石別電站進水口邊坡穩定性計算

郭勇　龐崇林　劉咸辰

（中國水利水電第十四工程局有限公司勘察設計研究院云南昆明650041）

石別電站進水口邊坡穩定性計算

郭勇龐崇林劉咸辰

（中國水利水電第十四工程局有限公司勘察設計研究院云南昆明650041）

本文論述了石別水電站進水口邊坡的特征，采用剛體極限平衡法對邊坡進行數值仿真分析，評價邊坡在天然與開挖無支護、加支護及電站正常運行等工況下的穩定性分析及評價，并對各典型剖面進行加固措施研究和支護方案設計，使邊坡治理更趨科學合理。

石別水電站進水口邊坡計算模型地質參數穩定性計算防治方案

1　工程概況

引水隧洞布置在壩址左岸，進水口邊坡地形在上部岸坡較緩，自然坡度為12°～16°；公路下方岸坡較陡，自然坡度為35°～42°。邊坡無基巖出露，經鉆探揭露，覆蓋層為第四系殘坡積碎石土，厚度為10.8～12.6m。下伏地層為二疊系上統玄武巖組（P2β）玄武質凝灰巖，全風化帶厚4～5m，強風化層厚4～8m，弱風化帶厚7～9m。

取水口邊坡高達40m，屬于較高的巖土合邊坡，邊坡分三臺開挖，開挖坡比從上往下分別為1：1，1：0.75和1：0.5。邊坡的穩定性對工程而言至關重要，本文運用專業軟件就施工期、運行期及地震作用等多種復雜工況對沉砂池邊坡二維典型剖面的穩定性進行分析，評價在當前設計開挖坡比情況下邊坡靜力工況下的穩定安全度及建議支護方案的效果。

2　計算基本原理

假定巖土體的破壞是由于滑體內滑面上發生滑動而造成的，滑動體被看成是剛體，不考慮其變形，滑面上巖土體處于極限平衡狀態，并滿足摩爾—庫倫準則。滑面的形狀可以為平面、圓弧面、對數螺旋面或其它不規則面，然后通過由滑裂面形成的隔離體的應力平衡方程，確定滑裂面上安全系數Fs的大小。其中安全系數Fs值最小的滑面就是最危險滑動面，其對應的安全系數值即為該邊坡穩定的安全系數值。

根據摩爾－庫倫條件應有：

由每一土條豎向力的平衡得

聯合兩式：得出

按滑動體對圓心的力矩平衡

可有

上式右端的Ni需要按式（2-3）進行計算。由于公式兩端均含有Kc，故需要迭代求解。

3　計算模型、計算參數及計算工況確定

3.1計算模型的建立

根據水工設計布置，結合邊坡地質條件，本此研究選取坡高最大的典型邊坡剖面（Ⅶ-Ⅶ）采用Slide巖土邊坡分析軟件進行典型剖面穩定性分析。典型剖面的工程地質剖面圖見《進水口邊坡工程地質剖面圖（Ⅶ-Ⅶ）》，并據此建立了二維剛體極限平衡法計算模型，剖面模型如圖1所示。根據邊坡地質特征及巖土體分層情況，選取沖坡積層、崩坡積層、下伏基巖的全、強、弱風化、微至新鮮程度作為分區邊界建立軟件二維剛體極限平衡法計算模型，Slide提供模型的基本框架并將模型的左右邊界和底邊界設置為約束邊界。

圖1　Ⅶ-Ⅶ剖面二維模型圖

3.2計算參數及計算要求

在靜動力計算中，邊坡巖（土）體均采用彈塑性模型，巖土體物理力學參數見表1。

表1　巖土體物理力學計算參數

石別水電站為清水江水電開發的第三級，為小（1）型工程，以發電為主。各建筑物級別分別為：永久性主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（DL/T 5353-2006）第5.0.1、5.0.4條規定，本工程邊坡屬A類樞紐工程區邊坡，其級別為Ⅲ級。持久工況下設計安全系數應不低于1.05，短暫工況下安全系數不低于1.05，偶然工況下安全系數應不低于1.00。

3.3計算荷載及計算工況

邊坡設計需考慮的荷載包括自重、岸邊外水壓力、地下水壓力、加固力、地震作用等。

巖（土）體的自重地下水位以上采用天然重度，在地下水位以下，則應根據計算方法正確選擇。坡體上的建筑物作坡體自重計。邊坡各部位地下水壓力應根據水文地質資料和地下水位長期觀測資料確定。采用地下水最高水位作為持久狀態水位。電站擋水建筑物為四級，50年超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為Ⅵ度。

3.4計算假定

在邊坡的穩定性模擬分析中，作如下假定：

（1）按彈塑性平面應變問題處理。

（2）對于巖石采用三角形六結點單元，線性函數的位移模式進行模擬。

圖2　天然條件下Ⅶ-Ⅶ剖面邊坡穩定計算結果（最小安全系數2.153）

圖3　開挖邊坡在無支護狀態下計算結果圖（安全系數為1.055）

圖4　建議支護方案工況下邊坡穩定計算圖

圖5　運行期邊坡穩定計算圖

圖6　地震工況下邊坡穩定計算圖

（3）忽略巖層交界面間膠結物質的厚度，同時用界面單元模擬邊坡結構中出現的裂縫。（4）當作用在接觸面上某一點處的切向力達到該方向上的最大抵抗能力時，巖層將沿該方向發生相對滑動。

（5）在整個變形過程中，接觸面上各點的位移滿足變形相容條件，即發生接觸的變形體不相互侵入。

4　邊坡巖（土）體物理力學參數的反演分析

天然條件下Ⅶ-Ⅶ剖面邊坡穩定計算結果見圖2，計算結果表明安全系數為2.153。采用提供的巖土體物理力學參數計算得到的安全系數大于安全規范值，說明自然邊坡比較穩定；而實際邊坡同樣是比較穩定的，故認為提供參數的物理力學參數是合理的，因此可以使用所提的物理學力學參數進行后續的穩定計算。

5　建議支護方案下高邊坡穩定性分析

本節主要研究施工期（邊坡開挖支護完成狀態）以及運行期（主要分析正常運行、正常運行遇地震及庫水驟降工況）下的邊坡穩定性，驗算是否符合三級邊坡穩定要求，同時對支護方案進行評價。

5.1開挖邊坡在無支護狀態下穩定性分析

從圖3在當前開挖狀態下典型剖面穩定性分析示意圖可以看出，邊坡穩定的安全系數為1.055，根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范DZT0219-2006》規定，邊坡處于整體暫時穩定～變形狀態，潛在的推測最危險滑動面位置：滑弧穿過殘坡坡積層、全風化層并從全風化層中滑出。在施工過程中容易發生滑動現象，開挖過程中必須采取合理的支護措施。

5.2建議支護方案下邊坡穩定性分析

本次計算中所采用的支護參數為：Φ= 25mm，L=4.5m@3m×3m系統錨桿，φ6@200× 200鋼筋網，直徑50mm排水孔間排距為2m，傾角為5°（或與坡面垂直），排水孔外面采用Φ=50mmPVC排水管，深入邊坡10cm，外露20cm，噴15cm厚C20混凝土。

從圖4建議支護方案下典型剖面穩定性分析示意圖可以看出，邊坡穩定的安全系數為1.057，符合短暫工況下安全系數不低于1.10～1.05的要求，能滿足施工期的穩定，但很接近1.05，且從計算結果中可以看到，由于錨桿尺寸短，未能有效穿到強風化基巖，對邊坡安全系數提高不大。

5.3正常運行期穩定性分析

邊坡按建議支護方案完成邊坡治理后下挖至取水口建基面且待取水口建筑物澆筑完成后，在取水口的混凝土邊墻與坡腳間回填石渣（93%壓實度）。計算結果見圖5，從圖5穩定性分析示意圖看出，邊坡穩定的安全系數為1.062，符合持久工況下設計安全系數應不低于1.15～1.05的要求。由于最危險滑弧還是在上部全風化穿出，在下部澆筑混凝土及回填碎石土后只是增加底腳的穩定性，對上部邊坡安全系數并沒有實質性的提高。

5.4地震工況下穩定性分析

電站擋水建筑物為四級，50年超越概率10%的場地地表峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為Ⅵ度。運行期如遇地震，其計算結果見圖6，從圖6穩定性分析示意圖看出，邊坡穩定的安全系數為1.025，大于1.0，符合地震工況下的安全的要求。

6　結論

在當前開挖坡比及支護方案下，電站進水口邊坡典型剖面在不同工況下基于Bishop法得到的安全系數均大于規范規定的允許值，能滿足邊坡穩定要求，建議支護方案是基本合理可行的。但由于各工況的安全系數大多處于臨界狀態，因此開挖坡比偏陡了，特別是全風化帶的開挖坡比過陡。建議在可研階段放緩坡比，建議殘坡積層開挖坡比調整為1：1.25，全風化帶開挖坡比調整為1：1。

[1]《丘北石別水電站工程地質勘察報告》龐崇林、郭勇等中水十四局勘察設計院2014年11月.

[2]《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規程》.DZ/T5337-2006.

[3]《水電水利工程邊坡設計規范》.DZ/T5353-2006.

U213.1+3[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-456-2

郭勇（1987～），男，學士，助理工程師，研究方向為巖土工程勘察與水工建筑物設計。