汪慶一

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

狗河發(fā)源于綏中縣西北部山區(qū)，是綏中縣較大的獨(dú)流入海山溪河流之一。建設(shè)猴山水庫(kù)是為解決綏中西部發(fā)展，特別是綏中濱海經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)和發(fā)展的水資源問題。但是，在水庫(kù)建設(shè)中，經(jīng)常遇到崩塌的情況，嚴(yán)重威脅到施工人員的安全和后期水電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，對(duì)崩塌進(jìn)行研究具有重要意義。目前有較多的專家學(xué)者對(duì)崩塌進(jìn)行了研究[1-6]，主要集中在崩塌破壞方式、運(yùn)動(dòng)軌跡等方面，而對(duì)崩塌變形內(nèi)因進(jìn)行研究的較少。本文以猴山水庫(kù)為例，對(duì)其左岸邊坡崩塌變形的機(jī)理及失穩(wěn)模式進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

猴山水庫(kù)位于綏中縣范家鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址位于狗河中游范家鄉(xiāng)薛家村趙家店屯北。猴山水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1.02億m3(大Ⅱ型)，防洪庫(kù)容2230萬(wàn)m3，興利庫(kù)容8190萬(wàn)m3。將修建溢洪道，長(zhǎng)度300 m；漿砌石重力壩，壩長(zhǎng)310 m，最大壩高43.5 m。重力壩分擋水、溢流兩部分，大壩中間為溢流部分共分九孔，總長(zhǎng)124 m，每孔凈寬12 m，每孔設(shè)弧形鋼閘門。大壩右側(cè)設(shè)輸水洞，其洞徑2.0 m。

水庫(kù)壩址區(qū)為梁山組和韓家店組粉砂質(zhì)粘土巖，山體陡峭，除S1sh及O2sh＋b層以中硬的灰?guī)r、砂巖為主外，其余各層主要為頁(yè)巖、粘土巖及泥質(zhì)粉砂巖，巖石軟弱，易風(fēng)化，其中，兩岸強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚5 m～17 m，河床強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚6 m～10 m。在水庫(kù)施工過程中，左岸邊坡產(chǎn)生崩塌，崩塌源高約10 m，寬約9 m，平均厚約1 m～3 m。崩塌規(guī)模約180 m3。嚴(yán)重威脅到施工人員的安全和后期水電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。崩塌前、后現(xiàn)場(chǎng)照片見圖 1、圖 2。

圖1 崩塌前邊坡全貌

圖2 崩塌后邊坡全貌

2 基于非連續(xù)變形分析（DDA）的崩塌失穩(wěn)模式及運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)值模擬

石根華博士提出了（DDA）數(shù)值模擬方法，廣泛應(yīng)用于非連續(xù)變形分析。關(guān)于DDA方法在實(shí)際問題上的應(yīng)用，更多的成果是利用DDA方法進(jìn)行巖體成因機(jī)理、非連續(xù)變形特征、運(yùn)動(dòng)特征的分析[7-9]。

DDA適用于巖體非連續(xù)變形特征和破壞模式的分析，利用DDA可以有效模擬不同工況下危巖體的破壞模式和變形失穩(wěn)特征。

（1）模型的建立和參數(shù)選取

根據(jù)崩塌的典型工程地質(zhì)剖面圖，建立數(shù)值模擬模型。研究區(qū)主要發(fā)育四組節(jié)理，①層面：43°∠25°，②構(gòu)造裂隙:302°∠77°，③卸荷裂隙：52°∠76°～83°，此外在巖層中發(fā)育一條拉裂縫（④）。為提高運(yùn)算速度，除崩塌體外其它巖層可作為一個(gè)整體來計(jì)算。

在崩塌源中布置P1-P3三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置分別位于頂部，底部前緣，巖橋段中部，見圖3。

計(jì)算時(shí)步取22000步，每時(shí)步的時(shí)間為0.01s～0.1s。

圖3 邊坡剖面及概化數(shù)值模型

各巖層及節(jié)理的參數(shù)選取見表1。

表1 模型各元素參數(shù)取值表

（2）模型結(jié)果分析

數(shù)值模擬過程重現(xiàn)了本次崩塌的變形失穩(wěn)模式和運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)其過程分解見圖4。

圖4 崩塌演化過程

a.當(dāng)模擬進(jìn)行到第500時(shí)步，崩塌體底部強(qiáng)度較低的巖體受擠壓開始出現(xiàn)臨空面變形，表明上部巖體對(duì)底部巖體壓力增大，底部軟巖難以支撐開始向外鼓脹，上部巖體應(yīng)力逐漸增大。

b.當(dāng)模擬進(jìn)行到第720時(shí)步，底部巖體出現(xiàn)明顯變形，支撐力劇烈降低。上部巖體應(yīng)力增大超過其抗拉、抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生拉剪破裂，巖體連接部位產(chǎn)生裂縫。

c.當(dāng)模擬進(jìn)行到第1940時(shí)步，受擠壓的軟弱巖體脫離母巖，向臨空面拋出，沿坡面向坡腳運(yùn)動(dòng)。上部巖體由于失去了下部軟巖的支撐，向下錯(cuò)斷，撞擊坡面，開始破碎解體向坡腳運(yùn)動(dòng)。

d.當(dāng)模擬進(jìn)行到第22000時(shí)步，巖體停止運(yùn)動(dòng)，堆積于河床部位。

3 成因機(jī)理及失穩(wěn)模式分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬分析，控制該崩塌發(fā)生的主要因素為底部軟巖和上部巖橋。

崩塌體上部巖體強(qiáng)度較高、下部巖體強(qiáng)度較低。軟巖在上部巖體的擠壓和長(zhǎng)期的風(fēng)華博士作用下，強(qiáng)度逐漸降低，產(chǎn)生向臨空面方向的溯流。底部軟巖的溯流導(dǎo)致上部巖橋應(yīng)力集中，逐漸產(chǎn)生拉張裂縫，這種裂縫的特征為下部寬上部窄。在時(shí)間的累積作用下，拉裂縫逐漸向上發(fā)展，崩塌源與母巖接觸位置逐漸減小直至全部貫通，與母巖分離產(chǎn)生崩塌。

在發(fā)生崩塌之前，該地區(qū)產(chǎn)生了連續(xù)的降水，雨水的入滲對(duì)崩塌穩(wěn)定性的影響主要集中在三個(gè)方面：①雨水入滲使巖土體重量增大，上部巖體對(duì)下部巖體的壓力增大。②雨水入滲造成下部軟弱巖體的強(qiáng)度明顯降低，更難以抵抗上部巖體的壓力。③雨水沿已經(jīng)貫通的結(jié)構(gòu)面下滲，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力和靜水壓力，加劇上部卸荷裂隙的擴(kuò)張；同時(shí)雨水入滲會(huì)造成巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，巖橋部位巖體強(qiáng)度降低會(huì)更加促進(jìn)崩塌源向下運(yùn)動(dòng)變形。

邊坡巖體傾向下游，下游巖體對(duì)上游巖體有支撐作用。因此，應(yīng)力集中在下游部位巖橋處，巖橋部位較為薄弱，控制了崩塌的產(chǎn)生。在雨水、自重、上部巖體的壓力作用下，巖橋部位首先產(chǎn)生破壞。下游部位巖橋斷裂和底部巖體受擠壓變形，造成上游部位巖橋位置應(yīng)力集中，也產(chǎn)生斷裂變形，崩塌源完全脫離母巖，向下錯(cuò)落。因此，巖體在向坡腳運(yùn)動(dòng)過程中失去了側(cè)向支撐力，崩塌體會(huì)向下游側(cè)運(yùn)動(dòng)。

因此，誘發(fā)此次崩塌的主要因素為：自重、雨水入滲、巖體質(zhì)量（軟弱巖層）。崩塌源底部的軟弱巖體控制了巖土體的長(zhǎng)期緩慢變形，促進(jìn)巖橋部位逐漸減小，同時(shí)巖橋部位減小也會(huì)加劇底部軟巖的變形；同時(shí)雨水下滲直接導(dǎo)致了本次崩塌的發(fā)生，雨水入滲造成巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度急劇降低，底部軟巖強(qiáng)度降低會(huì)加劇變形的發(fā)生，上部巖橋應(yīng)力急劇上升，當(dāng)應(yīng)力大于能抵抗強(qiáng)度時(shí)，巖橋錯(cuò)斷，巖體整體下座。

4 結(jié)論

（1）崩塌產(chǎn)生時(shí)，首先產(chǎn)生破壞的是邊坡下游側(cè)強(qiáng)度較低的薄弱巖體，接著上游側(cè)底部巖體受擠壓產(chǎn)生向坡體外側(cè)的鼓脹變形，進(jìn)而上游側(cè)巖體產(chǎn)生整體破壞，向下游傾倒墜落；向下墜落過程中下部軟巖受擠壓向外拋出。破壞巖體向河流下游側(cè)運(yùn)動(dòng)。

（2）通過DDA數(shù)值模擬分析，對(duì)該崩塌的產(chǎn)生過程和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬重現(xiàn)。雨水入滲造成上部巖體自重增大，底部軟巖強(qiáng)度、巖橋強(qiáng)度急劇降低，難以抵抗上部巖體的重量，變形迅速增大，巖橋部位應(yīng)力集中大于巖體強(qiáng)度，巖橋斷裂，崩塌體與母巖完全脫離，導(dǎo)致崩塌的產(chǎn)生。

（3）降水、地下水入滲是造成崩塌產(chǎn)生的主要因素。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)注意防范降水、地下水等對(duì)工程體的影響。