構(gòu)皮灘水電站樞紐邊坡穩(wěn)定性分析

張曉飛

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

構(gòu)皮灘水電站位于我國西南地區(qū)，是烏江干流梯級開發(fā)的控制性工程，其正常的運(yùn)營對周邊城市具有重要戰(zhàn)略意義。由于壩址處為堅(jiān)硬灰?guī)r形成的“V”型對稱峽谷，兩岸山體雄厚，河谷狹窄，岸坡陡峻。壩址以下為較軟弱砂、頁巖展布的河段，河谷開闊，地形相對較寬緩。因此，有必要對構(gòu)皮灘水電站樞紐邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)構(gòu)皮灘大壩邊坡的實(shí)際情況，由于壩頂以下為臨時坡，壩頂以上邊坡較高，故選取壩頂以上邊坡位置進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，選擇左、右岸壩肩上游側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

1.1 計(jì)算方法

由地質(zhì)勘查資料可知，各計(jì)算邊坡巖性均以硬巖為主，基本為橫向坡和斜交順向坡，沒有整體滑動的邊界條件，針對計(jì)算邊坡的特性及破壞型式，采用強(qiáng)度折減法來計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，利用巖土工程中常用的有限差分軟件FLAC3D[1-6]進(jìn)行計(jì)算。

1.2 計(jì)算工況

采用持久設(shè)計(jì)工況下的自重和偶然設(shè)計(jì)工況下自重及地震兩種工況進(jìn)行計(jì)算。采用擬靜力法計(jì)算地震作用，對兩岸的邊坡同時考慮水平向和豎向地震力作用，計(jì)算中水平地震力向坡外，豎向地震力鉛直向下。

1.3 穩(wěn)定計(jì)算

1.3.1 左岸壩肩上游側(cè)邊坡

（1）計(jì)算模型

計(jì)算剖面為圖1（a）的1-1剖面，基于勘察的地質(zhì)剖面圖1（b），建立了準(zhǔn)三維數(shù)值分析模型，如圖1（c）所示；剖面所在面為XZ平面，Z軸正向?yàn)楦叱谭较颍Ｐ偷撞扛叱虨?00 m；X軸方向指向河谷為正，Y軸垂直XZ平面，遵從右手法則；邊坡模型三維尺寸為：160 m×1 m×168 m（X×Y×Z）。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的FLAC3D模型中，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1710，單元數(shù)為761。

圖1 左岸壩肩上游側(cè)邊坡計(jì)算模型

（2）計(jì)算參數(shù)

計(jì)算選用的巖體力學(xué)物理參數(shù)見表1。

（3）靜力穩(wěn)定分析（工況1）

圖2為邊坡開挖后的塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量圖。可以看出坡體內(nèi)的應(yīng)力分布總體符合自重作用下邊坡應(yīng)力場分布的一般規(guī)律，即從邊坡內(nèi)部到開挖坡表，應(yīng)力矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向平行于坡面，最小主應(yīng)力趨近于0。邊坡總體上處于受壓狀態(tài)，邊坡淺表層局部存在拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.08 MPa。

圖2 邊坡塑性區(qū)與主應(yīng)力矢量圖

表1 構(gòu)皮灘水電站壩址區(qū)地質(zhì)

采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定分析，強(qiáng)度折減后，主要在P1m1-3巖層坡腳處及軟弱結(jié)構(gòu)面處出現(xiàn)了剪切屈服破壞，選擇該部位剪出口附近的特征點(diǎn)作出位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=3.8時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通（見圖3所示），綜合以上判斷，在靜力工況時邊坡安全系數(shù)為3.8。化，邊坡淺表部拉應(yīng)力范圍有所擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力為0.09 MPa。

圖3 邊坡安全系數(shù)判斷圖與失穩(wěn)時剪應(yīng)變率圖

圖4 邊坡塑性區(qū)與主應(yīng)力矢量圖

（4）考慮地震作用穩(wěn)定分析（工況2）

對于地震作用，水平向設(shè)計(jì)地震加速度值為αh=0.062 g，豎向地震取水平向地震的2/3，為αv=0.041 g。圖4為邊坡的塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量圖。應(yīng)力場分布與開挖邊坡比較無大的變

1.3.2 右岸壩肩上游側(cè)邊坡

（1）計(jì)算模型

計(jì)算剖面為圖5（a）的1-1剖面，基于地質(zhì)剖面圖5（b），建立了準(zhǔn)三維數(shù)值分析模型（圖5（c））；剖面所在面為XZ 平面，Z軸正向?yàn)楦叱谭较颍Ｐ偷撞扛叱虨?60 m；X軸方向指向河谷為負(fù)，Y軸垂直XZ平面，遵從右手法則；邊坡模型三維尺寸為：277 m×1 m×317 m（X×Y×Z）。邊坡模型中，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1716，單元數(shù)為3726。

圖5 水庫右岸邊坡數(shù)值分析模型

（2）計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算選用的巖體力學(xué)物理參數(shù)見表1。

（3）靜力穩(wěn)定分析（工況1）

圖6為邊坡的塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量圖。可以看出坡體內(nèi)的應(yīng)力分布總體符合自重作用下邊坡應(yīng)力場分布的一般規(guī)律，邊坡總體上處于受壓狀態(tài)，邊坡淺表層局部存在拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.78 MPa。

圖6 邊坡塑性區(qū)與主應(yīng)力矢量圖

進(jìn)行強(qiáng)度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點(diǎn)的位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=2.3時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通（見圖7），綜合以上判斷，靜力工況邊坡安全系數(shù)可取為2.3。

圖7 邊坡塑性區(qū)與主應(yīng)力矢量圖

（4）考慮地震作用穩(wěn)定分析（工況2）

圖8 邊坡開挖后塑性區(qū)與主應(yīng)力矢量圖

圖8 為邊坡的塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量圖。應(yīng)力場分布與靜力工況比無大的變化，邊坡淺表部拉應(yīng)力范圍有所擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力為0.79 MPa。

進(jìn)行強(qiáng)度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點(diǎn)的位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=2.2時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通（見圖9），綜合以上判斷，地震工況下邊坡安全系數(shù)可取為2.2。

圖9 邊坡安全系數(shù)判斷圖與失穩(wěn)時剪應(yīng)變率圖

大壩壩肩邊坡各計(jì)算邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果見表3所示。

表3 各工況計(jì)算成果

由表3計(jì)算成果可看出，各計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全標(biāo)準(zhǔn),表明壩肩各計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性較好，滿足規(guī)范要求。

2 結(jié)論

（1）本文采用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D來評價大壩兩岸邊坡穩(wěn)定性的方法是可行且合理的，在計(jì)算中取得了較好的結(jié)果并得到工程應(yīng)用。

（2）在各工況的計(jì)算條件下，構(gòu)皮灘水電站大壩兩岸邊坡均符合規(guī)范要求，滿足整體穩(wěn)定性要求。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在大壩兩岸邊坡均設(shè)置系統(tǒng)支護(hù)措施：坡頂及各級馬道頂部設(shè)2排Φ28 L=9 m間排距2.5 m×2.0 m（水平×坡面，下同）鎖口錨桿，其下設(shè)Φ25 L=6 m間排距2.5 m×2.0 m系統(tǒng)錨桿；坡面掛φ6@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，噴10 cm厚C20混凝土；壩頂以上各邊坡設(shè)φ56@4 m×3 m深3 m排水孔，其余部位排水孔深1.5 m。實(shí)踐表明，工程開工以來，大壩各開挖邊坡按設(shè)計(jì)完成支護(hù)工作后巡視及監(jiān)測資料均未見異常，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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