開挖擾動下石橋水電站右壩肩蝕變巖邊坡穩定性研究

任起峰

（遼寧省湯河水庫管理局有限責任公司，遼寧遼陽111000）

1 工程背景

石橋水電站是遼寧丹東鳳城市東湯鎮石橋村紅旗溝境內愛河下游干流上的重要水利樞紐工程，也是鳳城市進行農村水電電氣化縣建設的重要項目[1]。根據規劃設計，石橋水電站是一座以發電為主的綜合性小型徑流式水電站，設計庫容3 664 萬m3，裝機容量9 600 kW，為鳳城市投資額最大的水利水電項目[2]。電站大壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高為34.35 m，壩頂寬7.00 m，坡比為1∶0.7。大壩右岸分布有發育比較廣泛的小斷層、韌性剪切帶和6 條主要的蝕變帶。根據地質調查結果，蝕變帶主要表現為風化蝕變，結構松散、強度明顯降低，在右岸壩肩邊坡開挖過程中，必須對其穩定性進行評價，為開挖施工設計提供必要的支撐。

2 數值計算模型的構建

2.1 模型的構建

選擇ANSYS 建立有限元邊坡模型的構建[3]。為了使邊界效應對研究結果的影響降到最低，同時盡量減少模型的計算量，研究中選擇大壩軸線上游40.00 m 為西側邊界，將9 號沖溝以下50.00 m作為東側邊界，北側邊界為左岸岸坡，南側邊界為大壩右岸最高山脊部位[4]。模型構建過程中按照坡比1∶1.0 選擇計算范圍，邊坡的高度為80.00 m，長度為160.00 m。以順河方向為X軸正方向，以壩軸線指向右側的方向為Y軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。利用Mohr-Coulumb 模型對巖土體的彈塑性變形特征進行模擬[5]。對構建的模型采用六面體8 節點等參單元進行模型的網格剖分，對岸坡局部網格單元進行網格加密，最終生成534 567 個網格單元，101 876 個計算節點[6]。模型的網格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計算參數

在ANSYS 有限元軟件中，提供了涵蓋壓力、溫度、速度、位移等不同形式的模型邊界條件，可以充分滿足不同用戶的研究需要[7]。結合此次研究的目的及研究對象的特點，選擇位移和應力邊界條件。有限元模型的邊界位移約束施加于各個計算節點：在模型的底部節點施加全位移約束；在模型的左邊界以及右邊界纜機以下部位施加X向位移約束；其余部位為自由邊界條件[8]。研究斷面部位的山體坡度較大，地表被厚度不等的殘積礫石土覆蓋，上覆植被，邊坡內部存在數條寬度不等的斷層破碎帶，山體的巖性以安山玢巖為主。結合相關資料和試驗結果，采用表1 所示的計算材料物理力學參數。

3 計算結果分析

利用構建的數值計算模型，對天然狀態和邊坡開挖之后的最大主應力、剪應力、位移量、塑性區進行模擬計算，由計算結果可知：

1）應力場。大壩右岸壩肩邊坡的最大主應力主要表現為壓應力，僅在坡表面的部分區域表現為拉應力。其中，坡表的最大主應力值為0.15 MPa，邊坡巖體深部的最大主應力值為-14.1 MPa。從最大主應力的分布特征來看，呈現出條帶化增加的態勢，并在河谷底部的部位呈現出明顯的應力集中現象；邊坡開挖后，最大主應力的分布和變化特征與天然狀態接近，主要表現為隨著高程的降低而不斷增加，且條帶化特征顯著。由于邊坡開挖造成的卸荷作用影響，巖體應力在開挖平臺的底部部位進行釋放，表現為最大主應力值的減小，同時向巖體深部轉移，而河谷底部出現的應力集中現象并沒有隨著開挖的進行有較大的變化。

邊坡的剪應力主要表現為邊坡頂部的應力集中和巖體深部的應力集中，而邊坡深部的剪應力集中主要是受到該部位的蝕變體的影響，剪應力的值約為0.5 MPa。隨著邊坡開挖卸荷的作用，巖體內部應力逐步得到釋放，并表現為剪應力值逐漸減小，但是剪應力的分布特征較自然狀態下并無明顯的變化。

2）位移。利用構建的數值計算模型，對天然狀態和邊坡開挖之后的邊坡位移量進行模擬計算，由計算結果可知，在天然工況下，邊坡的位移量較大，特別是邊坡內部的蝕變體附近，位移量可達20 mm左右，其坡表的出露部位也達到10 cm 左右。隨著邊坡開挖的進行，由于開挖卸荷的作用，巖體發生一定的回彈變形。同時，在開挖平臺和坡面交接的部位，分布有圈狀位移區，最大位移量約1.73 mm。從位移量的絕對數值來看，并不會對邊坡穩定性造成顯著的影響。

3）塑性區。大壩右壩肩邊坡的塑性區主要表現為剪切破壞，主要分布在蝕變體周圍。此外，在強弱卸荷界面的部分部位有拉-剪破壞塑性區分布。從塑性區的分布特征上看，由于其分布并沒有貫穿前緣坡體，因此邊坡在天然狀態下處于相對穩定的狀態，僅有蝕變體與坡表的交接部位可能會出現小范圍的變形破壞現象。邊坡上部的巖體由于開挖卸荷的回彈作用影響，該部位的塑性區范圍有所減小，在開挖平臺底部出現了新的剪切破壞塑性區，且塑性區已經和該部位的蝕變體貫通，造成局部巖體的穩定性大幅降低，中上部的巖體極有可能沿著強弱卸荷界面在該部位剪出，進而造成邊坡的失穩破壞。建議在開挖完畢之后，對開挖段的巖體實施必要的支護措施后再進入下一步開挖施工。

表1 巖土體物理力學參數

4 結論

壩肩邊坡的穩定是壩體整體穩定的關鍵因素。遼寧省石橋水電站右岸壩肩邊坡存在工程性質較差的蝕變巖體，對壩肩邊坡的穩定性存在重要影響。此次研究，通過構建三維有限元模型，利用數值模擬的方法對該處蝕變巖體邊坡開挖條件下的穩定進行研究。結果顯示，開挖施工之后，邊坡整體穩定，但是在開挖平臺底部出現了新的剪切破壞塑性區，且和該部位的蝕變體貫通，容易造成邊坡的失穩破壞，建議強化對該部位的支護措施，保證施工的安全進行。