(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710021)

庫(kù)岸邊坡研究方法

李珅熠賈二帥

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院陜西西安710021)

水庫(kù)庫(kù)岸失穩(wěn)是水利水電工程中常見(jiàn)的邊坡變形方式，水電站庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題與樞紐建筑，水庫(kù)淤積等直接相關(guān)。水巖作用對(duì)岸坡穩(wěn)定性有重大影響，水位上升及下降過(guò)程中，岸坡破壞概率較大。數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡問(wèn)題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過(guò)程模擬以及穩(wěn)定性分析方面發(fā)揮了重要作用。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究可以分為地質(zhì)分析、數(shù)值模擬和物理模擬三種。

庫(kù)岸穩(wěn)定性;水位升降;水巖作用;數(shù)值模擬

一、邊坡研究的歷史發(fā)展

人們對(duì)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)注和研究最早是從滑坡現(xiàn)象開(kāi)始的。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初期,伴隨歐美資本主義國(guó)家的工業(yè)化而興起的大規(guī)模土木工程建設(shè)，出現(xiàn)了較多的人工邊坡，誘發(fā)了大量滑坡和崩塌，造成了很大的損失。這時(shí)，人們才開(kāi)始重視邊坡失穩(wěn)對(duì)人類造成的威脅，并開(kāi)始借用一般材料分析中的工程力學(xué)理論對(duì)滑坡進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)、半理論的研究。早期對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是借用土力學(xué)中極限平衡的概念，由靜力平衡條件計(jì)算邊坡極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性；二是從邊坡所處的地質(zhì)條件、影響因素和失穩(wěn)現(xiàn)象上進(jìn)行對(duì)比分析[1]。

對(duì)岸坡穩(wěn)定性的重要性的認(rèn)識(shí)是隨著工程實(shí)踐逐步提高的。20世紀(jì)60年代以前，主要側(cè)重于土質(zhì)庫(kù)岸的塌岸研究。直到60年代初，法國(guó)60m高的馬爾帕塞薄拱壩，于1959年(蓄水后5年)，由于左壩頭沿片麻巖中的絹云母頁(yè)巖發(fā)生滑動(dòng)，最終導(dǎo)致壩體破裂而失事；1963年瓦依昂滑坡引起涌浪超過(guò)壩頂150-250m，致使一村莊被毀，2600多人死亡，整個(gè)水庫(kù)變成一座石庫(kù)。這兩件駭人聽(tīng)聞的災(zāi)難，向全世界的水庫(kù)建設(shè)者們敲響了警鐘：在高山峽谷區(qū)修建大壩時(shí)，必須十分小心岸坡的穩(wěn)定性。

20世紀(jì)70年代，邊坡研究者從大量的工程實(shí)踐和斜坡失穩(wěn)事件中，逐漸認(rèn)識(shí)到邊坡穩(wěn)定性研究必須重視其變形破壞過(guò)程和機(jī)制的研究，提出了累進(jìn)性破壞的觀點(diǎn)以及邊坡變形破壞的機(jī)制模式，使邊坡穩(wěn)定問(wèn)題的研究工作步入了地質(zhì)分析和巖石力學(xué)分析相結(jié)合的時(shí)代。這期間，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，深入研究了斜坡變形破壞演化機(jī)制的一般規(guī)律，提出了斜坡變形的6種主要模式，即蠕滑—拉裂、滑移—壓致拉裂、滑移—拉裂、彎曲—拉裂、塑流—拉裂和滑移—彎曲，以及斜坡失穩(wěn)的3種基本破壞方式，即崩落(塌)、滑落(坡)、(側(cè)向)擴(kuò)離[2]。

20世紀(jì)80年代,邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。這期間，在系統(tǒng)科學(xué)方法論的指導(dǎo)下，對(duì)邊坡巖體的賦存環(huán)境、坡體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、變形破壞機(jī)制、影響穩(wěn)定性的因素等進(jìn)行系統(tǒng)研究，形成了較為系統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性研究思路；邊坡變形破壞的地質(zhì)模式得到了進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，針對(duì)不同的地質(zhì)模式提出了一些相應(yīng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法；數(shù)值和物理模擬手段被引入邊坡研究中，人們借助有限元法、離散元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等再現(xiàn)邊坡變形破壞的全過(guò)程，從整體上、內(nèi)部作用機(jī)理等方面對(duì)邊坡進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)；

近幾十年來(lái)，我國(guó)大興水利水電工程，長(zhǎng)江三峽工程、金沙江溪洛渡水電站和龍羊峽水電站等重大工程的建設(shè)或論證遇到了前所未有的岸坡穩(wěn)定性問(wèn)題。人們對(duì)岸坡問(wèn)題也越來(lái)越重視，國(guó)家專門(mén)立項(xiàng)開(kāi)展了工程邊坡穩(wěn)定性及其加固配套技術(shù)的研究。

二、岸坡研究的現(xiàn)狀

Gorbushina(1997)討論了水庫(kù)修建和運(yùn)營(yíng)對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡的影響。Abam等對(duì)尼日爾Orashi河岸坡失穩(wěn)概率與河水位的變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，水位上升及下降過(guò)程中，岸坡破壞概率較大。

王士天等認(rèn)為水巖作用對(duì)岸坡穩(wěn)定性有重大影響[3]。水庫(kù)的修建，會(huì)引起地表水和地下水環(huán)境及其動(dòng)力作用系統(tǒng)的重大變化，庫(kù)內(nèi)水力坡度和流速的顯著降低，使原有的河流侵蝕作用為庫(kù)底淤積和庫(kù)岸的浪蝕作用所代替。水環(huán)境的重大變化，不僅會(huì)加劇原有水巖作用的進(jìn)程，而且往往會(huì)引起一些新形式水巖作用的發(fā)展。這些作用，不是通過(guò)改變巖土體的狀態(tài)，就是通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)或成分，不斷惡化巖土體的性質(zhì),最終導(dǎo)致巖土體因不能繼續(xù)保持與周?chē)h(huán)境的原有平衡態(tài)而使岸坡發(fā)生突躍式的災(zāi)變，從而達(dá)到與周?chē)h(huán)境的新平衡態(tài)[4]。

李天斌以金沙江溪洛渡水電站進(jìn)水口岸坡為研究對(duì)象，認(rèn)為巖體的淺表生改造是地質(zhì)體演化的一個(gè)重要階段。它以巖體的地質(zhì)建造和構(gòu)造改造為基礎(chǔ)，在區(qū)域性剝蝕和河谷深切過(guò)程中形成的淺表生結(jié)構(gòu)，又對(duì)邊坡巖體在重力場(chǎng)作用下的進(jìn)一步演化起著重要的控制作用。

數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡問(wèn)題的研究，尤其是在邊坡變形破壞過(guò)程模擬以及穩(wěn)定性分析方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái),在計(jì)算方法、計(jì)算模型、軟件編制和巖土力學(xué)參數(shù)確定等方面都有了很大的進(jìn)展。目前，常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、流形元法、非連續(xù)變形分析法(DDA)以及各種耦合計(jì)算方法等。

巖土力學(xué)參數(shù)由過(guò)去的主要由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，發(fā)展到采用多種方法綜合確定，如數(shù)值反分析法、野外抽樣與統(tǒng)計(jì)推斷技術(shù)等。有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)特性研究的進(jìn)展，使得巖質(zhì)邊坡的數(shù)值計(jì)算結(jié)果更為可靠。目前，可以在計(jì)算機(jī)上模擬巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)，確定裂隙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，定量評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量、力學(xué)參數(shù),仿真模擬邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、形成演化過(guò)程、人工開(kāi)挖過(guò)程以及加固結(jié)構(gòu)的作用等。引入損傷、斷裂力學(xué)理論及大變形理論使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。快速拉格朗日差分法(Flac)、離散單元法(Dem)和非連續(xù)變形分析法(DDA)讓我們能夠考慮邊坡的大變形問(wèn)題，在計(jì)算機(jī)上模擬邊坡運(yùn)動(dòng)的特征與失穩(wěn)過(guò)程等。

三、岸坡穩(wěn)定性研究方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于斜坡穩(wěn)定性的研究提出了各種不同的方法。歸納起來(lái)，對(duì)于斜坡穩(wěn)定性的研究可以分為地質(zhì)分析、數(shù)值模擬和物理模擬三種。

(1)地質(zhì)分析屬于反分析方法類。根據(jù)斜坡當(dāng)前狀態(tài)，所處的地質(zhì)環(huán)境以及當(dāng)前的變形破壞跡象來(lái)研究其變形破壞機(jī)制。

(2)數(shù)值模擬是依靠現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將地質(zhì)學(xué)與數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題[5]。八十年代以來(lái)，隨著對(duì)材料性態(tài)、本構(gòu)模型研究的深入，數(shù)值計(jì)算理論水平的提高以及計(jì)算機(jī)軟硬件和圖形處理技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，使得數(shù)值模擬技術(shù)更加完備、成熟和實(shí)用，得以廣泛采用。尤其是有限元法、邊界單元法、有限差分法、離散單元法和快速拉個(gè)郎日差分分析等。

(3)物理模擬是在實(shí)驗(yàn)室按照一定的比例建造研究斜坡的物理模型，在相似規(guī)律條件下，研究模型的破壞機(jī)理及過(guò)程，進(jìn)而反推其破壞機(jī)理及過(guò)程。

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[2]張楠,許模.水庫(kù)庫(kù)岸滑坡成因機(jī)制研究[J].甘肅水利水電技術(shù).2011,47(1):19～22

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[4]朱冬林,任光明,聶德新,葛修潤(rùn).庫(kù)水位變化下對(duì)水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測(cè)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002(3):43～46

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李珅熠(1991-)，男，碩士研究生，研究方向巖土工程。