構皮灘水電站樞紐邊坡穩定性分析

張曉飛

（遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

構皮灘水電站位于我國西南地區，是烏江干流梯級開發的控制性工程，其正常的運營對周邊城市具有重要戰略意義。由于壩址處為堅硬灰巖形成的“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，有必要對構皮灘水電站樞紐邊坡穩定性進行分析。

1 邊坡穩定性分析

根據構皮灘大壩邊坡的實際情況，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行復核計算，選擇左、右岸壩肩上游側邊坡進行穩定計算分析。

1.1 計算方法

由地質勘查資料可知，各計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，針對計算邊坡的特性及破壞型式，采用強度折減法來計算邊坡穩定安全系數，利用巖土工程中常用的有限差分軟件FLAC3D[1-6]進行計算。

1.2 計算工況

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

1.3 穩定計算

1.3.1 左岸壩肩上游側邊坡

（1）計算模型

計算剖面為圖1（a）的1-1剖面，基于勘察的地質剖面圖1（b），建立了準三維數值分析模型，如圖1（c）所示；剖面所在面為XZ平面，Z軸正向為高程方向，模型底部高程為600 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）。邊坡穩定性計算的FLAC3D模型中，節點數為1710，單元數為761。

圖1 左岸壩肩上游側邊坡計算模型

（2）計算參數

計算選用的巖體力學物理參數見表1。

（3）靜力穩定分析（工況1）

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

圖2 邊坡塑性區與主應力矢量圖

表1 構皮灘水電站壩址區地質

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

圖3 邊坡安全系數判斷圖與失穩時剪應變率圖

圖4 邊坡塑性區與主應力矢量圖

（4）考慮地震作用穩定分析（工況2）

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

1.3.2 右岸壩肩上游側邊坡

（1）計算模型

計算剖面為圖5（a）的1-1剖面，基于地質剖面圖5（b），建立了準三維數值分析模型（圖5（c））；剖面所在面為XZ 平面，Z軸正向為高程方向，模型底部高程為460 m；X軸方向指向河谷為負，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，節點數為 1716，單元數為3726。

圖5 水庫右岸邊坡數值分析模型

（2）計算參數

本文計算選用的巖體力學物理參數見表1。

（3）靜力穩定分析（工況1）

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

圖6 邊坡塑性區與主應力矢量圖

進行強度折減后，根據剪切屈服破壞區特征點的位移隨強度折減系數的變化曲線，可知當K=2.3時，位移曲線發生了明顯的突變，剪應變率帶也明顯貫通（見圖7），綜合以上判斷，靜力工況邊坡安全系數可取為2.3。

圖7 邊坡塑性區與主應力矢量圖

（4）考慮地震作用穩定分析（工況2）

圖8 邊坡開挖后塑性區與主應力矢量圖

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

進行強度折減后，根據剪切屈服破壞區特征點的位移隨強度折減系數的變化曲線，可知當K=2.2時，位移曲線發生了明顯的突變，剪應變率帶也明顯貫通（見圖9），綜合以上判斷，地震工況下邊坡安全系數可取為2.2。

圖9 邊坡安全系數判斷圖與失穩時剪應變率圖

大壩壩肩邊坡各計算邊坡穩定分析結果見表3所示。

表3 各工況計算成果

由表3計算成果可看出，各計算邊坡穩定安全系數均大于規范要求的安全標準,表明壩肩各計算邊坡的穩定性較好，滿足規范要求。

2 結論

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

（2）在各工況的計算條件下，構皮灘水電站大壩兩岸邊坡均符合規范要求，滿足整體穩定性要求。

（3）根據計算結果，在大壩兩岸邊坡均設置系統支護措施：坡頂及各級馬道頂部設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Φ25 L=6 m間排距2.5 m×2.0 m系統錨桿；坡面掛φ6@20 cm×20 cm鋼筋網，噴10 cm厚C20混凝土；壩頂以上各邊坡設φ56@4 m×3 m深3 m排水孔，其余部位排水孔深1.5 m。實踐表明，工程開工以來，大壩各開挖邊坡按設計完成支護工作后巡視及監測資料均未見異常，處于穩定狀態。

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