何 华

(中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430061)

1 引言

在水利水电工程中，库岸边坡的失稳可能造成大坝功能的丧失，甚至造成溃坝威胁到人民生命财产安全[1-3]。库岸边坡失稳直接影响大坝的施工和运行等各个过程。对大坝进行稳定性分析和评价是一个重要的工作。特别是对于修建在复杂地质条件和工作环境中的大型水利工程，边坡稳定性的评价至关重要。我国目前大多数大坝修建在西部地区，而西部地区是我国主要的地震区域，因此展开库岸边坡的地震稳定性分析非常必要[4-5]。地震是促使边坡失稳的一个重要因素，在运行期如果发生地震，库岸边坡必须具有抵抗变形的能力，因此评价库岸边坡地震稳定性显得尤为重要。本文对某水库左岸岩质边坡展开地震稳定性分析，评价边坡的安全与稳定性。

2 工程概况

某水库引水工程由水库枢纽和输水工程两大部分组成。水库枢纽主要由挡水建筑物、泄水与引水建筑物及坝后电站等组成；输水工程主要包括总干渠、南支线、北干线三部分。某水库位于西安市蓝田县境内，水库枢纽位于灞河的一级支流辋川河中游河段。对外交通状况良好。施工场地主要利用枢纽下游沿河耕地及滩地布置。挡水建筑物设计为碾压砼拱坝，最大坝高98.50 m；泄水建筑物为泄洪表孔和泄洪底孔，泄洪表孔孔宽12 m，堰顶高程872.00 m，泄洪底孔进口高程828.00 m，孔口尺寸4.0 m×4.5 m；引水洞布置于右岸，隧洞断面为圆形，成洞直径2.5 m；电站装机2×2000 kW+1×800 kW。

某水库左岸岩质边坡存在不利结构面和临空面，相关的结构面和临空面将岩体切割成可能产生失稳和滑动破坏的楔形体。在水利工程中楔形体的破坏是比较常见一种破坏形式，它在各类岩质边坡中占有重要的地位。楔形体主要由花岗岩组成岩结构面分布有细粒岩脉，宽度为1.0 m～1.5 m。岩体主要由弱风化层组成，分布较为完整。强风化层大约为3 m～5 m，存在一定的卸荷松动现象。

3 数值模型

3.1 计算模型

为计算的方便，本文只进行边坡稳定的二维数值计算，所采取的模型为二维平面应变模型。计算模型尽量考虑水库左岸岩质边坡的地质条件特点，模拟边坡的相关结构面和裂隙断层等不良地质构造。模型计算范围取得足够大，在包含主要研究边坡部位的基础上向外分别延伸至少1倍的边坡高程。模型的总体尺寸为：竖直方向上总的高度取为1000 m，包含主要研究区域，模型水平方向前沿取为边坡的凌空面或者开挖面，而后沿尽量取完整新鲜岩体部位，以使边坡尽量包含区域内的不利结构构造部位。岩体的结构面采用上述介绍的方法进行模拟，并进行适当的简化，以达到即满足精度要求，又能尽量刻画结构面的分布。模型的计算网格主要采用四边形和三角形单元进行剖分，计算网格见图1。其中总节点数4323，总单元数3773。

图1 边坡计算网格

3.2 计算方案

为详细获取库岸边坡的地震稳定性，本文进行三个方案的边坡地震稳定性分析。方案1进行边坡常规情况下的地震稳定性分析，对边坡稳定性展开分析和评价。方案2：基于方案1的计算结果，根据边坡稳定情况提出保证边坡稳定的削坡方案A，对边坡采用削坡方案A情况下，边坡的稳定性展开地震稳定性分析。方案3：根据边坡常规稳定分析结果提出的另一种削坡方案B下，对边坡基于削坡方案2，进行地震情况下稳定分析。

加速度时程通过规范谱生成，最大加速度0.104 g，地震持续时间30 s，输入的地震加速度时程见图2。

图2 x方向输入的地震加速度时程

4 库岸边坡地震稳定性分析

4.1 当前边坡地震稳定性分析

方案1中，地震持续过程中，边坡整体余能范数变化产生相应变化见图3。每个时刻余能范数的大小就反映了该时刻结构的整体抗震稳定性。如果余能范数为0，则表示结构稳定；余能范数越大，结构动力破坏程度越大。正常情况下，余能范数时程呈现出尖峰性。也就是说，结构仅在某些危险时刻动力破坏程度较大，随着地震中的卸载过程，结构可以暂时恢复稳定状态。

图3 方案1边坡余能范数变化

当前边坡在地震情况下，余能范数最大值出现在4.86 s，其它时刻，余能范数值亦较大，如1.64 s、2.36 s、3.02 s、3.76 s、6.74 s、7.96 s、8.14 s等。选取余能范数最大值出现时刻4.86 s，对边坡的稳定情况进行分析。对4.86 s时，边坡及截面位移云图；边坡及截面屈服区；边坡及截面不平衡力矢量图展开分析。由结果可以看出：(1)4.86 s时，边坡位移横河向最大为0.98 m，顺河向为0.65 m，竖直向为0.97 m。(2)屈服区主要集中在顶部和坡脚处，内部屈服范围很小。屈服区范围比静力情况下略大。(3)边坡发生局部失稳的可能性大。

4.2 边坡开挖后地震稳定性分析

方案2、方案3，地震持续过程中，边坡整体余能范数变化产生相应变化。方案2，余能范数最大值出现在3.04 s，从量值看，仅为方案1最大值的一半。其它余能范数值较大时刻有2.34 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s，8.08 s等。选取余能范数最大值出现时刻3.04 s，对边坡的稳定情况进行分析。

同时对方案2在3.04 s时，边坡及截面位移云图；边坡及截面屈服区；边坡及截面不平衡力矢量图展开分析，分析所得结果和结论与方案1结果基本一致。

方案3，余能范数最大值出现在3.10 s，从量值看，比方案2略小。其它余能范数值较大时刻有2.12 s，2.34 s，3.1 s，3.28 s，4.72 s，7.96 s等。选取余能范数最大值出现时刻3.10 s，对边坡的稳定情况进行分析。

对方案3在3.10 s时，边坡及截面位移云图，边坡及截面屈服区，边坡及截面不平衡力矢量图展开分析发现该方案上述结果与方案2和方案1均基本相似，总体并未呈现明显的不同。

各方案余能范数特征值对比见表1。各方案位移对比见表2。

表1 各方案余能范数特征值对比 单位：N·m

表2 各方案位移对比

由上述图表的对比可以看出：(1)方案2，整体余能范数为4.8×105，比方案1降低了52%。3.04 s时，边坡位移横河向最大为-0.49 m，顺河向为-0.29 m，竖直向为0.27 m，内部变形在20 cm以下。屈服区主要集中在顶部、中部和坡脚处。范围比方案1要小。边坡内部几乎没有屈服。(2)方案3，整体余能范数为4.1×105，比方案1降低了59%。3.10 s时，边坡位移横河向最大为-0.16 m，顺河向为-0.09 m，竖直向为0.12 m，内部变形在20 cm以下。仅在表面有少量的屈服存在，内部几乎没有屈服区。

5 结论

本文对某水库左岸岩质边坡稳定进行数值计算和分析，结果认为在地震荷载作用下，顶部岩体和边坡表面岩体出现了较大变形，可能会出现倾倒破坏。各个方案开挖后，边坡稳定性均有明显提高，以方案3效果最优，但边坡局部不平衡力都较大，很可能出现局部失稳。失稳区大小因开挖方案不同有显著差异。从安全与经济角度考虑，建议一个开挖量介于2与3两方案之间的推荐方案。总体而言左岸岩质边坡在天然条件下，较难保证地震稳定性，有必要采取相关的削坡方案以提高边坡的稳定性。