基于二维随机结构面网络分析的库岸节理裂隙岩边坡稳定性分析.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,张露译基于二维随机结构面网络分析的库岸节理裂隙岩边坡J水利科学与寒区工程,():基于二维随机结构面网络分析的库岸节理裂隙岩边坡稳定性分析张露译(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 )摘要:本次研究以王家坎水库上游右岸高陡边坡为例,利用MA T L A B软件编写二维随机结构面网络模型,构建起更接近复杂节理岸坡实际的稳定性计算模型.通过对不同工况下的岸坡的位移和应力计算,对其稳定性进行评价.研究方法和结论可以为工程岸坡加固以及相关工程研究提供支持和借鉴.关键词:岸坡;稳定性;模拟计算;王家坎水库中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:张露译(),男,山东潍坊人,助理工程师,主要从事水利水电方面的工作.E m a i l:z l y c o m.工程背景王家坎水库始建于 年,位于辽宁省海城市八里河,下游距离海城市 k m.水库大坝为黏土斜墙坝,坝长 m,坝顶宽 m,最大坝高 m,设计库容 万m.由于水库设计建设标准低且运行时间较长,因此处于年久失修的状态,已经不 能 满 足 水 利 防 洪 的 要 求.同 时,发 生 于 年的海城地震也对水库产生严重影响,不仅坝体产生近百条裂缝,库区周边存在滑移危险的岸坡.因此,在除险加固施工过程中,不仅要对大坝等水工建筑物进行加固处理,也需要对库区部分岸坡的稳定性进行评价,以便采取合适的治理措施.其中,库区上游右岸的 m位置存在一高陡岸坡,坡度在 之间,岸坡坡脚部位有库区防洪公路通过,一旦发生失稳破坏,必将产生严重的后果.研究岸坡属于节理裂隙较发育的岩质岸坡.前期地质调查结果显示,其结构面分布及特征十分复杂,很难通过一组或几组节理模拟整个岸坡的实际情况.但是,模拟计算中的岩体强度、破坏模式以及边 坡稳定性 受结构面 特 征 的 影 响 较大.因此,为了使构建的边坡模型能够真实反映边坡内部的结构面网络特征,研究中以地质调查数据为基础,研究分析结构面的优势分组及概率分布,从 而 生 成 二 维 随 机 结 构 面 网 络,并 导 入UD E C软件构建边坡稳定性分析模型,分析其在不同工况下的边坡稳定性.计算模型的构建 二维随机结构面网络模拟岩体的结构面信息主要包括结构面的产状、迹长以及张开度和填充情况.其中,结构面的迹长、填充情况以及张开度通过工程现场的实景模型直接量取或观测.结构面的产状信息由于不能在实景模型中直接获取,需要通过如下流程获得:首先,在岸坡实景模型上随机确定若干个不共线的点;其次,对上述点位进行平面拟合并获取最佳平面参数;最后,通过拟合平面的空间特征与几何关系计算出产状参数.利用上述方法,对研究岸坡进行详细的结构面调查和分析,最终获得 条结构面.利用聚类分析法将上述结构面进行优势分组,最终获得J、J、J 等三个优势组.其中,J I优势组 的 产 状 为 ;J 优 势 组 的 产 状 为 ;J 优势 组的产状为 .利 用MAT L A B软件计算岸坡主剖面与结构面的夹角,获得上述各优势组结构面在二维岸坡模型中的倾角和迹长信息.利用非线性函数对各优势组的倾角和迹长进行拟合,并检验其拟合优度,从而获得其概率分布模型.利用MAT L A B软件进行基于M o n t e C a r l o的二维随机界面网络模拟程序的编写,并生成二维结构面网络.岸坡稳定性分析模型的构建由于研究岸坡为岩质岸坡,表层的第四系覆土较薄,因此不予考虑,认为岸坡的岩性为闪长岩,并建立底边长 m,高 m的岸坡模型.将上节生成的随机结构面的坐标数据导入UD E C模型进行稳定性分析模型的构建.鉴于结构面数量较多,而贯通结构面对岸坡稳定性起着决定性的影响,因此模型构建和模拟计算中仅保留贯通结构面.同时,在岸坡的坡脚、坡脚上方 m、坡脚上方 m,以及坡顶等个部位分别设置J C、J C、J C 和J C 等四个监测关键点位.对于构建的模型按照m的网格尺寸进行网格单元划分,最终获得 个网格单元,个节点.工程所在地区属于典型的中温带季风性湿润气候,年均降雨量 mm,且夏季多暴雨.另一方面,研究区还处于地震带上,地震活动对岸坡稳定性的影响也不容忽视.因此,模拟计算考虑自然、暴雨和地震三个工况.其中,自然工况仅考虑岩体自重的影响,暴雨工况考虑岩体饱和自重的影响;地震工况考虑岩体天然自重和地震力的影响.研究中的本构模型设置为理想弹塑性模型,结构面节理的法向和切向强度分别为 G P a/m和 G P a/m;黏聚力为 MP a;内摩擦角为 .岩土体的物理力学参数如表所示.表岩土体物理力学参数工况密度/k gm体积模量/G P a剪切模量/G P a黏聚力/MP a内摩擦角/()自然 暴雨 地震 研究中的地震工况动力输入参数以 年海城地震实测地震波记录为基础数据,利用S e i s m o S i g n a l软件对原始地震波数据进行必要的滤波和基线校正,然后将其加速度按比例进行缩放,时期最大幅值为 g,其加速度曲线如图所示.在地震工况下,将模型的两侧设置为自由边界条件,底部 为 黏 滞 边 界 条 件,地 震 应 力 施 加 于 模 型底部.图地震波加速度时程曲线 计算结果与分析 自然工况利用构建的计算模型对自然工况下岸坡的位移和应力进行 模拟 分 析.在 计 算 结 果 中 提 取 出四个 关键点位的最大位移和应力数据.结果分别如表所示.从计算结果可以看出,在自然工况条件 下,各 个 计 算 点 位 的 水 平 位 移 量 较 小,均mm,且岸坡顶部的水平位移量几乎为零.同时,各点位的竖向位移随着高度的增加呈现出不断增大的变化特点,J C 点位的竖向位移量最大为 mm.总体来看,各部位的位移量不大,其计算中呈现出收敛态势.因此,岸坡在自然工况下处于稳定状态.从应力计算结果来看,无论是水平应力还是竖向应力,均呈现出随着高度的减小而增大的变化特点.具体来看,大部分部位的水平应力和竖向应力表现为压应力,仅在坡顶的小部分区域存在水平和竖向拉应力.由于岸坡岩体比较破碎,抗拉强度低,因此岸坡的坡顶部位岩体易发生受拉破坏.表自然工况位移与应力计算结果计算点位水平位移/mm竖向位移/mm水平应力/MP a竖向应力/MP aJ C J C J C J C 水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷 暴雨工况利用构建的计算模型对暴雨工况下岸坡的位移和应力进行模拟分析.在计算结果中提取出四个关键点位的最大位移和应力数据.结果分别如表所示.从计算结果可以看出,在暴雨工况条件下,由于岸坡岩土体饱和自重增加,因此各个计算点位的位移量较自然工况均有一定程度的增加.从具体数值来看,越靠近岸坡的顶部,其位移量的增加幅度越大.总体来看,随着各部位的位移量增加较为明显,但是在计算过程中仍处于收敛状态,因此岸坡在暴雨工况下处于稳定状态.从应力计算结果来看,暴雨工况下的水平应力和竖向应力与自然工况下比均有不同程度的增加,但是其变化规律基本一致:岸坡大部分部位的水平应力和竖向应力表现为压应力,仅在坡顶的小部分区域存在水平和竖向拉应力,且岸坡的坡顶部位岩体易发生受拉破坏.表暴雨工况位移与应力计算结果计算点位水平位移/mm竖向位移/mm水平应力/MP a竖向应力/MP aJ C J C J C J C 地震工况利用构建的计算模型对地震工况下岸坡的位移和应力进行模拟分析.在计算结果中提取出四个关键点位的最大位移和应力数据.结果分别如表所示.从计算结果可以看出,在地震工况条件下,各个计算点位的位移量较自然和暴雨工况均有大幅增加,且计算过程中不收敛,说明岸坡在地震工况下处于不稳定状态,极易诱发滑动、崩塌等地质灾害.从应力计算结果来看,地震工况下岸坡的中部也存在显著的拉应力,顶部的拉应力较自然工况和暴雨工况明显增大.由此可见,在地震工况下,坡顶的岩体更容易出现拉裂破坏.表地震工况位移与应力计算结果计算点位水平位移/mm竖向位移/mm水平应力/MP a竖向应力/MP aJ C J C J C J C 结语库岸边坡的稳定性分析对保证水库安全稳定运行具有十分重要的意义和作用,是学者研究和关注的重要领域,此次研究以具体工程为背景,构建起基于二维随机结构面网络的岸坡稳定性计算模型,通过数值模拟计算的方式对岸坡的稳定性进行评价.结果显示,在自然和暴雨工况下,岸坡处于稳定状态,在地震工况下处于不稳定状态.研究结论对工程设计施工具有一定的指导意义.当然,研究中仅采用岩土体饱和参数方法进行模拟,其与岸坡内部真实渗流场存在一定的差异,未来需要耦合渗流稳定性分析,以便获得更贴合实际的结果.参考文献:段佳玮河道清淤工程岸坡稳定性分析及加固处理 以大梅沙河清淤工程为例J水利科学与寒 区工程,():张引平,屈永龙,王怀琦,等陕北黄土水库蓄水后岸坡稳定性分析与塌岸预测J西北水电,():,彭筱琼基于概率密度理论的岸坡变形监测及稳定性分析J吉林水利,():贺林林,周莉,梁越水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析J水利水运工程学报,():刘中才基于有限元重度增加法的涉水岸坡稳定性分析研究J水利科学与寒区工程,():张建胜三峡库区消落带岸坡稳定性分析及抗滑桩内力研究J东北水利水电,():,刘佳,平凡阶梯型石笼护岸结构及岸坡稳定性分析J东北水利水电,():,陶桂兰,谭彬政,束梁基于坡面冲刷的荆江典型岸坡稳定性分析J长江科学院院报,():第期张露译基于二维随机结构面网络分析的库岸节理裂隙岩边坡稳定性分析