岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响_魏攀哲.pdf

DOI:10.12170/20221023002魏攀哲，赵引.岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响 J.水利水运工程学报，2023（2）：104-112.（WEI Panzhe,ZHAOYin.Study of the influence of rock mass deterioration on valley deformation and high arch dam safetyJ.Hydro-Science andEngineering,2023（2）:104-112.（in Chinese）岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响魏攀哲，赵 引(河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098)摘要:拱坝建成蓄水后，水环境的变化会引起坝址区岩体力学性能的改变，进而引起谷幅收缩，影响大坝安全。针对锦屏一级拱坝蓄水初期出现的地基异常变形现象，基于岩体遇水劣化规律和非饱和渗流-应力耦合基本理论，建立岩体遇水劣化模型，采用非线性有限元数值分析方法，研究蓄水初期库区岩体劣化下的谷幅变形规律，进一步分析谷幅收缩对坝体结构的影响。研究表明：库岸岩体劣化对谷幅变形产生直接影响；岩体劣化程度越高，谷幅收缩越明显，坝体上游消落带区域的谷幅变形最为突出；随着水位升高，库岸岩体劣化范围扩大，坝体的最大顺河向位移、最大主拉应力和最大主压应力略有减小。因此，锦屏拱坝蓄水后由岩体劣化造成的谷幅变形不会影响坝体的整体安全。关键词：水-岩耦合作用；岩体劣化；非饱和渗流-应力耦合；谷幅变形；高拱坝中图分类号：TV311 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0104-09 拱坝建成蓄水后，坝址区岩体的力学性能由于水-岩耦合作用产生劣化，使库岸边坡和坝基岩体产生变形。相关资料14显示，在蓄水初期或蓄水完成后，溪洛渡拱坝收缩高达 87 mm，锦屏拱坝谷幅变形约为50 mm，白鹤滩拱坝约为 10 mm。这样的谷幅变形可能导致边坡滑移、坝体局部开裂，影响拱坝正常运行，甚至威胁大坝安全。如瑞士的 Zeuzier 拱坝、法国的 Malpasset 拱坝、意大利的 Beauregard 拱坝、Vajont 拱坝都是由于边坡的变形挤压坝体，产生严重开裂。我国的二滩拱坝和溪洛渡拱坝在蓄水后下游水垫塘和下游坝面也出现了裂缝5-6。针对蓄水对谷幅变形的诱发机制及谷幅变形的时空演化规律，已有许多学者展开了相关研究。杨杰等7对李家峡拱坝的谷幅变形进行回归分析，认为温度是影响岩体位移的主要因素。更多学者从数值计算的角度对谷幅变形进行研究。杨强等8从裂隙岩体有效应力的角度解释了锦屏拱坝第三、第四蓄水阶段的谷幅变形；Yang 等911基于非饱和相对渗流系数模型，认为在非饱和渗流过程中，谷幅变形的大小与岩体饱和度、构造面充填体的饱和孔隙比呈正相关。研究中还发现蓄水后的岩体劣化可能是造成谷幅收缩的重要因素。杨强等12对锦屏拱坝左岸的软弱岩体进行蓄水期参数反演，确定岩体降强系数并分析其对边坡变形的影响；Zhao 等13认为水-岩相互作用引起的岩体劣化可以解释高拱坝蓄水过程中的谷幅变形。就锦屏一级拱坝而言，根据坝址区边坡地质条件和基岩温度场变化情况，蓄水引起的渗流场演变及岩体劣化是影响谷幅收缩的主要因素11-12。但目前研究未涉及蓄水初期库水入渗过程中岩体及结构面力学参数的劣化规律，以及库水位周期性升降对库岸边坡岩体劣化的影响。岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性影响的研究总体来说还是较少。本文将根据非饱和渗流-应力耦合理论，重点考虑岩体遇水劣化效应，分析库岸边坡岩体的劣化规律，建立岩体遇水劣化模型，并运用有限元方法，研究蓄水初期岩体劣化对地基变形的影响规律和机制，明确其对坝体安全性的影响。收稿日期：2022-10-23基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（51739006）作者简介：魏攀哲（1996），男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事复杂环境下高拱坝的安全评估研究。E-mail： 通信作者：赵引（E-mail：Z）第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023 1 锦屏一级拱坝蓄水初期岩体劣化模型锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，坝址区地层岩性主要为大理岩和砂板岩，右岸以大理岩为主；左岸以 1 800 m 高程附近为分界线，上部为砂板岩，下部为大理岩。拦河大坝采用抛物线双曲拱坝，坝高 305 m，坝顶高程 1 885 m。水电站自 2014 年 8 月首次蓄水至正常蓄水位 1 880 m，到 2020 年 6 月为止，由于水库季节性的水位涨落及人为泄洪蓄水，共经历了 6 轮水位自 1 800 m 死水位到1 880 m 正常蓄水位的循环升降。1.11.1非饱和渗流基本理论在非饱和渗流分析的过程中，孔隙介质的渗透系数与饱和度相关，饱和度通常被定义为毛细压力的函数，对渗透系数的影响可用相对渗透系数10来表示：s=1+(pc/n)11mm(1)ks=s1(1s1m)m2(2)pcksm=0.5 n=1.0式中：s 为饱和度；为毛细压力；为相对渗透系数；m、n 分别为曲线拟合参数,由于不考虑岩体基质的可压缩性，取，MPa。因此，孔隙介质非饱和状态下的渗透系数和达西定律可表述为：k=ksk(3)v=kJ=kH(4)k、kvJH式中：分别为饱和、非饱和状态下的渗透系数；为渗流速度；为水力梯度；为孔隙介质水头；为拉普拉斯算子。1.21.2岩体遇水劣化规律目前有关水-岩耦合作用下岩体宏观力学性能劣化机制的研究主要从饱和度、孔隙水压力和干湿交替这三方面开展14。其中饱和度对岩体力学性能影响的研究较早较多，岩体遇水后强度降低，且随含水量增加，强度持续下降。近些年的大量试验结果15-18表明，大部分岩体的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角等力学参数随含水率增加的衰减规律可用负指数函数来表示：P=aexp(ts)+b(5)a、b、t式中：P 为岩体力学参数；为劣化函数参数，其中 t 控制岩体力学参数劣化的速率，a、b 则需要根据岩体力学参数的劣化程度确定。以弹性模量为 20 GPa 的岩体为例。假定饱和后劣化 20%，t 不同取值下的岩体力学参数与饱和度的关系曲线如图 1 所示。由此可见，在水-岩作用前期，岩体力学性能随着饱和度增加呈现非线性劣化趋势，劣化程度明显，而且在 a、b 一定的情况下，不同参数 t 下的劣化曲线差异较大。1.31.3考虑水-岩耦合作用的岩体劣化模型目前不能准确描述水-岩耦合作用下，岩体力学参数随饱和度的变化规律。因此，本文采用式（5）来描述岩体力学参数随饱和度增加而逐渐劣化的过程，并讨论式中参数不同取值时岩体劣化速率及劣 0.51.00161820弹性模量/GPa饱和度t=1t=3t=5 图 1 岩体力学参数-饱和度关系曲线Fig.1 Rock mass mechanical parameters-saturationrelation curve 第 2 期魏攀哲，等：岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响105化程度对谷幅变形的影响。锦屏坝址区岩体的水-岩作用试验结果19-22表明，软弱岩体及结构面在水-岩作用下力学性质会发生较大变化，质量高、相对完整的岩体变化则较小。因此，本文的劣化模型主要考虑软弱岩体及结构面的遇水劣化效应，软弱岩体包括 IV1、IV2 类岩体。文献 23 中通过试验分析表明，干湿循环作用下的岩体劣化趋势比长期浸泡导致的岩体劣化更为明显。本文将高程 1 8001 880 m 之间的消落带归为干湿循环影响区；将高程 1 800 m 以下长期处于库水浸泡的岩体归为饱水影响区，如图 2 所示。根据试验结果19-22，假设干湿循环影响区岩体的劣化程度为饱水区域的 2 倍，以此考虑库水位升降对岩体劣化的影响。2 基于岩体劣化的谷幅变形分析 2.12.1谷幅变形分析方法采用三维非线性有限元法分析谷幅变形及其对坝体的影响。屈服准则采用扩展的 Drucker-Prager 准则，屈服面在子午面的形状用线性函数24来描述：F=q ptand=0(6)q=3J2J2=S1S2S2S3S3S1p=I1/3I1=1+2+3dtan=6sin/(3sin)，d=(1tan/3)cc=2ccos/(1sin)式中：为偏应力，为应力偏量的第二不变量；为平均应力，为应力张量第一不变量；和 为材料参数，在三维问题中，与材料黏聚力和内摩擦角的关系24为：，为内摩擦角；为单轴抗压强度；c 为黏聚力。2.22.2谷幅变形监测布置枢纽区河谷利用两岸观测平洞设置谷幅测线。谷幅跨江段监测布置见图 3。坝前 3 条谷幅测线：PDJ1TPL19、TPL11TPL5、PD21PD42。坝后 2 条谷 幅 测 线：TPRKP29-2TPLKP29-1、TPRKP29-4TPLKP29-2。本文选取自 2012 年 11 月首次蓄水到2020 年 6 月的监测数据与计算值进行对比。为方便表示，后续分析中将这 5 条测线按从上游到下游的顺序依次编号为 1、2、3、4、5。2.32.3有限元计算模型、材料参数及计算工况锦屏拱坝及库区系统有限元计算范围横河向由坝轴中心面向左、右岸各延伸 610 m；顺河向由顶拱上游面中心点向上游延伸 315 m，向下游延伸 605 m；竖直向范围取1 450 m2 100 m，共 650 m。坐标原点 O 设在顶拱上游面与拱冠梁的交点处，x 轴正向指向左岸，y 轴正向指向上游，z 轴正向竖直向上。网格采用八节点六面体和六节点五面体等参单元，节点总数为 66 689，单元总数为 61 620，其中坝体单元数为6 005。有限元网格较好地模拟了大坝的体形和结构特征、建基面形状、地形地貌、岩体构造，包括右岸的F13、F14 断层，左岸的混凝土垫座、F5、F8、F42-9 断层，煌斑岩脉 FX 等。拱坝与地基的三维有限元网格见图 4、5。1 880 m1 800 m干湿循环区域干湿循环区域饱水区域饱水区域 图 2 岩体劣化区域划分Fig.2 Regionalization of rock mass deterioration 1 829 m1 829 m1 930 m1 930 m1 917 mTPLKP29-2TPRKP29-4TPRKP29-2TPLKP29-1坝轴线坝轴线PD42PD21TPL11TPL5TPL19PDJ1 图 3 谷幅跨江段监测布置Fig.3 Valley amplitude monitoring arrangementacross the river 106水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月拱坝及地基的各类材料参数见表 1。坝体及岩体的弹塑性本构模型均采用 Drucker-Prager 屈服准则。在进行渗流-应力耦合分析时，将坝体、垫座等混凝土材料视为不透水边界。考虑到谷幅变形成因的不确定性，按不考虑岩体渗流与劣化、考虑岩体渗流、考虑岩体渗流与劣化共3 种荷载组合进行研究。同时为考虑不同蓄水位对岩体劣化及谷幅变形的影响，并结合锦屏水电站的蓄水过程，荷载组合 3 又分成 4 种工况。根据锦屏地区的蓄水情况，设置荷载组合及工况如表 2 所示。2.42.4岩体劣化计算中不同因素对谷幅变形的影响分析根据岩体劣化试验拟合的劣化曲线都不尽相同，但已有研究成果表明，式（5）中参数 t 的拟合取值大多为 13，一般不超过 515-18，而且岩体整体劣化程度基本不超过 30%19-20。本文考虑岩体劣化规律的不确定性，分以下 3 种情况来对比分析岩体劣化中不同因素对谷幅变形的影响，并选取符合实际的劣化模型参数：表 1 材料的物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials编号材料分类弹性模量/GPa泊松比密度/（kgm3）黏聚力/MPa摩擦因数渗透系数/（ms1）1坝体、垫座24.000.172 4001.641.0002防渗帷幕24.000.172 4001.641.001.0010123类岩体26.000.202 7002.001.352.78101041类11.500.252 7001.501.071.68101052类6.500.282 7000.901.025.7910961类2.400.302 7000.600.706.7910872类1.400.352 7000.400.601.711078F5、F8、F42-90.400.381 9000.020.302.271069F13、F140.400.381 9000.020.304.8310710FX6.500.282 7000.901.022.27106 表 2 计算荷载组合及工况Tab.2 Calculated load combination and working condition计算工况地应力自重静水水位/m温度荷载渗流岩体劣化11 880温降无无21 880温降无3-H11 710温降3-H21 800温降3-H31 840温降3-H41 880温降 xzyO 图 4 锦屏一级拱坝地基有限元网格Fig.4 Finite element mesh of Jingpin arch dam FXF42-9F13F14F5F8 图 5 地基断层及岩脉分布Fig.5 Distribution of faults and dikes 第 2 期魏攀哲，等：岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响107（1）设置岩体劣化程度为 20%，取 t=1、3、5；（2）取 t=5，设置岩体饱和时，力学参数分别相对初始值弱化10%、20%和 30%；（3）取 t=5，岩体劣化程度为 20%时，分不考虑干湿循环影响、干湿影响区域劣化程度为饱水区域的 2 倍和 3 倍进行分析。为控制变量，统一采用工况 3-H4 的荷载组合。3 种情况下的谷幅变形对比如图 6 所示。由图 6 可见：（1）不同参数取值下，某中间分析步及最终计算结果对比可得，劣化速率对谷幅变形的过程有一定影响，但对谷幅变形的最终结果影响很小。在后续的分析中，考虑最不利的因素，统一取 t=5。（2）岩土材料的劣化程度对谷幅变形影响非常显著，岩体劣化 30%时，谷幅收缩高达 63.69 mm。在岩体劣化程度达到 20%左右时，坝前谷幅变形计算值与监测值较为吻合，坝后谷幅变形计算值则远大于监测值。鉴于杨宝全等21-22的材料弱化试验结果，及初期蓄水的持续时间和岩体浸泡程度，将以材料劣化度20%来对比分析渗流与岩体劣化造成的谷幅变形及对坝体结构的影响。（3）考虑干湿循环区域岩体劣化加剧后，谷幅变形会明显增大。虽然干湿循环影响区范围相对整个劣化区域比例较小，但对谷幅变形的影响不可忽略。在干湿影响区劣化程度为饱水区 2 倍的情况下，上游3 条测线计算值与监测值较为接近。参考何如许19对锦屏库区基岩干湿循环及长期浸泡下的劣化试验结果，设置干湿影响区劣化程度为饱水区的 2 倍比较符合实际。2.52.5考虑渗流与岩体劣化的谷幅变形分析根据前文分析结果，取 t=5，设置岩体劣化程度为 20%，并考虑干湿效应。各工况下谷幅变形与监测值的对比见表 3。同时，为了更好地反映两岸山体不同区域变形情况的影响，借助图 7 中的 2 个剖面及剖面的河谷表面节点来分析岸坡变形情况。具体位移分布规律见图 8。表 3 谷幅变形监测值与计算值对比Tab.3 Comparison between monitored and calculated values of valley deformation谷幅测线编号谷幅变形/mm监测值计算值工况1工况2工况3-H1工况3-H2工况3-H3工况3-H4150.005.6227.744.3113.4430.2852.07246.502.2123.773.257.9517.9845.83341.001.7622.562.346.1814.3440.83419.837.9116.921.442.118.1330.92522.681.5922.172.865.1910.7328.62 012310420304050605谷幅变形/mm谷幅测线编号(a)不同岩体劣化速率的谷幅变形对比t=1,劣化过程中t=3,劣化过程中t=5,劣化过程中t=1,劣化结束t=3,劣化结束t=5,劣化结束7012310420304050605谷幅变形/mm谷幅测线编号(c)不同干湿循环效应的谷幅变形对比干湿区为饱水区劣化程度的 2 倍干湿区为饱水区劣化程度的 3 倍不考虑干湿循环影响监测值70劣化 10%劣化 20%102030405060劣化 30%谷幅变形/mm岩体劣化程度(b)不同岩体劣化程度的谷幅变形对比谷幅测线 1(监测值:50.00)谷幅测线 2(监测值:46.50)谷幅测线 3(监测值:41.00)谷幅测线 4(监测值:19.83)谷幅测线 5(监测值:22.68)图 6 岩体劣化过程中不同因素对谷幅变形的影响Fig.6 Influence of different factors on valley deformation during rock mass deterioration 108水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月从表 3 及图 8 可知：（1）工况 1，谷幅变形表现为扩张的形式。这是因为不考虑渗流与岩体劣化，库盆表面为不透水边界，此时，库水压力在水平方向分别指向两岸山里，使两岸边坡产生向坡内扩张的趋势。（2）考虑渗流与岩体劣化后，谷幅变形开始由扩张变为收缩，且谷幅变形受蓄水位影响明显。随着蓄水水位升高，岩体渗流及劣化范围扩大，谷幅收缩不断增大，上游谷幅变形大于下游。（3）在工况 2 只考虑渗流不考虑劣化的情形下，下游 2 条测线的计算值与监测值非常接近；而在工况 3-H4 考虑岩体劣化后，这 2 条测线计算值明显大于监测值。由此可见，下游水位较低，岩体劣化程度较小，谷幅变形主要由蓄水后的渗流造成。（4）河谷两岸消落带区域的谷幅变形最为突出。同时，考虑岩体劣化后，山体最大横河向位移从右岸转移到左岸，符合实际监测情况。3 谷幅变形对坝体结构的影响考虑岩体非饱和渗流与劣化后，坝体的位移和应力均有变化。随着蓄水位的升高，岸坡岩体劣化范围扩大，坝体最大顺河向位移、最大主拉应力和最大主压应力均逐渐减小。以工况 1、工况 2 和工况 3-H4 为例，考虑谷幅变形后，坝体横河向位移有所增加，且左侧坝肩位移略大于右侧，左右位移不再对称（图 9）；顺河向位移略有减小，其中坝体最大顺河向位移从正常工况的 89.60 mm 减小到考虑渗流的 81.75 mm 和考虑渗流与岩体劣化的 81.35 mm，呈随谷幅变形增大而减小的趋势（图 10）。可见谷幅收缩会对坝体产生挤压作用，使坝体产生向上游变形的趋势。(b)节点位置分布123224 5 20 21拱坝中心线2324(a)剖面位置分布 图 7 剖面位置及节点分布Fig.7 Profile position and node distribution 1 8001 7001 6001 900 2 000 2 1001 500202040060横河向位移/mm高程/m(a)工况 2-剖面左岸-剖面右岸-剖面左岸-剖面右岸1 8001 7001 6001 900 2 000 2 1001 500202040060横河向位移/mm高程/m(b)工况 3-H4-剖面左岸-剖面右岸-剖面左岸-剖面右岸 图 8 考虑渗流与岩体劣化的河谷剖面横河向位移分布Fig.8 x displacement distribution of river valley profile considering seepage and rock deterioration 第 2 期魏攀哲，等：岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响109U1+1.827e+01+1.522e+01+1.217e+01+9.117e+00+6.064e+00+3.012e+004.064e 023.093e+006.146e+009.198e+001.225e+011.530e+011.836e+01U1+1.605e+01+1.264e+01+9.225e+00+5.813e+00+2.402e+001.009e+004.421e+007.832e+001.124e+011.466e+011.807e+012.148e+012.489e+01U1+2.207e+01+1 825e+01+1.442e+01+1.060e+01+6.782e+00+2.962e+008.594e 014.680e+008.501e+001.232e+011.614e+011.996e+012.378e+01(a)工况 1 (b)工况 2(c)工况 3-H4图 9 坝体横河向位移（单位：mm）Fig.9 Comparison of displacement of dam in x direction(unit:mm)U21.797e+009.114e+001.643e+012.375e+013.106e+013.838e+014.570e+015.302e+016.033e+016.765e+017.497e+018.228e+018.960e+01U21.660e+012.203e+012.746e+013.289e+013.832e+014.375e+014.917e+015.460e+016.003e+016.546e+017.089e+017.632e+018.175e+01U21.580e+012.126e+012.673e+013.219e+013.765e+014.311e+014.858e+015.404e+015.950e+016.497e+017.043e+017.589e+018.135e+01(a)工况 1 (b)工况 2(c)工况 3-H4图 10 坝体顺河向位移（单位：mm）Fig.10 Comparison of displacement of dam in y direction(unit:mm)考虑渗流与岩体劣化后，坝体的最大主拉应力从正常工况的 3.54 MPa 减小到考虑渗流的 1.65 MPa 和考虑渗流与岩体劣化的 1.67 MPa，位置也从建基面右侧1 600 m 附近转移到了左拱端1 840 m 处，这表明渗流及岩体劣化造成的谷幅变形在一定程度上缓解了坝体向下游变形的趋势，从而减轻了坝体上游面的受拉作用。各工况下坝体的最大主压应力分布规律基本类似，在考虑谷幅变形及岩体劣化后，最大主压应力的数值减小甚微。表 4 为各工况的坝体应力计算结果。表 4 坝体应力计算结果Tab.4 Calculation results of stress of dam工况最大主拉应力最大主压应力数值/MPa位置数值/MPa位置13.54建基面右侧1 600 m20.52下游面左拱端1 650 m21.65上游面左拱端1 800 m19.83下游面左拱端1 650 m3-H41.67上游面左拱端1 840 m19.76下游面左拱端1 650 m 4 结语针对锦屏一级拱坝的地基异常变形情况，基于非饱和渗流-应力耦合理论和岩体遇水劣化理论，通过非线性有限元方法，对谷幅变形的成因及对高拱坝的影响进行了分析，结论如下：（1）岸坡岩体劣化对谷幅变形有直接影响，表现为岩体劣化程度越高，谷幅变形越大。本文建立的岩体遇水劣化模型在 t=5，岩体劣化程度达到 20%，并考虑干湿区域影响时，谷幅变形计算值与实测值较为接近，在空间上的分布规律也类似。（2）蓄水后的渗流和岩体劣化造成的谷幅变形，在一定程度上使坝体顺河向位移减小。同时，在岩体劣化 20%的程度下，随着蓄水位升高，岩体劣化范围扩大，坝体的应力大小和分布也得到了改善。但此结论只是针对锦屏拱坝而言，对于其他工程，应结合地质条件和蓄水情况具体分析。（3）劣化 30%的情况下，最大谷幅变形计算值高达 63.69 mm，远远大于目前的监测值。但从试验成果分析，继续劣化的程度极小。可以此为极值，进一步研究长期运行下谷幅变形对坝体安全稳定性的影响。110水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月参考文献：程恒,张国新,廖建新,等.高拱坝谷幅变形特征及影响因素分析J.水利水电技术，2020，51(5)：65-70.（CHENG Heng,ZHANG Guoxin,LIAO Jianxin,et al.Analysis on characteristics and influencing factors of valley deformation of high archdamJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51(5):65-70.（in Chinese）1 徐建荣,王兴旺,王建新,等.白鹤滩拱坝初期蓄水库岸变形机理研究J.水力发电学报，2022，41(5)：31-41.（XUJianrong,WANG Xingwang,WANG Jianxin,et al.Mechanism of reservoir bank deformation during initial impoundment ofBaihetan arch damJ.Journal of Hydroelectric Engineering,2022,41(5):31-41.（in Chinese）2 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