周寧抽水蓄能電站下水庫右岸邊坡穩定性分析

黃文洪，周順田，康志亮，陳 熠，潘 兵

(1.華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 352100；2. 浙江中科依泰斯卡巖石工程研發有限公司，浙江 杭州 311122；3. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣七步鎮境內，裝機容量1 200 MW，為I等大(一)型工程。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房等建筑物組成，主體建筑物均為1級建筑物。下水庫位于七步溪河谷上，為山區峽谷型水庫，水庫兩岸群山環抱，山體雄厚，無低鄰谷和低于正常蓄水位的埡口，庫區總體為長條形峽谷。下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程306 m，最大壩高108 m，壩頂長度216.50 m，壩頂寬度9 m。

受本工程庫容要求和水位變幅、水庫回水對龍溪二級電站攔河壩的影響、泄洪消能對龍溪二級電站廠房的影響等因素，下水庫壩址選擇是唯一的。壩址區地質條件復雜，發育多條二級斷層和巖脈等不利地質構造，局部天然邊坡強卸荷巖體分布深度較深，特別是右岸壩頭邊坡設計開挖深度較淺，開挖后坡面仍以強卸荷巖體為主，預計在開挖過程中會遇到一系列邊坡穩定問題。因此，有必要采用三維離散元數值分析方法，深入開展節理巖質高邊坡開挖變形響應特征及穩定性分析評價工作[1-8]，為施工期邊坡開挖支護方案的制定提供依據，同時也可為其他類似巖質高邊坡工程提供借鑒作用。

1 工程地質條件

下水庫壩址位于七步溪主河道上，七步溪河道在壩址段蜿蜒曲折，流向為N12°E～N67°E，壩址兩岸地形基本對稱，山體雄厚，左岸山頂高程在450 m以上，右岸山頂高程在550 m以上，河谷呈較狹窄的“V”字形，自然邊坡穩定(見圖1)。

圖1 下水庫壩址區兩岸邊坡原始地貌圖

壩址基巖巖性以燕山晚期第三次侵入的鉀長花崗巖為主，輝綠巖脈和石英二長斑巖脈較發育，巖體以完整性差～較完整為主。壩址區地質構造復雜，淺層卸荷作用較強烈，卸荷裂隙多為陡傾角，主要沿原生構造面產生，一般充填巖塊、次生泥。根據壩址區兩岸平洞揭露，左岸強卸荷水平深度2.0～9.6 m，弱卸荷水平深度6～19 m；右岸強卸荷水平深度5.0～9.5 m，弱卸荷水平深度6.5～24.0 m，局部受巖脈侵入影響，最大卸荷深度達48 m。大壩軸線工程地質剖面如圖2所示。

圖2 下水庫大壩軸線工程地質剖面圖

2 三維數值模型建立

2.1 計算范圍選取與模型建立

計算模型的計算范圍一般應包括全部整個工程影響區域，且應適當放大，以盡量避免邊界效應對計算結果的影響，數值計算模型范圍為：450 m×250 m×300 m(x×y×z)，模型底部高程為100 m。模型的坐標系x軸為順河向，坐標系y軸為橫河向向，z軸為鉛直向，三維數值分析模型如圖3所示。根據設計院提供的由上至下分期開挖方案，確定了圖3中所示的分序開挖計算方案，對應于數值模擬開挖分析中的各典型開挖步。

圖3 計算模型圖

2.2 巖體參數選取

巖體本構模型采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，根據工程勘探揭露的巖性和巖體風化特征，對巖體質量進行分類，基于現場和室內巖石力學試驗結果，最終確定了各類巖體的力學參數，見表1。

表1 巖體力學參數取值表

2.3 結構面模擬及參數取值

本次分析采用ITASCA開發的3DEC離散元數值分析軟件，該軟件內置節理單元，可以方便地建立節理巖體數值計算模型，并可以描述結構面的張開、壓縮、剪切滑移等基本現象，從而直觀地反映結構面的變形特征和破壞形態。在本次研究中，主要將壩址區發育的斷層等影響較大結構面建入模型中，針對結構面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準則基于庫侖剪切強度準則。模型中主要模擬的結構面及其參數取值見表2、表3。

表2 壩址區發育主要結構面表

表3 結構面力學參數表

2.4 河谷地應力場分析

地應力場是巖土工程最為重要的荷載之一，其準確性將直接影響到計算成果的可靠性。參考國內外各種文獻的地應力統計值[3]，河谷形成前的初始地應力狀態可以描述為：

(1)

式中：σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σV為垂直向應力，MPa；h為埋深，m；γ為巖石密度，MN/m3；k1、k2、T1、T2為常數，描述了河谷形成前小區域地應力場的狀態。

假設該工程區域初始地應力場符合公式(1)的描述，根據廠房區域地應力實測成果，回歸得到工程區域的地應力分布特征(見圖4)，測點孔口垂直向埋深239 m，最大水平主應力方向為N16～22°W。

圖4 初始地應力場隨深度分布特征圖

將該應力分布特征作為數值分析的初始地應力輸入條件，計算得到壩址區的河谷地應力場分布特征，如圖5所示。壩址區左右岸邊坡應力量值基本相當，以NNW～NNE向水平構造應力為主，兩岸坡表淺層一定深度范圍內卸荷特征明顯，岸坡應力從上至下初始地應力水平呈增高趨勢，邊坡開挖區域，最大主應力約為2～5 MPa，最小主應力一般在1 MPa以內，河床部位表現出一定河谷應力集中特征，量值一般在6～8 MPa，開挖區整體應力水平不高。

圖5 天然邊坡壩軸線剖面初始地應力場分布特征圖

3 邊坡開挖變形特征及穩定性分析研究

3.1 邊坡開挖變形特征分析

邊坡開挖主要是剝離自然邊坡淺部質量相對較差的卸荷風化巖體，一般淺部巖體開挖所導致的應力釋放很小，不可能導致相對新鮮巖體的應力型屈服，但開挖在剝離淺部質量相對較差巖體的同時，也可能改變一些結構面、特別是結構面組合塊體的臨空狀態，從而影響它們的穩定性，現實中開挖導致的這種影響往往成為工程中最需要關心的問題。

圖6給出了下水庫右岸邊坡開挖過程中累計變形分布情況，在邊坡上部278 m高程以上開挖過程中，由于開挖深度較淺，應力釋放導致的變形量相對較小，計算結果揭示坡體變形多在毫米級；隨著邊坡持續下挖，坡體變形呈逐漸增長趨勢，特別是坡腳區域開挖過程中，受坡體賦存應力條件影響，整體開挖變形量值比前一階段相對偏大，坡腳區域壩基邊坡變形一般可達到10 mm量級水平；整個邊坡開挖過程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，變形較大區域主要位于開口線附近，但未表現出明顯結構面控制的非連續變形或滑移變形特征，顯示了邊坡較好的整體穩定特征。

圖6 右岸邊坡開挖過程中巖體變形響應特征圖

3.2 邊坡整體穩定性分析

本次研究主要采用“強度折減法”來分析邊坡的整體穩定性，通過對巖體和結構面強度參數進行折減、即人為惡化邊坡條件的方式，使邊坡變形增長、乃至出現失穩征兆，并根據臨界狀態的變形場分布或變形速率分布情況判斷出邊坡潛在失穩模式，以達到認識和評價邊坡穩定特征的目的。

圖7、圖8是開挖邊坡不同強度折減系數下的位移云圖(強度折減系數范圍為1.0～1.6)，其中顯示了該邊坡在巖體條件不斷惡化時的變形發展過程。在強度折減系數為1.6的情況下，計算結果沒有指示任何潛在滑動破壞的位移場特征，整體變形能趨于收斂，且變形量值偏低，可以認為該邊坡仍處于穩定狀態。可見，右岸邊坡開挖，并不會對邊坡整體穩定產生明顯影響，邊坡安全性較高(Fos>1.6)，工程區域發育主要結構面均為陡傾角，基本不會在開挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩定問題。

數值計算中并沒有考慮節理等淺層延伸較短結構面的影響，現實中節理可能會導致淺表小塊體的破壞，特別是開口線區域，一般為強卸荷巖體，節理裂隙相對發育，局部淺層巖體存在塊體失穩風險，在邊坡開挖前應及時施作鎖口支護，開挖過程中根據實際揭露地質情況可適當控制爆破、加強噴層、乃至掛網支護，以維持邊坡良好的開挖形態。

圖7 右岸工程邊坡不同強度折減系數下坡體位移分布圖

圖8 右岸工程邊坡不同強度折減系數下坡體位移分布圖(典型剖面)

4 結 語

采用三維離散元數值分析方法，對周寧抽水蓄能電站下水庫右岸邊坡施工期開挖變形特征及穩定性進行了詳細分析，主要結論如下。

1)周寧抽水蓄能電站下水庫右岸邊坡開挖過程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，邊坡變形隨高程由上至下呈現逐步遞增的規律，中下部開挖的卸荷作用相對明顯，邊坡典型部位的開挖變形量值總體在10 mm以內，其中壩基面的變形特征總體良好，未見明顯的松弛卸荷變形問題。

2)邊坡整體穩定性較好，工程區域發育主要結構面均為陡傾角，基本不會在開挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩定問題，強度折減分析結果表明，邊坡開挖完成后，整體安全系數仍可維持在1.6以上，滿足設計要求。

3)邊坡開口線區域，一般為強卸荷巖體，節理裂隙相對發育，局部淺層巖體存在塊體失穩風險，是工程中需要重點關注的問題，開挖過程中可根據實際揭露地質情況適當控制爆破、加強噴層、乃至掛網支護。