURNALOFHIDROELECqdCENG1NEEPdNG总第6期昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析张丙印师瑞锋.侯瑜京(1.清华大学水利水电工程系北京100084;2.中国水利水电科学研究脘北京10O038)提要本文采用离散元方法研究了昌马水库排钞泄洪洞太规模塌方对右岸岩石边坡稳定性所造成的影响,分析了右岸岩石边坡在施工期和蓄水期的静,动力稳定性及岩石边坡可能的破坏形式.分析结果为实际工程处理方案的确定提供了依据.关蕾词岩石边坡离散元稳定分析一,引言昌马水库枢纽工程,位于甘肃省河西走廊西部玉门市疏勒河昌马峡进口下游1.36krn处.昌马水库是以农业灌溉为主,兼顾工业用水及结合发电等综合利用的大型水利工程.它是疏勒河流域开发的龙头工程,也是中国甘肃省河西走廊(疏勒河)项目的骨干水利工程.昌马水库枢纽由大坝,右岸排沙泄洪洞(兼导流),左岸溢洪道,左岸引水发电洞及水电站五部分组成.水库坝址区右岸靠近硫磺沟倒转背斜轴部,断裂发育,岩体破碎,级阶地基座面以上边坡已蠕动变形,其变形型式具有倾倒型的变形特征,在边坡不同部位其变位深度及形态不一,与正常完整的岩体之间无明显连续的分界面.排沙泄洪洞布置在右岸级阶地基岩中,洞长298.3m,设计开挖洞径9.210m.1997年l2月30日承包商从排沙泄洪渝出口(桩号0+288)开始开挖,于1998年l0月16日隧洞全线贯通.1998年11月16日,当承包商清理隧洞欠挖时,在桩号0+0400+080m洞段发生冒顶式太塌方.随后又于l1月27日在桩号为0+0800+125m洞段发生了第二次塌方.两次塌方沿洞轴线总长85m,塌方量约为1.21.5万.右岸排沙泄洪洞的塌方事故必然造成右岸山体构造的变动和岩体内部应力的重新分布,可能诱发上部岩体边坡的失稳.塌方发生后+在泄洪洞上部右岸山坡上已经观测到多条表层土的裂缝.随着大坝的施工和水库的蓄水,还将增加岩体的扰动与荷载,加剧应力状况的恶化,可能促使山坡的失稳.因此,对坝址区右岸围岩和边坡的稳定性及加固方案做进一步的分析研究是十分必要的.本文应用离散元方法对右岸山体w砸典型剖面施工期和蓄水期的稳定性进行了静力和动力的分析研究,为实际工程处理方案的确定提供依据.本文于2OO1年8月1日收到.74水力发电二,右岸山体地质概况昌马水库枢纽区河谷平直,呈北北西向,右岸发育级阶地,宽2030m,阶地前缘基岩坡近于直立,阶地砂砾石厚I一2m,其上多覆盖坡积物,厚1040m.至2000nl高程以上有基岩出露,岸边地形坡度40嗑右,坝线下游坡度则增大至50一60.根据平硐及钻孔资料,右岸岩体强风化带深一般为08m左右,最深达2025m,弱风化带深822m.另外,据现场实地地质测绘表明,右岸岩层倾倒变形严重.枢纽区出露的地层,均为背斜倒转翼地层.构成右岸的主要岩层(图1)从老至新依次为凝灰熔岩,灰质凝灰质砂岩夹夹岩,厚层灰岩,凝灰质砂岩与灰质砂岩,厚层灰岩,凝灰质角砾岩夹厚层灰岩.其中凝灰质角砾岩夹厚层灰岩最大厚度达182m,是构成右坝肩及坝基的主要岩层.坝址区右岸断裂发育,较大断层多为压扭性,除局部切层外,多与岩层产状基本一致,且多沿岩性分层界线发育展布.320一姆倾NE的逆断层最为发育,如F,Fl描,F瑚,圈I右岸山体主要岩层和地质构造F等断层,该组断层为右岸的控制性断层.由于岩层岩性软硬不同,断层破碎带宽度及组成物也不同.其中,F逆断层,位于厚层灰岩与凝灰质角砾岩之间.破碎带有岩石碎块,岩屑等组成.并有O.52era的紫红色断层泥充填,无胶结,坝线附近破碎带宽达79m.级阶地基座面以上19652090m高程处.岸坡较陡,岩层呈反倾边坡,顺层断裂发育.园受构造作用及岩体自重应力,物理风化及水文地质条件等影响,顺坡张性裂隙发育,表部岩体已向岸外倾饲变形,呈现不同程度的张开,拉裂等现象.形成蠕动变形边坡.右岸边坡的下部无倾向岸外的缓倾结构面,下部岩层倾角陡立并为反向坡.现边坡处于自然稳定状态.综上所述,右岸基岩具有断裂发育,风化强烈等特征.且顺坡向张开裂隙发育;部分岩层已向岸外倾饲变形,岸体显示低波速,强透水等特征.右岸岩体边坡整体上属蠕动变形型边坡,其变形型式具倾饲型的变形特征.其中,级阶地基座面以上19652090m高程段应为分析的重点部位.三,稳定分析方法在岩石工程的设计实践中.对岩质高边坡,坝肩与地基,堆石坝等工程的稳定分析仍多用刚体极限平衡法一.在动力分析中则引入拟静力法.刚体极限平衡法不考虑岩体的变形与应力,也不能反映岩块在发生相对位移条件下相互作用力的变化,不能模拟系统的破坏过程.拟静力法忽略动力荷载与结构的频率特征,不能准确预估系统的动力响应.张丙印等:昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析75离散单元法是1970年由Cnndall首次提出的,它的一个突出功能是在反映岩块之间接触面的滑移,分离与倾翻等太位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布.该方法的另一个优点是它利用显式时间差分解法(动态松弛法)求解动力平衡方程,用于求解非线性大位移与动力稳定问题具有先天的本领,线弹性问题与静力稳定问题的求解仅为两个简单特例而已.在我国,离散元方法的研究与应用开始于帅年代中期,多年来经众多学者的努力,这一方法已在数值模拟理论与工程应用方面取得一些进展.在离散元法中,一般将所研究的岩体假定为离散块体的集合体,而节理,裂晾和断层等结构面被当做是这些离散体之间相互作用的接触面.块体之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出,而单个块体的运动则完全根据该块体所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定.本文采用二维刚性块体离散元法.在离散元法中,判断体系稳定的方法主要利用位移收敛,速度回零以及整个系统的不平衡力值为零三个判据.在计算中往往同时采用上述的多个判据.安全系数则常用临界位移法确定.在该法中,通过改变影响系统稳定的主要因素摩擦系数,及粘着系数c的值,可以找到使边坡处于临界稳定状态的临界值工,在假定,c有相同的安全储备的条件下,边坡的临界稳定安全系数k为:四,计算断面,计算参数及计算条件4.1计算断面及其捌块计算中选取排沙洞桩号0+55.5m断面也即WH5断面为典型的计算断面,因WH5剖面发生的是冒顶式塌方,塌落高度较大,其二维分析结果是偏于危险的,其分析结果可以代表导流洞塌方对右岸山体所造成的最不利的情况.在确定计算断面的大小及位置时,将导流排沙洞周围的围岩及山体和级阶地基座面以上19652090m高程段作为了分析的重点,在计算断面中考虑了岩体的主要结构面,为使计算简洁,进行了一些适当的简化.在离散元方法中,计算断面的分块工作具有十分重要的意义.对于边坡稳定分析问题,由于破坏滑移面在计算中只能沿块体的接触面产生,因而可能的滑移面的大致位置在通常情况下应事先由针对性的地质勘探工作和分析研究工作加以确定,而在该区域的分块应尽量按照岩石结构面的实际分布来进行,只有这样才能得到可靠的分析结果.对所取计算断面的离散元分块工作,是在工程单位地质横剖面图及右岸边坡岩石节理裂隙统计分布参数的基础上进行的,其中横坡向主要的结构面(断层)在分块时全部给予了考虑,在上述主要的结构面的各中间区域横坡向结构面的生成(主要是层厚)采用了随机生成的方法,其倾角则主要参照了两边断层的倾角.顺坡向的结构面则是根据岩石节理裂隙统计的分布参数,采用随机的方法生成的.为了控制计算的规模,按区采用不同大小块体,也即在计算断面的重要部分(如:在导漉排沙洞周围和在岩体边坡的坡脚部位,尤其是对导流排沙洞上部的塌落区)采用了相对较小的块体,以保证取得较好的计算精度;而在计算断面的其它部位(如岩体边坡的上部和下部的基76水力发电_r170m-1Lk一24Sm图2计算断面及分块图础岩盘部位),为了控制计算的规模,则采用了相对较大的块体.wm计算断面单元划分的结果见图2所示,共包括861个块体,含有4669个接触.4.2计算条件及参数表1为稳定计算所采用的材料参数表.其中塌落区因在塌落前为弱风化岩层,故其和丘取弱风化岩层的数值.计算采用Ctmdall自适应阻尼法.阻尼的形式和大小由计算程序根据计算情况自行确定.衰1材料计算参数衰千容重y法向刚度k切向剐度.摩擦角牯滞力c材料分区(N/11;I)(psdm)(Pa/m)(.)()弱风化2.5xlo1.ox105xl37.02.3x强风化2.4xIa.o.8x104xl28.61.5x1蠢风化2.6xIa.1.2xl0.6xl4203.0x1塌落区2.2x10410x10.5xl2400.2x1厚层灰岩2.5xIa.I2x1o.6xI43o3.4x断层及破碎带2.5x10404xl0.212/,00.9x14.3输入地震波的确定昌马坝址区的设计地震烈度为8度,根据现行的水工建筑物规范,其设计地震基岩峰值加速度为0.2g.根据坝址设计地震反应谱反演生成的人工地震加速度时程曲线如图3所示,诙曲线生成时采用的有效年限为500年,超越概率为10%,卓越周期为0.2秒,地震持续时间为20秒.地震荷载仅考虑了水平向地震的作用.根据计算程序的需要,计算中对所给定的地震加速度历程采用两点积分法进行积分,把得到地震波速度历程作为地震渡的输入.为了消除人工生成时地震数据的飘移现象,对生成的加速度时程曲线进行了基准校正,使其积分后的速度在地震结束后归零.张丙印等:昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析77D201nD-0一021.I6.J.fs图3地震波加速度时程曲线五,右岸边坡的稳定计算成果分析s.1排沙泄洪洞的塌落分析1998年I1月16日右岸排沙泄洪洞发生的大规模塌方,致使右岸山坡出现了l2条明显的张裂隙,对右岸山体的稳定性造成了十分不利的影响.虽然随后对塌方段进行了紧急的灌浆处理,但是排沙泄洪洞塌方可能造成右岸山体松动的范围以厦对右岸山体稳定性造成不利影响的大小,仍是工程建设者十分关心的问题.为此这里利用离散元法对右岸排沙泄洪洞的塌方过程进行了分析.由于各断面的塌落高度不尽相同,塌落分析严格讲是三维问题.因而这里进行的二维分析仅近似地反映实际情况.根据计算结果,用表l所列的材料参数和图2中所示的塌落区分块大小,均无法使实际的塌落区岩块全部塌落,说明塌落区岩体或者是比所采用的划块方案更加破碎或者是其强度参数比所提供的参数要小,总之,右岸山体内部可能存在十分破碎的区域.在计算中,为使塌落区的岩体全部塌落,对区域内岩体结构面的强度参数进行了适当的降低.表l所列的塌落区,c值为降低后的数值.图4图示了在排沙泄洪洞塌方完成后右岸边坡的状态.从图中可以看出,排沙洞冒顶式塌方对岩坡的影响范围较大.对于左侧的下部坡体,由于横坡向岩层层面的不利影响,塌方可能在该区域内造成较大的裂缝,对坡角的稳定性产生十分不利的影响;对于右侧的岩坡,塌方会使岩坡产生较大的位移,在岩坡的上部造成众多的张裂隙,对岩坡整体穗定性影响十分不利.图4所示的岩坡张裂隙区域与实际发生的张裂隙区域是一致的.s.2右岸边坡的静力稳定分析按照前面所述的临界稳定安全系数法,假定f,c有相同的安全储备,通过不断降低f,c值对计算剖面作一系列静力计算.按式(1)算得K=l7一1.8,岸坡是稳定的.图5图示了岩坡剖面在临界安全系数为1.8时岩坡的变形状况.从图中可以看出,在临界安全系数为1.8时岩坡虽然最终仍处于稳定状态,但此时岩坡已有相当的变形,从图中所示,岩坡的坡脚部位已形成了连续的滑穆面,其滑移的位移已超过14.em,同时在岩坡的上部也已出现了众多的张拉裂隙.这说明此时岩坡已基本处于临界状态,因而岩坡在自然状态下的临界安全系数可以认为在1.71.8之间.图6为临界安全系数为2.0时岩坡的破坏过程图.从图中可以看出,平台下部坡角部位的滑移倾倒型破坏以及F断层以上部位的倾倒型破坏构成了岩坡破坏的主要特征.计78水力发电图4捧沙泄洪洞塌方后右岸边坡的状态图5岩石山坡的变形状况(I临界安全系数k=1.8)算表明,F.断层以上部位岩体的倾倒型破坏应为岩坡破坏的主要诱因之一.从以上的分析可以看出,F断层顶部处应为加固措施所考虑的重点,同时应注意对岩坡坡角的保护.5.3岩石边坡的动力穗定分析图7,图8分别为临界安全系数为1.4时的岩坡变形状态和三个点的位移时程图.从图中可以看出,wm剖面在地震结束后仍然是稳定的,但岩坡已发生了较大的位移,岩坡的坡脚精移面的滑移已达20era,在岩坡上部的张拉裂隙最大张开度也已达26era.从图8所示的位移过程曲线可知,地震造成的岩坡上部观测点3的永久水平和垂直位移分别已达54cm和27cm.同时由8度地震造成的松动岩体的范围也进一步扩大.综上所述,在临界安全系数为1.4的情况下,虽然地震结束后岩坡仍然是稳定的,但岩坡的位移已有相当的量级,岩坡总体的稳定性已遭到了一定程度的破坏.图9图示了当临界安全系数为1.8时岩坡的破坏过程,从图中可以看出,其破坏的形式同静力的情况基本一致.张丙印等:昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分折79图6岩坡的破坏过程(临界安全系歙:2.0)图7地震后岩石山坡的状况(临界安全系教k:1.4)六,结语1.根据所提供的强度指标,岩坡的静力稳定临界安全系数在1.71.8之间,在8度地震情况下的动力稳定临界安垒系数在1.31.4之间.2.山体下部坡角部位的滑移倾倒型破坏以及E断层以上部位的倾倒塑破坏构成了岩坡破坏的主要特征.计算表明E,断层以上部位岩体的倾倒垄破坏应为岩坡破坏的主要诱因之一.从以上的分析可以看出,F断层及其顶部处应为加固措施的重点,同时应注意对岩坡坡角的保护.80水力发电.点2u安4Bl2l620时闻(秽)地震造成的山坡位移状况(嵇界安全系数=1.4)图9地震后岩坡的破坏过程(嵇界安全系数=I8)3.排抄泄洪洞的塌方,造成右岸山体产生较大的位移,并会在塌方体周围及岩坡上部出现较大范围的岩体松动,会对岩坡整体的稳定性造成不利的影响.另外,排沙泄洪洞的塌落分析也表明排沙洞上方的岩体非常破碎,加之塌方所造成的不利影响,因而对排沙洞周围区域的加固尤其是对塌方空洞的回填和塌方松散体及其周围岩体松动区的固结灌浆,对保证排沙泄洪洞及整个右岸山体的稳定性是非常重要的.4.由于不存在对右岸山体稳定不利的深层软弱滑裂面,经计算表明,右岸山体不会发生大规模的深层滑动破坏.参考文献1Giarfi,G.P.,R0ckSlopeStabilityAnalysis,A.A.Balkeraa,19922张有天,周维垣,岩石高边坡的变形与稳定,中国水利水电出版社,北京,1999年4月.3Cundall,P.A.,AComputerModelforSimulationProgressiveLaScaleMovementinBlockym瑚瑚瑚瑚张丙印等:昌马水库枢纽工程右岸岩石边坡稳定性的离散元法分析System.InProc.Syrup.