某水電站混凝土生產系統邊坡穩定性復核分析

摘 要：某水電站混凝土生產系統后邊坡開挖支護完成后，發現多條裂縫，同時邊坡埋設的錨桿應力計、多點變位計測值發生突變，為確保工程施工和運行期的安全，有必要對邊坡進行穩定復核。基于邊坡地質條件，采用剛體極限平衡法和非線性有限元分析法復核了邊坡的穩定性，分析表明邊坡處于穩定狀態。

關鍵詞：混凝土生產系統；邊坡穩定性；極限平衡法；有限元分析法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.109

1 工程概況

某水電站是規劃中該河段的第6級水電站，工程樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發電系統等組成。

根據工程混凝土澆筑進度計劃，綜合考慮場內道路布置和場地條件，在壩址下游約0.5km處臺地布置混凝土生產系統，系統主要承擔主體工程混凝土的生產任務。

混凝土生產系統場平后邊坡開挖高程2090～2160m，邊坡開挖坡比1：0.1～1：0.3，局部為1：0.75，目前場平工程已完工，待后期承包人進場后進行其他建安工程施工。為確保工程施工和運行期的安全，有必要對混凝土生產系統邊坡進行穩定復核。

2 混凝土生產系統邊坡穩定復核分析

2.1 基本地質條件

混凝土生產系統位于山脊處，地形坡度40°～50°，植被零星發育。巖性主要為三疊系上統新都橋組變質粉砂巖，局部夾含炭質板巖，地表出露的基巖以弱風化為主。地層呈單斜構造，產狀N10～25°W NE∠40～55°，無區域性斷層或較大規模斷層通過，邊坡發育有斷層f213、f214、f67-1～f67-4計6條，帶寬一般5～10cm，延伸中等。場地地下水以基巖裂隙水為主，地下水位埋深約135m，混凝土生產系統位于地下水位以上。

2.2 邊坡監測情況及裂縫開展說明

在混凝土生產系統邊坡高程2155m、2030m各布置1套四點式多點位移計，在2155m、2140m、2030m、2112m、2100m高程各布置1支錨桿應力計，在2130m高程布置1臺錨索測力計。

混凝土生產系統場平工程完工后，邊坡發現了多條裂縫，寬1～3cm，延伸一般2～3m；邊坡自開始觀測以來，各類監測儀器數據一直較為穩定，且測值均較小。5個月后，錨桿應力計、多點變位計測值發生突變，錨索測力計測值略微減小。其中斷面上不同高程5支錨桿應力計測值發生突變，變化量在6.35～119.22MPa之間，測值增加的幅度從上向下遞減，上部錨桿受力較大，下部受力相對較小；多點變位計測值變化量0.42～1.48mm。目前各項監測數據已趨于平穩。

2.3 穩定復核分析

（1）潛在破壞模式。綜合混凝土系統邊坡地質條件分析，邊坡整體穩定狀況良好，其局部變形破壞主要是受結構面組合塊體的滑動破壞。

（2）計算方法及剖面。系統邊坡穩定性計算方法主要采用剛體極限平衡法和非線性有限元分析法，采用與開挖邊坡垂直的1剖面進行穩定分析（圖1）。

（3）邊坡級別和計算工況。根據相關規范，將系統邊坡定為A類Ⅱ級邊坡，采用持久狀況、短暫狀況進行穩定復核計算，其中持久和短暫狀況設計安全系數分別為1.25和1.15。

（4）計算成果。1）極限平衡法。通過極限平衡法計算，邊坡二維滑動安全系數計算結果匯總于表2。

根據邊坡斷層發育情況分析，f67-4與f213、 f67-4與f67-2 、f67-4與f214切割形成組合塊體，其在持久狀況下赤平投影法計算結果分別為：2.289、1.631和3.016，三維楔形體極限平衡法計算結果分別為：2.255，1.60和2.97，安全系數均滿足規范要求。

2）有限元分析計算.①邊坡開挖后邊坡開挖面存在回彈位移，最大回彈量在4.42mm左右；②各開挖平臺由于卸荷回彈出現拉應力增量，最大拉應力增量達到704kPa，該拉應力有助于結構面的張開與發展，對局部穩定性影響較大，可導致淺部節理巖體的松動或滑塌；③開挖支護后，錨桿應力最大在24MPa左右，換算成2.5m間距為60MPa；④2120m高程平臺料倉加載后，荷載將在該平臺產生0.29mm的位移增量及39kPa的壓應力增量，同時在平臺后緣產生23kPa的拉應力增量，對平臺穩定不利，同時錨桿應力增加931kPa，換算成2.5m間距為2.4MPa；⑤邊坡開挖及加載后未出現大面積的塑性連通區域，僅在斷層f213、f214內部產生了部分塑性區域，邊坡發生大規模塑性失穩的可能性較小。

（5）計算結論。

1）通過典型斷面1、2的二維極限平衡法計算可以看出，邊坡在各工況下最小安全系數均滿足規范要求，且有一定的安全裕度，不會產生沿斷層發生大規模的失穩破壞。

2）通過赤平投影法及三維楔形體極限平衡法計算可知，三維情況下各斷層切割形成的大型塊體穩定條件較好，安全系數達到規范要求。

3）各斷層節理交棱線傾向與開挖邊坡向相同，傾角小于開挖坡角，卸荷情況下，有可能產生滑動，但規模小，多為切割小塊體，通過支護設計可以確保穩定，同時不會對邊坡的整體穩定性產生主要影響。

4）監測數據突變以及裂縫出現成因初步分析：①錨桿應力計呈突變型增長，錨索應力計應力反而減小，可以推測邊坡發生淺部變形的可能性較大，錨桿應力的的增大可能由于錨索預應力引起，由有限元分析發現，錨桿應力開挖支護后正常應力在60MPa左右，而實測應力最大達到112MPa，遠超過計算值，該部分差值并非由于開挖卸荷引起。② 分析發現裂縫走向與邊坡揭露的結構面走向存在較大關聯性，且有多組結構面傾向NE，開挖卸荷導致邊坡原有壓應力釋放，原本壓緊的結構面受拉應力增量影響張開、發展并暴露，而錨索施加力的方向對邊坡尤其是結構面附近巖體相當于偏心受壓狀態，且預應力錨索噸位達到100t級別，致使靠近錨索受力點位置的結構面壓緊而遠離受力點位置張開，導致邊坡裂縫的出現，其受力示意圖見圖2。

3 結論和建議

（1）通過分析計算，混凝土生產系統邊坡整體穩定安全系數均滿足規范要求，且有一定裕度，各工況下均不會發生大規模的失穩破壞。

（2）混凝土生產系統主要是考慮施工期的邊坡穩定，由于距離樞紐建筑均有一定距離，工程永久運行期影響較小。

（3）在混凝土系統進行建安工程施工時，要求承包人在施工過程中做好爆破控制等相關工作。

（4）系統邊坡整體處于穩定狀態，施工過程中應加強安全監測，在觀測數據有異常變化時及時加以分析確認，必要時增加錨固措施，從而確保施工運行期的安全。

參考文獻：

[1]陳祖煜.巖質邊坡穩定性分析-原理.方法.程序[M].北京：中國水電出版社，2005.

[2]鄭穎人，趙尚毅.巖土工程極限分析有限元及其應用 [J].土木工程學報，2005（01）：91-98.

[3]冉光靜.大渡河金川水電站左岸引水發電系統進水口高邊坡穩定性研究[D].成都理工大學碩士學位論文，2009（06）.

[4]中國電建集團華東勘測設計研究院.雅礱江楊房溝水電站可行性研究報告[R].2012.

作者簡介：張俊林（1985-），男，湖北廣水人，本科，工程師，主要從事水電工程地質勘察和研究工作。