大渡河某水電站左岸邊坡開挖的穩定性分析

錢洪建 黃夢婷 李 彪

(1.國家能源集團金沙江旭龍水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500)

0 引言

在“碳達峰、碳中和”背景下，水利能源作為一種清潔能源越來越被重視，水電站建設也受到越來越多人的關注。目前我國西南地區有一大批規劃和在建的水電站，但是西南地區高山峽谷眾多，地勢險峻復雜，地貌十分特殊，其高陡巖石邊坡的開挖存在許多不容忽視的問題[1]。

近年來，關于巖質邊坡穩定性研究的方法大致有以下幾種：數值模擬法、工程類比法和極限平衡法。其中極限平衡法的原理比較簡單，使用也較為廣泛，但是其缺點也同樣明顯，對邊坡開挖引起的應力變化和位移變化的分析不夠準確，存在局限性[2]。工程類比法即綜合分析與實際工程相似的工程案例，但是不可能有完全相同的兩個工程，各個工程的地質情況也各不相同，從而可能導致分析產生一定的誤差，因此并未被廣泛應用于工程中[3]。而數值模擬法能夠對邊坡分步開挖引起的應力和位移變化進行模擬分析，優越性突出，被研究者廣泛應用于各類邊坡工程穩定性研究工作當中。

隨著學科的發展和計算理論的不斷完善，數值模擬技術的使用越來越廣泛。數值模擬法大致可以分為以下幾類：有限元方法、離散元方法、有限差分方法、邊界元方法和多場耦合法等。國內外研究者也基于各種方法對邊坡穩定性的研究取得了許多成果。Griffiths等[4]采用有限元（FE）方法對一些邊坡案例的穩定性進行研究分析；Dawson等[5]基于強度折減法對邊坡穩定安全系數進行了分析與對比研究；孫超偉等[6]基于霍克-布朗有限元強度折減法，為評價邊坡穩定性建立了巖質邊坡的穩定性圖表，并且通過算例來佐證了圖表的合理性；張輝等[7]依托于含有軟弱夾層的巖質邊坡，采用強度折減法對巖質邊坡穩定性進行了研究分析。

本文基于上述研究，依托于大渡河某水電站，采用數值模擬與經驗分析結合的方法對壩軸線左岸壩肩穩定性分析以及結構面對高陡巖石邊坡破壞失穩機制及穩定性研究，以期為支護及開挖施工提供理論參考，也為類似結構面環繞開挖部分的巖質邊坡的穩定性分析研究提供一些思路。

1 工程地質概況

1.1 工程地質條件

大渡河某水電站位于金川縣城以北約13km、大渡河與右岸支流新扎溝河匯合口以上長約1km的河段上，河谷平面上呈反“S”型。河谷呈“V”型，枯水期河水位高程約2153m，水面寬約50～90m，正常蓄水位2253m高程相應谷寬約245～310m。壩址區兩岸多基巖裸露，谷坡陡峻，為橫向谷。大渡河某水電站邊坡壩軸線左岸剖面及開挖區域和層間結構面如圖1所示。

圖1 邊坡壩軸線左岸剖面圖

1.2 巖土體物理力學性質

左岸邊坡高程2030～2450m，壩基巖性為T32

2(5)-T32

2(6)的細砂巖，為順向坡巖層結構，其中斷層、錯動帶、裂隙有許多，但考慮到其對開挖的穩定性影響，因此在模擬中僅考慮結構面g15（PD3）以及斷層f20和f28。

左岸邊坡第一主應力大小為6MPa左右，方向為NNW向，其傾角在淺部與地表近于平行，在深部則逐步轉為垂直；第二主應力大小為3MPa左右，方向為N-NW向，其傾角在淺部與地表近于垂直，在深部則逐步轉為水平；第三主應力大小為1MPa左右，方向為N-E向，其傾角在淺部與地表近于垂直，在深部則逐步轉為水平，整體應力水平較低。

2 有限差分法數值模擬

2.1 FLAC3D基本原理

FLAC3D屬于有限差分軟件，其在求解偏微分方程時用有限差分公式對導數進行替換，將復雜的偏微分方程轉化為更易求解的代數方程[8]。

模擬過程中，首先需要將求解區域的網格細分為有限差分網格，網格建立完成后需選擇與工程對應的本構關系并根據材料性質進行賦值，同時還需定義模型的邊界條件及初始受力情況，定義完成后需進行第一次初始力學平衡。第一次平衡完成后若結果能夠接受，需清零位移及速度場，再進行后續諸如開挖等靜力計算分析。

2.2 模型的建立

根據水電站左岸邊坡軸線工程地質剖面圖在FLAC3D中建立左岸邊坡三維開挖模型，如圖2所示。模型橫河向取230m，底部高程為2050m，最高點高程為2450m。模型x軸為逆河向，y軸為橫河指向河谷，z軸垂直向上。模型底面采用x、y、z三個方向固定約束，前后左右四個面采用法向約束，坡面為自由表面未添加約束。邊坡模型厚度為35m，水平距離為230m，垂直距離約230m，共生成網格1190個，單元4344個。并且在模擬中選用了摩爾-庫倫彈塑性本構模型，在不考慮支護的情況下對邊坡開挖卸荷過程進行數值模擬，并進行穩定性分析。

圖2 邊坡數值模型

模型開挖區域每隔20m進行劃分，分為6個階段從上至下開挖。同樣不考慮支護情況下對邊坡開挖卸荷過程進行數值模擬，并進行邊坡開挖穩定性評價分析。

3 模擬結果分析

3.1 參數確定

強度折減法[9]的原理大致就是通過將巖土體的抗剪強度系數進行折減，來代替原始的黏聚力和內摩擦角。并且通過增大折減系數來迭代計算，直至土體達到臨界破壞狀態。

本文在結構面參數選取上采用了強度折減計算。根據勘察資料及室內試驗數據，可以得知結構面強度參數較低，所以可以把巖體當作受結構面控制的剛性體，在計算中僅對結構面強度參數進行折減，經過折減后的參數如表1所示。

表1 折減后強度參數

3.2 FLAC3D模擬分析

左岸壩基邊坡分步開挖中，由于最大主應力場在第二、三次開挖，第五次開挖與前開挖情況相比沒有明顯變化，故僅選取第一、四、六次開挖后最大主應力場圖。如圖3所示，隨著邊坡開挖高程的降低，邊坡表層應力不斷釋放并調整，深部應力變化不大，邊坡巖體應力有一定程度的降低趨勢，并且隨著應力調整和巖體松弛，出現了部分拉應力區，但是這些拉應力區域的量值普遍不高，在0～8×105Pa之間。同時也可以看出模型由于邊緣效應在左上和右下也形成了量值較小的拉應力區域。

圖3 開挖過程最大主應力場圖

同理，左岸邊坡開挖的過程中對應的累計位移也僅選取第一、四、六次開挖總位移云圖。如圖4所示，隨著開挖高程降低，邊坡位移總體以回彈變形為主，并且總體位移很小，在3～4mm左右。可以看出邊坡巖體深部總位移基本沒有變化，變化主要集中于邊坡開挖部位到斷層f20之間。

圖4 開挖過程總位移變化圖

4 結束語

本文主要結合實際勘察資料，對大渡河某水電站左岸壩肩邊坡分步開挖過程進行了數值模擬，并對其進行了穩定性分析，主要結論如下：

（1）邊坡受從上至下開挖卸荷的影響，淺層部位總體應力逐漸降低。并且隨著應力松弛，在邊坡表層部分區域出現了量值不高的拉應力。

（2）分步開挖的卸荷作用對該巖石邊坡位移變化影響較小，巖體深部位移基本沒有變化，開挖部位巖體位移總體較小，說明該邊坡在分步開挖作用下穩定性較好。

（3）考慮邊坡開挖工程中其他不利因素的影響，仍需結合后續施工過程中的監測來評價邊坡開挖的穩定性。