基于Midas的抽水蓄能電站水庫邊坡穩定性分析

白崇宇

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110007)

現如今我國社會經濟快速發展，中國電力市場不斷完善，抽水蓄能正在迎來爆發期。建立抽水蓄能電站，不僅能夠為電網提供調峰容量，解決電網調峰問題，還能促進地方相關產業的發展，為當地增加一定的就業機會和較高的財政稅收，促進當地國民經濟和人民生活水平的提高。

抽水蓄能電站樞紐一般是由上下蓄水水庫、輸水系統和電站廠房等建筑物組成。由于水庫邊坡高度大、地質情況復雜、距離大壩近，穩定性直接影響電站的運行安全，一旦失事后果極為嚴重。因此分析復雜地質高邊坡在基本工況和特殊工況下的穩定具有重要意義。

傳統邊坡的穩定性分析設計可使用剛體極限平衡法，但需要人為的假設滑動面，條間力等，對計算結果產生很大影響，不適用于復雜邊坡。而有限元數值分析方法無需假定可直接求解，原理與傳統極限分析方法完全一樣，只是求解方法不同，兩者能得到相同的計算結果。目前國外和國內水利水電部門已廣泛采用數值極限分析法。

Midas GTS NX是一款巖土專用的有限元分析軟件，已通過ISO 9001品質管理認證。包含邊坡穩定分析、線性靜力分析/動力分析、非線性靜力分析/動力分析、施工階段分析等多種分析類型，具備滲流-應力/邊坡耦合分析、應力-邊坡耦合分析等多項功能。廣泛應用于水利工程、地鐵、礦山、邊坡等領域的有限元分析，具有良好的通用性和拓展性。

本文結合某工程實例，應用Midas GTS NX軟件使用強度折減法進行有限元分析，研究了高邊坡在一般工況、蓄水工況及地震工況下的穩定性問題，結論符合實際監測情況。對Midas GTS NX在水利工程中的應用與推廣具有重要的參考意義。

1 有限元強度折減法

有限元強度折減法(簡稱SRM)作為數值分析方法的一種，基本原理是將邊坡巖土體的強度參數C和tanφ進行折減，直至邊坡發生破壞，最終降低的比值即為安全系數Fs，與極限平衡法核心思想一致，均屬于強度儲備安全系數。原邊坡巖土體強度參數為粘聚力C和內摩擦角φ，將C和tanφ同時除以足夠小的初始計算值Fs，由此得到新的物理力學參數C′和φ′如下：

C′=C/Fs

(1)

φ′=arctanφ/Fs

(2)

C′和φ′作為新的巖土體強度指標進行試算，根據設定的準則判別，如果收斂，則加大Fs的值重新試算，一直計算到不收斂為止。此時視為巖土體發生破壞，貫通區作為巖土邊坡剪切破壞滑動面，相應的Fs即為最小安全系數，

有限元強度折減法能模擬條件復雜的地層狀況，不受邊坡形狀、材料不均勻性的限制；滿足靜力平衡條件、應變相容準則；能輸出土體內力、變形等全部信息，不必預先假定滑動面，無須條分，在模擬時自動輸出貫通區域，簡便快捷。因此，SRM在邊坡的穩定分析計算中得到了廣泛的應用與推廣。

2 工程概況與地質條件

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站擬采用某露天礦東側礦坑為蓄水下庫。該露天礦地質災害得到各級政府的高度重視，針對存在的地質災害及治理問題，投入大量資金，先后開展了勘察、治理、監測等多項工作，通過局部治理已取得了良好的效果。但由于百余年上、下聯合開采(露天開采和井工開采)形成的礦坑高陡邊坡、復雜的巖體結構等不利因素的影響，至今滑坡體仍在變形，地質災害問題仍然突出。蓄水后將改變邊坡穩定條件，需開展邊坡穩定性分析計算和評估，經過技術經濟比較，決定采取削坡+壓腳的加固防護措施。

2.2 地質條件

抽水蓄能電站下庫右岸邊坡巖層傾向北，傾角約30°，為順層邊坡，巖體自上而下主要包括凝灰巖、玄武巖、玄武巖夾煤、玄武巖、片麻巖風化殼及片麻巖基底。基巖段巖體較完整，局部破碎或完整性差，層理及高角度結構面較發育。凝灰巖多分布在邊坡表層，因礦坑開挖，剩余厚度不均。玄武巖所夾煤層與片麻巖風化殼巖體強度較低，為邊坡變形及滑坡的控制性結構面。

邊坡分布的滑坡堆積體屬于基巖順層滑坡，主要由于礦坑開挖深度增大，受邊坡各方向構造結構面控制，在強降雨誘發下產生了滑坡變形，由于滑坡以蠕滑變形為主，沒有發生速滑破壞，因此，滑坡體基巖并沒有完全解體破碎形成散體堆積，但巖體整體結構已發生嚴重破壞，滑坡體中下部受強烈擠壓突起，順坡向張開裂隙發育，多處發現橫向拉裂縫。邊坡局部及上部大多區域回填有礦渣，為松散體邊坡。邊坡巖土體特征如圖1所示。

圖1 邊坡巖土體特征

3 邊坡數值模型建立

3.1 計算工況及參數選取

不同作用條件對邊坡穩定有不同的影響，為與實際監測結果進行對比，在邊坡穩定分析計算時分別考慮自然狀態一般工況(巖土體飽和)、削坡壓腳后一般工況(巖土體飽和)、自然狀態蓄水工況、自然狀態蓄水+地震工況、加固后(削坡壓腳)蓄水和蓄水+地震工況，對不同組合情況進行穩定性分析，具體組合詳見表1。

表1 計算工況

選取正確的邊坡巖土體物理力學參數直接決定邊坡穩定性評價。巖體指標利用巖樣試驗數據進行統計，結合巖體完整性及風化程度進行折減。本工程綜合巖體現場抗剪試驗指標、地勘報告建議值、巖體強度指標折減系數、類比其他相似工程，根據現場實際巖土體情況等因素分析確定。本次數值計算主要采用的土體物理力學參數詳見表2。邊坡地質剖面如圖2所示。

表2 巖土力學參數

圖2 邊坡地質剖面

3.2 計算范圍的確定及本構模型

為了得到準確的計算結果，將邊坡模型向外做了一定程度的拓展，模型底寬設定為1700m，高設定為800m。邊坡模型的底部邊界設置x、y方向約束，左右邊界設置x方向約束。

邊坡的穩定性分析方法都是以巖土塑性理論為基礎，假設邊坡的變形和發展都處于塑性階段，直到坡體破壞，邊坡失穩。莫而-庫侖模型綜合了庫侖破壞準則和胡可定律，是理想的彈塑性模型。該模型使用方便，經常應用于邊坡、堤防、土石壩等穩定性分析。本工程即使用經典莫而-庫侖的巖土本構模型，利用Midas GTS NX進行數值模擬分析。

3.3 模型的建立

創建準確的邊坡模型對穩定分析起著至關重要的作用。整體邊坡模型共劃分為21424個單元，21553個節點。計算網格模型如圖3所示。

圖3 計算網格模型

具體操作步驟為：在Midas軟件中新建Y軸作為重力方向的2D模型→將分好地層的AutoCAD文件導入→圖形交叉分割→建立巖土體的材料、屬性→對地層輪廓線、地層分界線進行尺寸控制→依據尺寸控制劃分網格→添加重力荷載、地震荷載→添加邊界約束條件→設置分析施工階段→設置分析工況等。

模型建立過程中需注意的是：導入的dwg文件需以m為單位，在坐標原點附近；通過在工作目錄樹模型表單中雙擊工作平面中xz(0，-1，0)按鈕，確保工作平面處于xz平面上；土體結構選擇平面應變。

4 模擬結果分析

4.1 邊坡參數的合理性分析

根據對邊坡雷達變形監測以及人工監測結果的分析，滑坡為順層深層滑坡，滑坡體于邊坡坡腳產生剪出隆起。依據等效塑性應變分布圖，該斷面破壞型式為沿玄武巖間軟弱層的深層滑動破壞，同時玄武巖與片麻巖接觸帶的風化殼也將發生很大的塑性沉陷，滑坡剪出口位于坡底，與實際滑坡破壞基本吻合。加固前等效塑形貫通區如圖4所示。

圖4 加固前等效塑形貫通區

4.2 邊坡穩定系數

根據規范中對邊坡穩定安全系數的相關規定，參考露天礦坑的實際情況，考慮蓄水后的穩定要求，確定抽水蓄能電站水庫邊坡基本組合下，穩定安全系數Fst取為1.5，特殊組合取為1.15。

求解運行后，軟件可以直接計算出安全系數。經計算，邊坡加固前一般工況安全系數均等于穩定安全系數。蓄水工況安全系數大于穩定安全系數，蓄水+地震工況小于穩定安全系數，不滿足規范要求。邊坡進行削坡壓腳加固后各工況均大于穩定安全系數，邊坡穩定，滿足規范要求。計算結果見表3。

表3 計算結果

分析計算云圖，經過加固處理后，3種工況邊坡穩定系數均得到較大提高。最危險的滑動面與原狀邊坡的滑動面位置相同，均為沿玄武巖間軟弱層的深層滑動破壞。但玄武巖與片麻巖接觸帶風化殼的塑性沉陷有效降低。加固后等效塑形貫通區如圖5所示。

圖5 加固后等效塑形貫通區

4.3 技術難點及解決方案

研究巖土物理力學參數通常主要通過巖土力學試驗得到，但確定巖石的物理力學參數時，并沒有考慮斷層、節理、軟弱夾層等分界面對整體穩定的影響，而巖土體的穩定主要受這些因素控制。所以，想準確地反映巖土體的受力狀態，不能僅僅依靠力學試驗。大型巖土體的滑坡可以看作剪切實驗，如果能夠準確掌握形態、原因，則通過滑動可以反算出力學參數，其結果是可靠的。

網格密度對計算結果有一定影響，網格過疏會造成較大的誤差，網格過密則耗費大量的計算資源。網格密度達到一定程度后，單純增加密度已不能再大幅度提高計算精度。先以合適的密度計算一次。再將滑動區臨近網格加密2倍，若2次計算結果差異不大，則認為網格密度選取合適。本模型中網格尺寸控制在5～20m。

地下水對邊坡安全穩定的影響十分關鍵，根據以往滑坡資料，邊坡滑坡基本都發生在強降雨之后。據此，此次計算巖土體均假設為飽和狀態。滿蓄水位為72m，具體添加方法：靜力/邊坡分析→添加施工階段組→通過定義施工階段→新建施工階段→定義初始水位→勾選SRM分析。

通過添加慣性力模擬地震工況，地震烈度為7度，地震動峰值加速度0.1g。點擊“靜力/邊坡分析”菜單下的“自重”命令，將Gx方向輸為0.1，“荷載組”命名為“地震荷載”。在新建施工階段中添加地震工況，將地震荷載拖入激活數據中。

5 結語

本文以某擬建抽水蓄能電站為例，詳細說明了高邊坡復雜地質有限元模型的設計及其計算結果。對于不同的邊坡工程(礦山、鐵路高邊坡、公路邊坡等)使用不同的參數及模型進行分析具有借鑒意義。但仍有如下不足需要優化。

(1)已有礦坑蓄水邊坡穩定性計算結果表明，礦坑蓄水對整體邊坡穩定性是有利的，但不排除造成邊坡局部巖體結構破環而產生滑塌的可能。需進一步深度研究礦坑蓄水對泥巖、頁巖軟化作用及影響，以及不同加固方案比選等關鍵問題。

(2)如何將Midas與其他建模軟件(如Bently、Revit等)更好的結合使用，需做進一步研究。