長龍山水電站蓄水對天荒坪水電站下庫邊坡穩定的影響★

田 偉 沈 浩 楊 波 陳 剛 史照德 肖治民 程 毅 孫 磊

(1.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 杭州 313300；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014； 3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

1 概述

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內，電站樞紐由上水庫、下水庫、地下廠房、輸水系統及開關站等組成。電站總裝機容量1 800 MW，屬一等大(1)型工程。上水庫正常蓄水位905.20 m，總庫容919.2萬m3；下水庫正常蓄水位344.50 m，相應庫容859.56萬m3。該水電站已于2001年10月通過工程竣工安全鑒定。在建的長龍山抽水蓄能電站上水庫，與已建成的天荒坪抽水蓄能電站上水庫隔河相對；且下水庫壩址距天荒坪下水庫大壩壩址約2.9 km。長龍山下水庫在正常蓄水位情況下，天荒坪水電站大部分地下廠房洞室群均位于長龍山蓄水庫正常水位以下。因此，研究長龍山水電站正常蓄水對天荒坪水電站邊坡的穩定性影響十分必要。

由于特殊的位置關系及受力條件，天荒坪水電站下水庫邊坡變形與穩定問題是影響水庫安全運行與否的重要因素。目前，眾多學者已對邊坡穩定性問題進行了廣泛深入的研究。劉沐宇等[1]基于模糊相似優先的概念，建立了以往的邊坡范例與當前邊坡穩定性評價推理關系，實現了邊坡穩定性評價。楊志法等[2]針對地質結構面與臨空面之間的幾何條件，提出了坐標投影作圖法，以分析邊坡的穩定性。鄭文曉等[3]采用赤平投影分析法和量化評估標準表分別對邊坡穩定性進行了評價，并比較了兩者優缺點。Matsui等[4]將Zienkiewicz提出的邊坡失穩計算方法定義為強度折減法，并分析了傳統常規邊坡穩定分析法與強度折減法安全系數之間的關系。Chen Tao等[5]通過分析松散巖體斜坡現場監測數據及裂縫發展與擴展成因，探討了邊坡穩定性，并在此基礎上提出了超長錨索加固邊坡的方法，使邊坡穩定性得到保障。李建林等[6]采用試算迭代方法，分離建模與迭代試算聯合使用，分析了邊坡與壩體之間的相互作用。姚顯春等[7]構建基于洞室群開挖對已有邊坡的穩定性影響分析方法，得到了邊坡整體安全系數的評價公式，并討論了其安全系數的變化規律。Ajay Kumar等[8]通過邊坡穩定雷達實現了邊坡實時測量，并設定了邊坡失穩的預警閥值。

本文針對天荒坪水電站下水庫邊坡穩定性問題，采用ABAQUS軟件，進行了長龍山水電站蓄水前后下水庫邊坡的數值計算，分析了下水庫邊坡的應力、塑性應變及塑性區分布變化規律，從而探討下水庫邊坡的穩定性。

2 數值模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對天荒坪水電站的下水庫進行建模，分析在長龍山水電站正常蓄水之后，對既已存在的天荒坪水電站下水庫邊坡穩定的影響，并根據實際情況簡化模型。根據天荒坪水電站設計圖紙的實際尺寸(如圖1所示)，對下水庫建立比例為1∶1的有限元幾何模型，運用平面應變的簡化算法建立下水庫壩體結構剖面的二維模型，如圖2所示。

3 數值模型設置

1)模型材料參數。

由于邊坡壩體主要采用碾壓堆石材料，因此采用ABAQUS材料庫中適合巖石土體材料的Drucker-Prager本構模型對壩體進行模擬，并選擇CPE4R平面單元類型進行平面應變問題分析。模擬計算中，材料密度、彈性模量及泊松比等相關模型參數如表1所示。

對于地基材料模型參數而言，由于地基材料僅提供支撐及約束邊坡自由度的作用，其對邊坡結構穩定性沒有過多的影響，因此采用彈塑性模型來進行模擬分析，模擬設置的地基材料相關參數見表2。

表2 地基材料彈塑性模型參數

2)模型網格劃分。

對該有限元模型進行網格劃分，以四邊形單元為主，防止出現網格畸變，并有利于計算不收斂等問題，減少分析過程中的異常報錯幾率，圖3為網格劃分后的數值模型。

3)模型荷載施加及其邊界條件。

下庫壩體的受力分為自重和水庫蓄水的靜水壓力，邊界條件為有邊坡結構固定在地面的固定約束。下庫壩體自重采用體力的形式施加在整個壩體上，在ABAQUS中相當于施加BODY FORCE，重力加速度為9.8 m/s2；水庫的靜水壓力隨著水位高度成線性變化，分析中對下庫邊坡進行滿負荷工作條件下的模擬，即此時水位位于設計最高水位處，施加的水庫數值模型荷載及邊界條件如圖4所示。

4)模型接觸與連接。

下水庫壩體是在原始巖層的上方采用堆石的方式筑壩，因而需要根據實際情況定義壩體和下部巖層之間的接觸關系。現采用通用接觸的方式，定義邊界面與面之間的接觸。

由于下水庫壩體和基底之間有粘聚力，因此通過連接的方式，施加TIE約束，便可以模擬兩種材料之間的聚合關系。

4 數值模型計算及結果分析

4.1 模型分析步設計

考慮到模型結構穩定等有限元問題，采用隱式分析的方式，即在ABAQUS中添加Static，General類型的分析步，并在初始分析步中施加基底約束。

同時為了避免施加荷載，導致變形過大，使得單元積分點不收斂，采用分兩步施加載荷：第一步分析步中先施加下庫壩體的自重載荷，平衡應力后，再施加第二步分析步，即施加均布荷載模擬靜水壓力。

為了避免同時施加荷載，導致變形過大，使得單元積分點不收斂，因此添加兩步施加荷載：先在第一步分析步中施加下庫壩體的自重載荷，平衡地應力，再添加第二步分析步，施加均布荷載模擬靜水壓力。

4.2 結果分析

1)數值模型應力云圖分析。

第一步施加下庫壩體自重后，下水庫邊坡結構的等效應力自上而下逐步變大，等效應力云圖如圖5所示。可以看出壩體上部應力最小，由于土地應力逐漸累加，壩體下部自重應力逐漸變大，在三角形壩體頂點下部應力最大，且自重應力分布較為集中。

進入第二個分析步之后，即對下庫壩體側面邊坡施加靜水壓力，下水庫邊坡結構整體的應力狀態發生變化，其基底邊角等應力集中區域會進入塑性區，堆石材料達到屈服強度，進入塑性變形階段，承載能力下降，等效應力云圖如圖6所示。水庫正常蓄水后，各觀測點的應力有變化，但是幅值不大。根據距離蓄水位置的遠近不同，變化幅值也有對應的不同。距離蓄水位置較近的點，等效應力幅值有小幅變化，但是對于距離400 m左右，位置較遠的點，等效應力幾乎沒有任何變化，這說明長龍山水電站下庫壩邊坡正常蓄水，對周邊環境的影響范圍，在以下庫壩為中心的300 m～400 m范圍內。若塑性變形過大，則會影響邊坡穩定，甚至引發滑坡等嚴重后果。

由圖6可知，施加靜水壓力后，下水庫邊坡的應力結構發生變化，尤其在深水位處的坡腳位置，發生了一定程度的應力集中，而且由于坡底位置水壓力最大，坡底的等效應力接近2 MPa，故判定整個結構薄弱位置在邊坡下沿至坡腳處。

2)模型塑性分析。

對下水庫模擬施加壩體自重和靜水壓力計算完畢后，輸出模型累計的塑形應變云圖與下水庫邊坡背側應變—時間曲線，分別如圖7，圖8所示。

由圖7和圖8分析可知，下水庫邊坡整體結構沒有出現塑性破壞形式，僅在模型邊角集中區域產生了小范圍的塑性帶，這是由于下水庫邊坡背面的尖銳邊角而引起的塑性應變。同時，下水庫背側等效塑性應變隨著計算時間的增加而逐漸趨于平緩穩定，且塑性應變值較小，僅為0.002 5，從而說明水庫背側變形對整體結構影響較小。

3)模型應力分析。

為了對比分析蓄水前和蓄水后對下水庫坡腳處的影響，分別對蓄水前和蓄水后數值模型進行計算，并監測下水庫坡腳處的應力，繪制出如圖9所示的Von-Mises應力—時間曲線。

由圖9分析可知，在數值計算1 s～2 s范圍內，蓄水前和蓄水后水庫坡腳處的等效應力較小，且應力分布相互重合；在計算2 s～4 s范圍內，蓄水前后的等效應力較數值計算前期等效應力明顯增加，但兩者應力大小及分布規律一致。由此，判定水龍山水電站蓄水對天荒坪水電站的下水庫邊坡穩定性無明顯影響。

5 結語

由于天荒坪水電站大部分廠房洞室群位于長龍山水電站正常蓄水位以下，且兩者相距最近處約2.9 km，因此研究長龍山水電站正常蓄水時對天荒坪水電站的影響，具有重要的意義。本文運用ABAQUS軟件建立了水庫1∶1數值模型，分析了模型Von-Mises應力、塑性應變及塑性區分布特征，研究表明長龍山水電站正常蓄水后，天荒坪水電站存在小范圍的塑性區，且下水庫坡腳處具有一定程度的應力集中，但集中度相對較小；同時，對比分析了蓄水前后下水庫坡腳應力分布可知，兩者應力大小及分布規律均相一致。由此判定認為長龍山水電站正常工作，對天荒坪水電站無實質影響，從而對下水庫坡腳應力集中區進行正常養護工作即可。

[1] 劉沐宇，朱瑞賡.基于模糊相似優先的邊坡穩定性評價范例推理方法[J].巖石力學與工程學報，2002,21(8)：1188-1193.

[2] 楊志法，高丙法，張路青，等.基于坐標投影圖解的結構面和塊體的計算機描述及其應用[J].巖土力學與工程學報，2006，25(12):2392-2398.

[3] 鄭文曉，吳 平.圖解法在地質災害評估中的應用[J].西部探礦工程，2008(3):128-130.

[4] Matsui T.,San K.C..Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique[J].Soils and Foundations,1992,32(1):59-70.

[5] Chen Tao,Deng Jianhui,Sitar Nicholas,etc..Stability investigation and stabilization of a heavily fractured and loosened rock slope during construction of a strategic hydropower station in China[J].Engineering Geology,2017(221):70-81.

[6] 李建林，劉 杰.隔河巖水電站廠房后邊坡與拱壩的相互作用研究[J].巖石力學與工程學報，2007,26(3)：459-466.

[7] 姚顯春，李 寧，張承客.錦屏水電站左岸拱間槽坡內洞室開挖對邊坡穩定的影響分析[J].西安理工大學學報，2012，28(3)：278-283.

[8] Ajay Kumar,Ritika Rathee.Monitoring and evaluating of slope stability for setting out of critical limit at slope stability radar[J].International Journal of Geo-Engineering,2017,8(18):1-16.