天花板水電站庫區(qū)堆積體三維有限差分法穩(wěn)定分析

谷宏海，白閏平

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)牛欄江上，電站總裝機容量180 MW，最大壩高107.0 m,主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、引水發(fā)電隧洞和地面式廠房等組成，工程等別為Ⅲ等中型工程。

堆積體位于庫區(qū)左岸，距離壩址最近距離約1.0 km。堆積體分布在1 020.00～1 662.00 m之間，前緣長度約1.3 km，面積約為78.96萬m2。2010年12月18日電站開始正式蓄水，2011年1月17日，左岸部分村民住房地基及房屋墻體出現(xiàn)開裂變形。岸坡拉裂變形區(qū)位于庫區(qū)左岸，距大壩約1.0～2.3 km。

2 堆積體地形地質(zhì)條件

堆積體地形由高至低表現(xiàn)為上緩、中陡、下緩的階梯狀，順河向地形高差變化大，區(qū)內(nèi)分布2條沖溝與同向山梁構(gòu)成了由山梁、臺地、斜坡、沖溝組成的復(fù)雜地形。

堆積體中的地下水位埋藏較深，在下伏基巖和上覆堆積物中均有分布。堆積物透水性較下覆基巖強，地下水位線分布在破碎巖體中和基覆界線附近，堆積體前緣部分地下水位受庫水位影響比較明顯，隨著庫水位上升或下降地下水位抬高或降低。根據(jù)堆積體區(qū)內(nèi)沖溝和山梁的發(fā)育過程、地表裂縫形態(tài)特征、地表變形特征、監(jiān)測數(shù)據(jù)對堆積體進行分區(qū)，分區(qū)如圖1所示。

圖1 堆積體分區(qū)圖

2.1 Ⅰ區(qū)地質(zhì)概況

Ⅰ區(qū)堆積體位于田壩村岸坡的下部，平均寬度×斜長為700 m×580 m，坡面面積約40萬m2，鉛直厚度最大約95 m，方量約2 100萬m3。

Ⅰ區(qū)堆積物分為3層，表層為碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。碎石混合土層成分以土為主，土含量在50%～60%，塊石與碎石含量在50%左右，透水性差、土體結(jié)構(gòu)松散。混合土碎石層成分以碎石為主，碎石含量在40%～70%，剩余含量為黃褐色黏土，透水性強，土體結(jié)構(gòu)較密實。碎塊石層成分以塊石為主，塊石含量在50%～60%，剩余部分為碎石和土，土含量小于10%，透水性強，土體結(jié)構(gòu)密實。基巖巖性多為泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)砂巖，弱風(fēng)化為主，局部存在全強風(fēng)化層，厚度最大約21 m。

2.2 Ⅱ區(qū)地質(zhì)概況

Ⅱ區(qū)地面高程在1 210.00～1 660.00 m。坡體坡面面積約20萬m2，平均厚度約62 m，方量約1 180萬m3，Ⅱ區(qū)堆積物分為3層，表層為碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。碎石混合土層成分以黃褐色黏土為主，土含量在40%～60%，碎石含量在30～40%左右，局部可見塊石，透水性差、土體結(jié)構(gòu)松散。混合土碎石層成分以碎石為主，碎石含量在40%～60%，塊石含量在20%～40%，剩余部分為黃褐色黏土，透水性強，土體結(jié)構(gòu)較密實。碎塊石層成分以塊石為主，塊石含量在50%～80%，碎石含量在20%～40%，土含量小于10%，透水性強，土體結(jié)構(gòu)密實。基巖巖性多為泥質(zhì)粉砂巖，弱風(fēng)化為主，局部存在全強風(fēng)化層，厚度較大，性狀破碎，巖體質(zhì)量軟弱。

2.3 (Ⅲ)區(qū)地質(zhì)概況

Ⅲ區(qū)堆積體平均寬度×斜長為610 m×470 m，坡面面積約28萬m2，平均厚度約30 m，方量約1 120萬m3。

Ⅲ區(qū)堆積物分為3層，表層為崩積碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。崩積碎石混合土層厚度3～9 m，成分以土為主，部分為碎礫石，透水性差，土體結(jié)構(gòu)松散。混合土碎石層厚度36～56 m，成分以碎石為主，碎石含量在40%～60%，部分為塊石、礫石、土，透水性強，土體結(jié)構(gòu)較密實。碎塊石層厚度48～51 m，成分以塊石為主，含少量碎石，透水性強，土體結(jié)構(gòu)密實。基巖巖性多為砂巖，弱風(fēng)化為主，巖體整體較為破碎。

3 三維有限差分法穩(wěn)定分析

采用三維有限元法對堆積體進行應(yīng)力應(yīng)變分析。分析堆積體在正常蓄水位1 071.00 m、降雨、庫水位下降工況下的變形與穩(wěn)定。采用強度折減法對堆積體在三維空間上的強度儲備安全度進行評價。

3.1 計算軟件簡介

計算采用巖土工程數(shù)值模擬大型三維程序FLAC3D，能夠進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(大變形模式)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動，該計算程序非常適用于本工程的三維數(shù)值模擬計算。

3.2 計算參數(shù)選取

通過現(xiàn)場蓄水過程中堆積體的變形監(jiān)測資料，在蓄水過程中，堆積體中出現(xiàn)了一部分的裂縫，并且在Ⅰ區(qū)出現(xiàn)較大的變形，為了在計算中得到的變形規(guī)律能較為符合實際情況，參考地質(zhì)資料描述和分析，對堆積體的變形與強度參數(shù)空間分布在可能變化范圍內(nèi)進行反演和調(diào)整分析，最后得到所采用的計算參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 計算模型

模型Y坐標(biāo)軸正方向方位角為19°，X坐標(biāo)軸正方向方位角為109°，豎直向上方向為Z正向，坐標(biāo)系符合右手定則，如圖2所示。模型X軸方向長度為1 749 m，Y軸方向長度為1 520 m，模型底部模擬到600 m高程。

圖2 三維計算模型圖

模型范圍滿足了數(shù)值分析要求的研究范圍。三維模型詳細(xì)模擬了堆積體的基覆面，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個變形區(qū)以及Ⅰ區(qū)的4個亞區(qū)(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4)和Ⅱ區(qū)的3個亞區(qū)(Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3)的空間分布性特征，以及變形區(qū)中的材料特性分界面和庫區(qū)河床的覆蓋層。

網(wǎng)格類型全部采用四面體單元。在3個變形區(qū)，網(wǎng)格進行了適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸采用15 m網(wǎng)格，下覆基巖采用網(wǎng)格尺寸為50 m網(wǎng)格。計算模型側(cè)向邊界為法向約束，底部為三向(X/Y/Z)固定約束。巖體應(yīng)力應(yīng)變模型為理想彈塑性模型，強度準(zhǔn)則為摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。

3.4 正常蓄水位1 071.00 m變形與穩(wěn)定分析

3.4.1變形分析

采用計算參數(shù)的變化以及坡體中庫水位下坡體表面的水壓力施加，來模擬水庫蓄水的作用。

計算結(jié)果表明，水庫蓄水后，Ⅰ區(qū)最大位移約140 cm，Ⅰ-1 區(qū)、Ⅰ-4區(qū)較Ⅰ-2區(qū)、Ⅰ-3區(qū)的位移大，在高程上表現(xiàn)為靠近河床部位的低高程位移較大，高高程位移較小，與監(jiān)測資料基本一致。

3.4.2Ⅰ-1區(qū)強度折減分析

取在極限狀態(tài)時坡表位移最大的一點作為特征點，通過分析，水庫蓄水至1 071.00 m，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.10時，各向位移出現(xiàn)明顯偏離；當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.25時，各向位移計算趨于發(fā)散。根據(jù)位移突變判斷準(zhǔn)則得出堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.10，計算結(jié)果見圖3。

圖3 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.4.3Ⅰ-4區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.10時，各向位移明顯偏離，達(dá)到1.50時，位移計算趨于發(fā)散。故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.10，計算結(jié)果見圖4。

圖4 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.4.4Ⅱ-3區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.10時，各向位移明顯偏離，達(dá)到1.40時，位移計算趨于發(fā)散。故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.10，累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖5。

圖5 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.5 降雨工況變形與穩(wěn)定分析

3.5.1變形分析

田壩村堆積體屬于強透水體，在已知條件下長降雨歷時中，降雨入滲深度都基本在基巖面以上，堆積體不會出現(xiàn)全部飽和。因此，降雨工況下，不考慮堆積體中空隙水壓力，堆積體容重按部分飽和考慮。

在降雨條件下，堆積體發(fā)生最大位移約為3 cm，主要出現(xiàn)在各區(qū)的中部高程。Ⅱ-1區(qū)，Ⅱ-2區(qū)位移約為1.5 cm，Ⅱ-3區(qū)，最大位移約為2.7 cm，Ⅲ區(qū)最大位移約為0.7 cm，影響較小。從中看出降雨條件下，對堆積體的Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3，Ⅱ-1、Ⅱ-3區(qū)影響較為顯著，對Ⅱ-2區(qū)影響次之，對Ⅰ-4區(qū)和Ⅲ區(qū)影響相對較小。

3.5.2Ⅰ區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.20時，各向位移明顯偏離；達(dá)到1.70時，位移計算趨于發(fā)散，故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.20，計算結(jié)果見圖6。

圖6 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.5.3(Ⅱ)區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.40時，各向位移明顯偏離；達(dá)到2.0時，位移計算趨于發(fā)散，故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.40，累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖7。

圖7 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.6 庫水位下降工況變形與穩(wěn)定分析

3.6.1變形分析

分析正常蓄水位1 071.00 m下降至排沙限制水位1 053.00 m的工況。堆積體屬強透水，地下水位線隨著庫水位的降低而快速降低，堆積體內(nèi)基本不存在超空隙水壓力，庫水位下降對堆積體的外部作用主要為堆積體內(nèi)孔壓減小產(chǎn)生的固結(jié)。計算結(jié)果表明，在庫水位下降作用下，Ⅰ區(qū)最大位移約130 cm，Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-4區(qū)的最大位移分別為130、90 cm，在高程上表現(xiàn)為，靠近河床部位的低高程位移較大，高高程位移較小，由低至高逐步遞減。

3.6.2Ⅰ-1區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.05時，各向位移明顯偏離；達(dá)到1.30時，位移計算趨于發(fā)散，故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.05，累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖8。

圖8 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.6.3Ⅰ-4區(qū)強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.0時，各向位移明顯偏離；達(dá)到1.20時，位移計算趨于發(fā)散，故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.0，累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖9。

圖9 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

3.6.4Ⅱ-3強度折減分析

通過計算分析，當(dāng)折減系數(shù)值達(dá)到1.05時，各向位移明顯偏離；達(dá)到1.35時，位移計算趨于發(fā)散，故堆積體強度折減法穩(wěn)定系數(shù)為1.05，累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖10。

圖10 累積位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

4 結(jié) 論

(1) 水庫蓄水和庫水位下降工況變形分析表明：對Ⅰ-1區(qū)和Ⅰ-4區(qū)的坡體變形影響較為顯著，Ⅰ-1區(qū)和Ⅰ-4區(qū)的位移較大，Ⅰ-2區(qū)和Ⅰ-3區(qū)的位移較小；從高程分布上看，低部高程，即靠近河床部位位移較大，高高程位移較小。說明在蓄水過程中，堆積體的潛在失穩(wěn)滑動機制為牽引式滑動類型。

(2) 降雨對堆積體的Ⅰ區(qū)影響較為顯著，對Ⅱ-2區(qū)影響次之，對Ⅰ-4區(qū)和Ⅲ區(qū)影響相對較小Ⅰ區(qū)位移分布隨高程降低，位移隨之減小，潛在可能失穩(wěn)部分主要分布在Ⅰ-2和Ⅰ-3區(qū)，在Ⅰ-1和Ⅰ-4區(qū)潛在失穩(wěn)可能性較低。

(3) 與水庫蓄水及庫水位因素引起堆積體變形程度相比，降雨引起的堆積體位移要遠(yuǎn)小于庫水位變化因素，說明降雨促發(fā)堆積體發(fā)生較大變形的可能性較小。

(4) 強度折減分析表明：蓄水工況Ⅰ-1 、Ⅰ-4和Ⅱ-3區(qū)的強度儲備安全系數(shù)為1.1，基本上都處于臨界狀態(tài)；降雨工況Ⅰ區(qū)總體的強度儲備安全系數(shù)約為1.20左右，滿足規(guī)范要求；Ⅱ區(qū)堆積體， Ⅱ-1區(qū)和Ⅱ-3區(qū)的強度儲備要小于Ⅱ-2區(qū)，Ⅱ區(qū)總體的強度儲備安全系數(shù)約為1.40左右，滿足規(guī)范要求；庫水位下降工況Ⅰ-1區(qū)和Ⅰ-4區(qū)的強度儲備安全系數(shù)在1.15左右，滿足規(guī)范要求，Ⅰ-1區(qū)和Ⅰ-4區(qū)的強度儲備安全系數(shù)在1.0左右，處于臨界狀態(tài)；Ⅱ-4區(qū)的強度儲備安全系數(shù)在1.05左右，基本上都處于臨界狀態(tài)。