湖南涔天河水電站工程導流洞出口邊坡穩定性分析

萬克誠，李洋，李超

湖南涔天河水電站工程導流洞出口邊坡穩定性分析

萬克誠，李洋，李超

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065）

以湖南涔天河水電站導流洞出口邊坡為研究對象，采用平面有限元法對邊坡開挖、加固過程進行模擬，并計算邊坡在正常運行工況、降雨飽和工況及地震工況下坡表關鍵位置的位移，采用新的安全系數計算方法評價坡體整體安全，對比分析兩種加固方案下坡體的穩定性。

水電工程；邊坡；有限元；安全系數；坡表位移

1 概況

涔天河水電站水庫擴建工程位于永州市江華瑤族自治縣東田鎮境內湘水支流瀟水上游霧江段，是一座以灌溉為主，兼顧發電、過木航運、防洪等綜合效益的大型水利水電工程。面板堆石壩壩高114 m，水庫設計庫容151億m3。水電站導流洞出口邊坡位于右岸（16）、（17）沖溝之間，2#導流泄洪洞出口處。滑坡體前緣順河長215 m，滑舌前緣伸至河床，高程213 m～215 m，滑坡體后緣見有陡立光面，高程325 m，前緣前、后緣高差約107 m，縱向長192 m，平均坡度39°，局部可達45°～50°，滑坡體積約20萬m3。

根據勘察資料，滑坡體厚度6 m～17 m，滑坡體堆積物為含粘土碎塊石，結構較松散。滑帶為礫質粘土，土層厚約0.5 m，呈可塑狀，分布于滑坡與基巖的接觸面上。滑床基巖為D16巖組的砂巖、石英砂巖、細砂巖夾粉砂巖、頁巖，淺部呈強風化狀態，巖體破碎，發育破碎夾泥層。滑坡區巖層單斜構造，產狀為N48°E.NW∠60°，巖層傾向坡外，近于順層坡。地下水位埋深大多位于滑帶以下。

2 邊坡穩定有限元評價方法

2.1 最危險滑動面的確定

本文中滑動面的確定是在借鑒瑞典圓弧法最危險滑動面方法的基礎上，結合工程經驗，并參考有關類似工程綜合確定。

2.2 基于漸進破壞思想的傳統滑面安全系數有限元評價方法

本文采用一種符合邊坡的漸進破壞特征的邊坡穩定性有限元評價方法[3]，該方法仍采用“材料安全儲備”系數的概念，并且仍基于安全系數為：整個滑動面的總抗滑力與滑動力比值。在平面直線型滑坡中，滑動面上的滑動力和抗滑力是同直線反方向上的，可以進行矢量疊加，因而通過滑動力與抗滑力的平衡方程得到整體安全系數的評價公式：

式中：K為安全系數；li為第i個滑動界面單元的長度；σni為第i個接觸面單元的正應力；τni為第i個接觸面單元的剪應力；Ci為第i個滑動面的粘聚力；φi為第i個滑動面的內摩擦角。

式中：Fs為安全系數；σi為第i個未破壞界面單元正應力；σ'j為第j個破壞界面單元正應力；τi為第i個未破壞界面單元剪應力；τ'j為第j個破壞界面單元剪應力；ci為第i個未破壞界面單元峰值粘聚力；c'j為第j個破壞界面單元殘余粘聚力；

φi為第i個未破壞界面單元峰值內摩擦角；φ'j為第j個破壞界面單元殘余內摩擦角；si第i個未破壞界面單元的面積；s'j第j個破壞界面單元的面積；

一般來說，殘余c，φ值需要通過實測獲得[4]，通常而言，殘余粘聚力相對于峰值粘聚力在峰值之后衰減的很快，而殘余內摩擦角相對其峰值的變化并不太劇烈。通過對有限元的精確求解，可以得到的各施工開挖階段、運行階段滑動接觸界面單元的正應力、剪應力。整體安全系數的評價：

3 二維有限元分析計算

3.1 參數選取及加固方案

本工程地質條件復雜，結合已有巖體力學參數及反演計算所得參數，對邊坡穩定性進行分析評價，計算采用的巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體力學參數

計算采取的加固方案如下：

（1）原設計加固方案：在281 m～225 m高程之間按4 m間距設置了5排100噸級預應力錨索。

（2）優化加固方案：在原設計支護方案的基礎上，取消236m、225 m高程的兩排100噸級預應力錨索，在高程251m、255 m、266 m、270 m和281 m位置，按4m間距設置5排100噸級預應力錨索。并在235m高程設置抗滑樁，抗滑樁直徑3m，間距6m，共10根，單根抗滑樁可提供1000t阻滑力。

3.2 計算剖面穩定性分析

邊坡從坡面至基巖分別為Ⅴ類巖體、Ⅳ類巖體，滑坡體為Ⅴ類巖體，滑面以下為Ⅳ類巖體。計算模型范圍選取為：底部寬165.5 m，底部高程191 m，頂部高程330 m。采用三角形六節點實體單元剖分網格。模型底面在X、Y方向施加約束，兩個側面施加X方向約束，坡面為自由面。在邊坡頂部、中部及坡腳底部設置關鍵位置點，用以監測計算過程中坡體不同位置處位移情況。

（1）自重應力及開挖工況下計算結果

取邊坡天然自重應力場作為仿真分析的地應力條件。初始地應力基本上為自重應力場為主的情況下，鉛直應力σv可按上覆巖層的厚度計算，并且隨著深度按線性分布；同時通過側壓力系數K0可求得水平方向應力。鉛直方向為σv=γH，水平方向為σH=K0σv。

其中，K0=μ/(1-μ)；μ為泊松比，H為埋深，γ為巖體的平均容重，σv為自重應力場下的豎直向應力；σH為自重應力場下的水平應力。

施工荷載為初始地應力+開挖地應力釋放荷載，邊坡的開挖過程即地應力的釋放過程。通常用減小開挖部分巖體單元的彈性模量、轉移開挖單元應力并生成等效開挖節點力{f}ex替代，即可模擬開挖釋放荷載。

計算過程如下：進行開挖計算，釋放的荷載按照彈性應力計算，由巖體獨立承擔，隨后激活錨索單元，模擬施加錨索對邊坡的加固作用，分層臺階式開挖分7步進行，每一步開挖后激活相應開挖層的錨索單元，開挖與錨固交替進行，開挖后，在開挖面上施做預應力錨索。錨固力為100 t/根，排間距4×4 m2，最大長度40 m，與水平線夾角20°，滿足規范[5]要求。兩種加固方案下施工期開挖至各高程時邊坡最小安全系數及開挖引起的位移見表2。

由以上計算結果可以看出：

①原加固方案及優化加固方案下施工期最小安全系數均為1.12，坡表最大位移均為1.77 mm。

②兩種加固方案下，隨著坡表臺階式開挖的進行，各個關鍵位置位移均有所增長，最大位移發生在臨近坡腳的關鍵位置3處，且在最后一步開挖后，坡體安全系數有所下降，說明坡腳處的加固措施對整個坡體的穩定性起到了關鍵的作用。

表2 計算剖面兩種加固方案下各步施工引起坡表關鍵位置位移（/mm）

表3 計算剖面各加固方案下強降雨工況、地震工況關鍵位置位移（/mm）

③在關鍵位置2處，優化加固方案開挖引起的位移略小于原加固方案開挖引起的位移。安全系數均隨著分步開挖的進行而有所上升，且優化加固方案下施工期邊坡的安全系數整體上略高于原加固方案，在優化方案考慮減少錨索、降低施工難度的條件下，優化方案較原方案有更好的效果以及較好的可執行性。

（2）運行期計算結果

運行期考慮考慮正常運行工況、強降雨飽和工況及地震工況。邊坡運行期遭遇連續強降雨時，邊坡表層巖體由非飽和態轉為飽和狀態，假定地下水位線位于坡表，滑動面抗剪強度降低，所有分析采用參數均取飽和參數。

根據相關工程場地地震安全性報告及本階段區域調查分析成果，地震分析采用擬靜力法計算，選取100年發生概率為1%的設計基巖峰值加速度a=172 gal進行計算，僅考慮水平向的地震慣性力作用，方向指向坡外側。

采用兩種加固方案對計算剖面進行有限元數值分析，計算邊坡的安全系數及各個關鍵位置在不同工況下的位移，結果如表3所示。

由上述計算結果可以看出：

①降雨飽和工況下，最大位移出現在坡表頂部，位移值為0.35 mm，沿坡面向下。各關鍵位置位移在優化方案及原加固方案中相差無幾，但優化方案下安全系數較原加固方案高，優化方案的加固作用明顯。

②地震工況下，坡表關鍵點位移最大值為1.71 mm，方向為沿坡表向上，坡表中部位移最大。優化方案的關鍵位置位移略小于原加固方案，同時安全系數較原加固方案高，同樣說明優化方案較好。

4 結論

（1）施工工況下，兩種加固方案在最小安全系數和最大坡表位移上相差無幾，但優化加固方案在施工期的安全系數較原加固方案高，坡腳抗滑樁的加固作用明顯。

（2）在運行期，正常運行工況下，優化加固方案表現出了較好的加固作用，從整體上來看，坡表位移差異不大的情況下，優化方案下邊坡穩定性較好。

（3）強降雨工況及地震工況降下采用原加固方案加固效果不佳，坡體失穩，而優化方案加強了坡腳的加固，坡體安全系數滿足規范要求。

（4）因考慮施工難度及經濟技術比較，優化方案減少了錨索，并在坡腳處增加了抗滑樁，從計算結果來看，優化方案表現出了較好的加固效果。

[1]李寧，張鵬.巖質邊坡穩定分析與設計中的幾個基本問題[J].中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集，中國西安，2009，395-398.

[2]崔政權，李寧.邊坡工程—理論與實踐最新發展[M].北京，中國水利水電出版社.

[3]李寧，錢七虎.巖質高邊坡穩定性分析與評價中的四個準則[J].巖石力學與工程學報，2010，29（9）：1754-1759.

[4]佘成學，崔旋.長河壩水電站右岸導流隧洞進口高邊坡穩定性有限元計算分析[J].巖石力學與工程學報，2009，28（增2）：3686-3691.

[5]SL386-2007.水利水電工程邊坡設計規范[S]．北京：中國標準出版社，2007.

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1673-9000（2017）02-0072-03

2016-12-05

萬克誠（1987-），男，甘肅會寧人，助理工程師，主要從事水電站設計、水工結構設計工作。