大石峽水利樞紐工程聯合進水口邊坡穩定分析

湯國忠,呂慶超,張 瑩，胡習文

(1.新疆葛洲壩大石峽水利樞紐開發有限公司，新疆 阿克蘇 843000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

大石峽水利樞紐工程位于新疆自治區阿克蘇地區溫宿縣與烏什縣境內的阿克蘇河一級支流—庫瑪拉克河上，為Ⅰ等大(1)型工程。聯合進水口邊坡為中孔泄洪排沙洞進口、深孔放空洞進口閘門井及引水洞進口的開挖邊坡，邊坡開挖高度最高200 m(如圖1所示)。天然邊坡走向為NE70°，岸坡地形相對較完整，無沖溝發育。1 676.00 m高程以下坡角約50°，1 676.00～1 700.00 m高程相對較緩，坡角30°～40°，1 700.00 m高程以上坡角45°～50°，局部有高約10 m的陡坎地形[1]。

聯合進水口部位邊坡基巖裸露，基巖為微晶灰巖夾灰質礫巖。F45斷層下盤巖層產狀較穩定，走向NE55°～60°，傾向NW，傾角55°～60°；上盤巖層產狀多變，局部揉皺明顯，走向NE20°～60°，傾向NW，傾角45°～80°。層面較發育，與洞軸線大角度相交，岸坡總體為順層坡。此外，巖體中隨機裂隙也較發育，其中中孔泄洪洞、放空兼排沙洞進口部位主要有3組：① NE36°/NW∠63°；② NW320°/SW∠70°；③ NE26°/SE∠50°；引水洞進口部位主要有4組：① NE29°/NW∠59°；② NW317°/SW∠77°；③ NW334°/NE∠27°；④ NE18°/NW∠50°。隨機裂隙與層間小斷層隨機組合，易形成小面積塌滑現象。

本文結合大石峽水利樞紐工程地質條件，對順層巖質邊坡應重點關注開挖過程中沿結構面的抗滑穩定以及整體變形穩定[2-3]。本文采用二維、三維有限元法進行施工及運行期的變形穩定分析[4-6]，采用剛體極限平衡法進行抗滑穩定分析[7-8]，并與二維有限元法計算成果進行對比，驗證支護方案的可靠性，提出需重點關注區域，為工程施工及運行期安全提供支撐。

圖1 聯合進水口邊坡開挖現狀 單位：m

1 計算條件

1.1 計算模型及參數

據近壩庫岸地形地貌特征，結合勘探資料，選取代表剖面1-1和2-2為計算剖面(圖2～3)，分別計算岸坡二維抗滑穩定及變形穩定。圖4為二維有限元模型。需要說明的是地質剖面中斷層延伸長度僅起示意作用，實際長度難以確定，但根據圣維南原理，只要距離坡面足夠遠，可以認為對計算結果沒有影響。本次計算模型中斷層F45、F39延伸長度均超過100 m，且對邊坡穩定不起控制作用，不會影響計算結果。由于聯合進水口邊坡三維特征明顯，且受1號變形體開挖和趾板邊坡開挖的影響，為此建立三維有限元模型進行整體穩定分析(如圖5所示)，其中開挖后邊坡節點數為202 606個，單元數為1 078 891個。模型邊界條件選取為沿河向(x向)約束，垂直河向(y向)約束，底部垂直向(z向)約束。表1為計算采用的主要巖體物理力學參數。

圖2 計算剖面平面位置

圖3 計算剖面地質結構 單位：m

圖4 二維有限元模型

圖5 三維有限元模型

表1 聯合進水口邊坡穩定性計算參數取值

1.2 計算方法及計算假定

計算分析方法主要采用有限元計算法，使用MIDAS GTS NX軟件進行計算。Midas GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件[9]，可以進行二維與三維巖土分析，有15種本構模型和用戶自定義的本構模型，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析、邊坡穩定分析等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準確建模與分析，并提供了多種專業化建模助手和數據庫。對邊坡的計算采用強度折減法，輔助手段采用極限平衡計算方法，以作驗證和整體對比分析。

1.3 計算工況及設計標準

大石峽水利樞紐工程規模為Ⅰ等大(1)型，樞紐擋水、泄水及引水發電等主要建筑物設計級別均為1級，根據SL 386-2007《水利水電工程邊坡設計規范》，聯合進水口邊坡為1級邊坡，相應不同工況下的設計安全系數如表2所示。主要作用包括巖體自重、地下水作用及地震作用，其中正常運用條件、非常運用條件Ⅱ采用正常蓄水位(1 700.00 m)對應的地下水位；非常運用條件Ⅰ中暴雨工況采用可能最大暴雨或久雨發生的暫態高地下水位，考慮到所處部位邊坡淺表層存在較強的巖體風化和卸荷，巖體破碎，抗變形差、滲透強，在暴雨或久雨條件下坡面入滲水量較多，不足以抬高坡體內的地下水位，也難以在潛在滑面處形成暫態孔隙水壓力，僅考慮降雨對坡體表層物理力學參數的影響；非常運用條件Ⅱ中的地震作用按照50 a超越概率10%標準設防，相應基巖水平峰值加速度為0.365g。

表2 聯合進水口邊坡穩定設計安全系數

圖6 初步設計階段聯合進水口邊坡支護方案 單位：m

2 二維穩定分析

分別采用有限元強度折減法和剛體極限平衡法對聯合進水口邊坡代表剖面的穩定性進行分析。有限元強度折減法是通過同步折減強度參數f和c使邊坡趨于極限狀態，邊坡失穩時對應的折減系數等效為安全系數[10-12]，Griffith證明通過有限元計算的安全系數與剛體極限平衡法計算的安全系數基本一致，并且由于可以考慮邊坡的變形，其計算結果更加合理。鄭穎人院士對有限元強度折減法進行了系統性研究，這里不再贅述。本次計算分別采用2種方法計算邊坡安全系數并進行對照，表3為計算結果匯總。可見，按照初步設計階段支護方案(如圖6所示)，聯合進水口邊坡開挖后各工況的穩定安全系數均滿足規范要求，且裕度較大，滿足規范要求。

圖7為控制工況(正常蓄水位+地震)下變形分析成果，可見邊坡整體變形較小，最大不超過6 cm，主要集中在1 618.50 m平臺斷層F45附近，該處局部產生較小的拉應力，后續結合進水塔基礎處理，不會對邊坡造成不利影響。從計算結果看，采取的治理方案可行有效。

圖7 聯合進水口邊坡地震工況下變形及矢量

表3 聯合進水口邊坡計算安全系數匯總

3 三維穩定分析

采用三維剛體極限平衡法對聯合進水口邊坡可能形成的不穩定塊體進行局部抗滑穩定分析，然后采用三維非線性有限元對邊坡的整體變形穩定進行分析。圖8為主要結構面赤平投影圖，其中由L3和f2所形成的塊體(1 670.00 m高程近剖面2-2處)安全系數最低，但仍滿足規范要求，各工況下的安全系數均在2.63以上。因此，聯合進水口邊坡不會發生較大規模的塊體失穩，但受緩傾坡外層面影響，仍可能形成一些切割較淺的塊體，需根據現場開挖揭露情況進行隨機支護。

圖8 塊體抗滑穩定分析

圖9和圖10分別為按照強度折減法計算，邊坡趨于極限狀態時的位移云圖和剪應變云圖，反映了邊坡的整體變形趨勢。按初步設計方案支護后，對于整個1號變形體及聯合進水口邊坡，其在各種工況下安全系數均滿足規范要求，邊坡整體穩定。相較于聯合進水口邊坡，變形較大區域集中在1號變形體部位，為避免蓄水后1號變形體重新啟動牽連聯合進水口邊坡，需加強1號變形體的支護。

圖9 聯合進水口邊坡位移 單位：m

圖10 聯合進水口邊坡剪應變

與二維計算結果相比，三維計算模型考慮了1號變形體和趾板邊坡，因此更加符合實際情況。由于聯合進水邊坡在三維模型中不起控制作用，難以單獨評價其穩定性，因此，上述二維計算結果是對三維計算結果的有效補充。鑒于二維計算時忽略兩側巖體的束縛作用，計算的安全系數會偏低，考慮地質條件的不確定性，按照規范要求，采用二維計算結果進行聯合進水口邊坡的支護設計。

4 結 論

針對大石峽聯合進水口順層結構邊坡整體穩定性較差、施工風險較高等問題，分別采用二維、三維有限元法及剛體極限平衡法進行對比計算分析，主要結論如下：

(1) 根據聯合進水口邊坡二維計算結果可知，聯合進水口邊坡開挖后各工況的穩定安全系數均滿足規范要求，且裕度較大；受F45斷層影響，1 618.50 m馬道局部變形較大，并產生較小的拉應力，后續結合進水塔基礎處理，不會對邊坡造成不利影響。

(2) 受成組裂隙切割，聯合進水口邊坡可能形成若干楔形體，但其抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，且安全儲備較大，不會發生較大規模的塊體失穩，主要為層面切割形成的淺層塊體，需根據開挖揭露情況進行隨機支護處理。

(3) 根據1號變形體和聯合進水口邊坡三維穩定分析得知，按初步設計方案支護后，1號變形體和聯合進水口邊坡在各種工況下安全系數均大于規范要求的安全系數標準，邊坡整體處于穩定狀態，但是1號變形體部位的安全系數相對較小，主要變形部位發生在1號變形體未開挖部分的底部，應重點關注。