(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023； 2.魯東大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264003； 3.魯東大學(xué) 跨海工程研究院， 山東 煙臺(tái) 264003； 4.煙臺(tái)市計(jì)量所，山東 煙臺(tái) 264003)

1 工程背景

庫(kù)岸地區(qū)發(fā)生的滑坡是庫(kù)區(qū)水巖作用導(dǎo)致的一類重要地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)工程及環(huán)境造成巨大破壞，1963年意大利Vajont水庫(kù)滑坡就是一個(gè)典型例子[1]。水庫(kù)型滑坡約90%與水有關(guān)，其中與庫(kù)水位變動(dòng)有關(guān)的滑坡比例非常高[2]。Carpenter[3]調(diào)查了Roosevelt湖附近1941—1953年發(fā)生的一些滑坡，其中49%發(fā)生在1941—1942年的蓄水初期；日本40%的水庫(kù)滑坡發(fā)生在水位上升期(包括蓄水初期)[4]；我國(guó)也有統(tǒng)計(jì)資料表明，40%～49%的庫(kù)岸失穩(wěn)破壞發(fā)生在庫(kù)水位上升期[5]。

蓄水期邊坡的穩(wěn)定性是人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。采取有效的加固措施能提高邊坡穩(wěn)定性，降低蓄水期邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。目前，主要采用的加固措施可以分為減載、排水與截水、錨固、混凝土抗剪結(jié)構(gòu)、支擋、壓坡等幾類[6]。近年來(lái)，隨著工程技術(shù)的成熟以及大量工程經(jīng)驗(yàn)的積累，抗剪洞加固技術(shù)在白鶴灘、錦屏等水電站邊坡處理中被廣泛運(yùn)用[7-8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者就抗剪洞對(duì)大崗山水電站右岸邊坡卸荷裂隙帶的加固效果進(jìn)行了研究[9-10]，肯定了抗剪洞加固方案對(duì)施工期邊坡加固的合理性和有效性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，大崗山水電站右岸邊坡采用了抗剪洞的加固方案，如圖1所示。

圖1 抗剪洞分布Fig.1 Layout of anti-shear galleries

本文以大崗山水電站右岸邊坡為工程背景。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了蓄水過(guò)程中抗剪洞的微震活動(dòng)性。利用數(shù)值模擬方法，計(jì)算蓄水過(guò)程中邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，并對(duì)抗剪洞在蓄水過(guò)程中的微震活動(dòng)性作出解釋。同時(shí)，利用數(shù)值模擬方法分析了蓄水過(guò)程中抗剪洞的加固作用機(jī)理，評(píng)價(jià)了抗剪洞在蓄水過(guò)程中的加固效果。

2 蓄水過(guò)程微震活動(dòng)性監(jiān)測(cè)

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以捕捉到邊坡內(nèi)部的巖體微破裂和損傷，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)邊坡內(nèi)部巖石微破裂發(fā)生的位置和力源，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性作出評(píng)估和預(yù)測(cè)。近年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水電高陡巖質(zhì)邊坡施工期的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中[11-12]。

圖2 蓄水期右岸邊坡微震事件空間分布(斷面Ⅳ-Ⅳ)Fig.2 Distribution of microseismic events in section Ⅳ-Ⅳ of the right bank slope during impounding

大崗山水電站從2014年年底開(kāi)始蓄水，具體蓄水工作分為3個(gè)過(guò)程：2014年12月30—31日導(dǎo)流洞下閘蓄水，水位從975 m高程上升至1 005.36 m高程；2015年5月29日—2015年7月4日導(dǎo)流底孔下閘蓄水，水位從1 015.18 m高程上升至1 120 m高程；2015年8月15日之后，水位在1 120～1 130 m之間波動(dòng)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大崗山水電站右岸邊坡在蓄水過(guò)程中的巖體活動(dòng)規(guī)律，引入了加拿大ESG公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。至2015年12月31日，右岸邊坡微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共捕捉到51個(gè)有效微震事件，且這些事件均出現(xiàn)在蓄水的第二個(gè)過(guò)程中，這與第二個(gè)過(guò)程較大的水位變動(dòng)有直接關(guān)系。蓄水第二個(gè)過(guò)程中巖體內(nèi)的微震事件空間分布和能量比ES:EP值如圖2所示。圖2中綠色線代表巖脈，紫色線代表卸荷裂隙帶，紅色線代表斷層；彩色實(shí)心小球代表微震事件，小球的顏色反映了ES:EP值的大小。除了在輝綠巖脈β43，β68，β83，β85附近有少量微震事件外，大部分微震事件分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。此外，對(duì)于斷層-滑移或剪切類型誘發(fā)的地震事件，通常S波和P波釋放的能量比ES:EP≥10，而非剪切類型如應(yīng)變型巖爆、拉伸或體積應(yīng)力變化誘發(fā)的地震事件，一般ES:EP≤3[13]。由圖2可知，在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近出現(xiàn)的微震事件，除少量的剪切類型事件外，主要是拉伸誘發(fā)的事件。

由圖3可知，微震能量釋放區(qū)域也主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由微震事件的空間分布及能量釋放集中區(qū)域可知，抗剪洞及周圍巖體微震活動(dòng)頻繁，是蓄水過(guò)程中右岸邊坡內(nèi)主要的損傷區(qū)域。需要注意的是，蓄水過(guò)程中右岸邊坡內(nèi)的主要損傷區(qū)域與邊坡開(kāi)挖階段邊坡內(nèi)的主要損傷區(qū)域并不一致。邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，巖體的損傷區(qū)域主要沿著卸荷裂隙帶XL-316和斷層f231成條帶狀分布[14]，而蓄水過(guò)程中，巖體的損傷區(qū)域主要分布在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近。由此可見(jiàn)，當(dāng)邊坡受到水壓力作用時(shí)，抗剪洞影響了邊坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布，為了解抗剪洞在蓄水過(guò)程中的作用，本文采用三維真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件(RFPA3D)對(duì)蓄水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖3 微震事件能量密度Fig.3 Energy density of microseismic events

3 蓄水過(guò)程的數(shù)值模擬

蓄水對(duì)邊坡變形的影響是多方面的，如庫(kù)水的擠壓作用、滲透作用、濕度擴(kuò)散作用、庫(kù)水與邊坡的化學(xué)作用、大壩對(duì)邊坡的擠壓作用等。右岸邊坡內(nèi)的滲壓計(jì)測(cè)量結(jié)果顯示，至2015年6月25日，除了在較低高程處有較小的水頭變化外，邊坡內(nèi)沒(méi)有明顯的水頭變化，因此在模擬蓄水過(guò)程時(shí)，忽略滲流作用對(duì)邊坡的影響；由蓄水過(guò)程的微震活動(dòng)性可知，微震事件主要分布在右岸上游邊坡，沒(méi)有出現(xiàn)在拱肩槽邊坡處，因此，在模擬蓄水過(guò)程時(shí)，忽略了大壩對(duì)邊坡的推力作用；此外，庫(kù)水與邊坡巖體的物理、化學(xué)作用是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，短時(shí)間內(nèi)很難有所體現(xiàn)，因此，在模擬蓄水過(guò)程時(shí)不考慮庫(kù)水與邊坡巖體的物理化學(xué)作用。由此，本文在對(duì)蓄水過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，僅考慮了庫(kù)水對(duì)邊坡的擠壓作用以及邊坡的自重。

采用ANSYS軟件建立實(shí)體模型。模型的尺寸為順河向400 m，橫河向914 m，高度720 m。建模時(shí)作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保留了主要的巖脈、斷層、卸荷裂隙帶以及抗剪洞。全部采用六面體單元剖分網(wǎng)格，共得到571 080個(gè)單元，600 700個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4。計(jì)算域四周法向約束，底部采用固定鉸支座，邊坡表面自由，水壓力轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力，然后以節(jié)點(diǎn)力的形式作用在圖4(a)紅色虛線框內(nèi)的單元上。將模型導(dǎo)入到RFPA3D中進(jìn)行蓄水過(guò)程的模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程類比，確定計(jì)算所采用的材料力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖4 右岸邊坡有限元模型Fig.4 Finite element model of the right bank slope

材料名稱密度/(g·cm-3)抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比邊坡2.657520.000.25C25混凝土2.402530.000.20花崗巖脈2.62202.500.27輝綠巖脈2.62202.500.30XL-316和f2312.45150.250.40XL-9152.10100.200.40

計(jì)算結(jié)果顯示，破壞單元主要集中在抗剪洞周圍，而在卸荷裂隙帶XL-915、XL-316、斷層f231以及主要巖脈上只有少量破壞單元(圖5(a))。從最小主應(yīng)力云圖(圖5(b))可以看出，抗剪洞以及坡面、坡頂區(qū)域承受拉應(yīng)力，邊坡其他區(qū)域主要承受壓應(yīng)力。而對(duì)于巖石、混凝土等彈脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，受拉區(qū)的單元極易發(fā)生破壞。加之邊坡巖體材料的強(qiáng)度大于抗剪洞混凝土的強(qiáng)度，所以，邊坡在自重和水壓力作用下，抗剪洞最先出現(xiàn)拉伸破壞。圖5(c)為邊坡位移場(chǎng)，卸荷裂隙帶XL-915切割的巖體下部向河谷方向移動(dòng)，上部背離河谷方向移動(dòng)，從而使該部分巖體表現(xiàn)出逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的形式。而在卸荷裂隙帶XL-316、斷層f231與卸荷裂隙帶XL-915之間的巖體，運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜。由于受到抗剪洞的影響，該部分巖體被“分割”成2部分，且這2部分分別表現(xiàn)出順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的形式，不可避免地在這2個(gè)移動(dòng)的巖體中間存在一個(gè)過(guò)渡帶。由于過(guò)渡帶上、下2部分的運(yùn)動(dòng)方向完全相反，類似于一個(gè)正在進(jìn)行直剪試驗(yàn)的試件，所以過(guò)渡帶內(nèi)的巖體活動(dòng)情況復(fù)雜，而1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞就恰好位于這個(gè)過(guò)渡帶區(qū)，這也正是微震監(jiān)測(cè)到該區(qū)域活動(dòng)性明顯于其他區(qū)域的原因。

圖5 蓄水過(guò)程模擬結(jié)果(斷面Ⅳ-Ⅳ)Fig.5 Simulation results of stress and displacement in the impounding process(section Ⅳ-Ⅳ)

4 蓄水期抗剪洞加固機(jī)理研究

由前所述，蓄水過(guò)程中抗剪洞處于一個(gè)“過(guò)渡帶”區(qū)，使其受力狀態(tài)類似一個(gè)直剪試驗(yàn)的試件。為了研究蓄水期抗剪洞對(duì)邊坡的加固機(jī)理，本節(jié)利用RFPA2D方法對(duì)抗剪洞受力情況進(jìn)行單獨(dú)分析。巖體、裂隙帶、抗剪洞材料力學(xué)參數(shù)按照表1選取。模型如圖6所示，高60 m，寬60 m，抗剪洞取實(shí)際尺寸。單元?jiǎng)澐譃?00×300共90 000個(gè)。水平方向施加直剪位移Q來(lái)模擬水壓力的作用，每個(gè)計(jì)算步的位移增量為1 mm。在模型頂部施加豎向壓應(yīng)力P模擬上覆巖層的自重，考慮到不同高程抗剪洞上覆巖層的重力不同，模擬不同高程抗剪洞時(shí)豎向壓應(yīng)力P也不同，自下往上各高程抗剪洞模型中P分別取2.4，2.0，1.8，1.6，1.4，1.2 MPa。

圖6 抗剪洞加固機(jī)理計(jì)算模型Fig.6 Finite element model for the reinforcement mechanism analysis of anti-shear gallery

圖7 有抗剪洞加固的破壞過(guò)程及剪應(yīng)力Fig.7 Variation of shear stress during failure process in the presence of anti-shear gallery

有抗剪洞加固時(shí)，在抗剪洞與裂隙帶接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(如圖7)，破壞也最先從這個(gè)區(qū)域開(kāi)始。由于抗剪洞附近的應(yīng)力明顯高于其他區(qū)域，隨著載荷的增加，破壞單元首先在抗剪洞周圍分布。當(dāng)抗剪洞被“一字型”剪斷之后，裂隙帶開(kāi)始發(fā)生破壞，直至形成貫通的破裂面，模型失穩(wěn)。計(jì)算過(guò)程中，單元破壞將釋放出聲發(fā)射信號(hào)。

圖8是有抗剪洞的情況下破壞過(guò)程的聲發(fā)射，圖中紅色圈代表拉伸破壞，白色圈代表剪切破壞，圓圈的大小表示聲發(fā)射能量的大小。需要注意的是，雖然抗剪洞宏觀上是剪斷，但從聲發(fā)射圖不難看出，真實(shí)的破壞是抗剪洞內(nèi)部發(fā)生拉破裂，大量的拉裂最終形成了宏觀的剪壞。這與微震監(jiān)測(cè)到的事件主要是拉伸引起的事件相吻合，也與三維蓄水過(guò)程模擬時(shí)抗剪洞最先出現(xiàn)拉伸破壞相一致。

圖8 有抗剪洞加固的破壞過(guò)程及聲發(fā)射Fig.8 Variation of acoustic emission during failure process in the presence of anti-shear gallery

當(dāng)有抗剪洞加固時(shí)，其破壞模式為抗剪洞先破壞,裂隙帶后破壞，抗剪洞可以避免破壞單元直接沿著裂隙帶發(fā)展形成貫通的破裂面，有利于提高模型的承載能力。由此可見(jiàn)，蓄水過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的微震事件正是因?yàn)榭辜舳丛诘挚惯吰伦冃味霈F(xiàn)的破壞。蓄水期微震事件主要集中在抗剪洞附近這種分布形式與圖8第33步計(jì)算結(jié)果非常類似，由計(jì)算可知，此時(shí)模型并沒(méi)有失穩(wěn)，說(shuō)明在蓄水過(guò)程中，大崗山水電站右岸邊坡處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 抗剪洞加固效果評(píng)定

顯然，沒(méi)有抗剪洞加固時(shí)，邊坡的承載能力取決于裂隙帶材料強(qiáng)度。而施加了抗剪洞加固措施后，邊坡的承載能力將受到抗剪洞材料強(qiáng)度的影響。由于在不同高程抗剪洞模型中有、無(wú)抗剪洞加固效果曲線形式相似，此處僅以1 240 m高程處的抗剪洞模型結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明。將有、無(wú)抗剪洞加固情況下的剪力-加載步曲線匯總?cè)鐖D9。

圖9 剪力-加載步曲線Fig.9 Curves of shear force versus loading step

由圖9可知，沒(méi)有抗剪洞加固時(shí)，模型所能承受的最大剪力趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在有抗剪洞加固的情況下，剪力-加載步曲線在第33步時(shí)出現(xiàn)了突降。由前面的分析可知，加載至第33步時(shí)抗剪洞已經(jīng)完全破壞，喪失了進(jìn)一步抵抗載荷的能力，只能依靠材料性質(zhì)較差的裂隙帶來(lái)抵抗外載荷，所以模型承載能力出現(xiàn)了大幅下降的情況。有抗剪洞加固與無(wú)抗剪洞加固相比，模型所能承受的最大剪力從119 679.4 kN提高到134 142.6 kN，提高了12.1%。這說(shuō)明在蓄水期抗剪洞對(duì)于提高邊坡的承載能力具有明顯的作用。計(jì)算結(jié)果還表明，隨著抗剪洞所處高程降低，其提高邊坡承載力的能力逐漸降低，其他5條抗剪洞自上而下分別使邊坡最大剪力提高了9.8%，4.7%，2.3%，1.1%，0.9%?？辜舳匆蚱洳牧蠌?qiáng)度一定，所能提供的抗剪能力也是一定的。但是，抗剪洞所處高程越低，其上覆巖體的重力越大，施加于模型頂部的載荷越大。模型頂部的載荷P對(duì)于裂隙帶有壓密的作用，提高了裂隙帶自身的抗剪能力，因此，較低高程處的裂隙帶自身具有較高的抗剪能力，從而使抗剪洞的加固效果隨高程降低而越來(lái)越不明顯。

6 結(jié) 論

(1)探索性地將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水電高陡巖質(zhì)邊坡蓄水期的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榇髰徤剿娬拘钏牡诙€(gè)過(guò)程內(nèi)有較大的水位變動(dòng)，在右岸邊坡內(nèi)出現(xiàn)了相對(duì)較多的微震事件。該時(shí)期內(nèi)右岸邊坡監(jiān)測(cè)到微震事件主要集中在1 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞附近，且多數(shù)微震事件的S波與P波的能量比<3，主要是拉伸破壞誘發(fā)的事件。

(2)利用RFPA3D模擬了蓄水過(guò)程，結(jié)果表明，蓄水期抗剪洞附近區(qū)域處于受拉狀態(tài)，易發(fā)生破壞?？辜舳吹拇嬖冢? 240，1 210，1 180，1 150 m高程抗剪洞周圍形成一個(gè)過(guò)渡帶，且過(guò)渡帶的受力類似于正在進(jìn)行直剪試驗(yàn)的試件，揭示了微震監(jiān)測(cè)到該區(qū)域活動(dòng)性明顯于其他區(qū)域的原因。

(3)利用RFPA2D方法對(duì)抗剪洞受力情況進(jìn)行單獨(dú)分析可知：蓄水期抗剪洞影響了邊坡內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布，并能有效地避免破壞直接沿著裂隙帶發(fā)展形成貫通的破裂面。計(jì)算結(jié)果揭示了蓄水期抗剪洞對(duì)邊坡的加固機(jī)理。此外，在有抗剪洞加固時(shí)，雖然抗剪洞宏觀上是剪斷，但抗剪洞內(nèi)部先局部發(fā)生拉破裂，大量的拉裂破壞最終形成了宏觀的剪壞，這一模擬結(jié)果進(jìn)一步解釋了蓄水期微震監(jiān)測(cè)到的事件主要是拉伸破裂誘發(fā)的事件這一現(xiàn)象。相對(duì)于不采用抗剪洞加固措施，采用抗剪洞加固措施使模型所能承受的最大剪力得到了提高。但抗剪洞所處的高程越低，其受上覆巖體的影響越大，抗剪洞對(duì)于提高邊坡的承載力能力越不明顯。從整體看，布設(shè)抗剪洞對(duì)于增強(qiáng)蓄水期邊坡的穩(wěn)定性具有有利的作用。