基于極限平衡法和離散元法的某水電站高邊坡穩定性分析

：水電站高邊坡變形穩定是工程建設過程中需要重點關注的地質問題之一，受結構面類型、產狀、規模等影響，其穩定性分析十分復雜。以某大型水電站壩址區右岸邊坡為研究對象，依據內部結構面的性狀和位置，對各結構面可能產生的塊體組合進行分析，并對邊坡穩定性進行初判。根據規范要求，利用Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ 軟件進行極限平衡分析計算，并在離散單元法中引入強度折減對極限平衡法計算結果進行佐證，分析危險滑動面。結果表明：部分剖面滑動塊體略薄，坡體處于穩定狀態，但整體來看需要采取加固措施，建議根據施工過程中開挖揭露地質情況及安全監測反饋的有關信息，進行動態設計。

關鍵詞：高邊坡；工程地質；極限平衡法；離散單元法；穩定性分析

中圖分類號： ＴＶ５４３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２７

引用格式：廖贊．基于極限平衡法和離散元法的某水電站高邊坡穩定性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１４６－１５０，１５７．

我國經濟正處于邁向高質量發展的新階段，西部大開發戰略的實施和碳達峰碳中和目標的制定，使得一系列在建或擬建水利水電樞紐工程規模越來越大，工程邊坡越來越高。由于高邊坡變形穩定受結構面類型、產狀、規模等因素的影響，其穩定性直接關系到施工人員的安全、施工進度的控制及工程造價等，因此有必要進行穩定性分析。

邊坡穩定性研究方法有極限平衡法、極限分析法、數值模擬法和滑移線法等［１］ 。其中：極限平衡法是《水利水電工程邊坡設計規范》（ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 中的方法，可求解安全系數、評估工程穩定性，但不足之處在于難以給出漸進破壞的過程［３－５］ ；數值模擬法中強度折減方法是應用較多的一種，不僅可以較好地反映邊坡失穩破壞過程，而且可以給出強度折減系數來判斷邊坡安全性，但當前研究主要局限于連續介質，大多通過有限元軟件ＡＢＡＱＵＳ 和有限差分軟件Ｆｌａｃ３ｄ實現［６－１０］ 。對于高邊坡而言，由于開挖引起巖體破裂和內部斷層裂隙產生，因此采用離散元法分析變形破壞機理更切合實際［１１－１３］ 。

本文以某大型水電站壩址區右岸高邊坡為研究對象，綜合應用多種方法進行穩定性分析。首先分析內部結構面的性狀和位置，從定性角度對穩定性進行初判；其次選取多個剖面，利用極限平衡法計算出不同工況、不同加固措施下安全系數；最后在離散單元法中引入強度折減，對極限平衡法計算結果進行佐證，并分析危險滑動面。研究成果不僅可以作為支護處理方案的重要依據，而且可為同類型邊坡工程提供參考。

１ 工程概況

某大型水電站壩址位于黑河干流上，壩型為碾壓混凝土重力壩，壩頂長度為２１０．０ ｍ、高程為２ ６３１．０ ｍ，河床壩段最低建基面高程為２ ５０８．０ ｍ，最大壩高為１２３．０ ｍ。工程規模屬于大（２） 型，大壩邊坡級別為２ 級，電站廠房邊坡級別為４ 級。

右壩肩天然地形坡度４５° ～６０°，為一凸向左岸的山脊（見圖１）。天然坡面斷續分布坡積碎石土，碎土石厚度差異性較大，一般為１～３ ｍ，局部地段厚度大于５ ｍ。基巖巖性為綠泥石白云母石英片巖，壩頂高程２ ６３１．０ ｍ附近強卸荷水平深度２０～２５ ｍ，弱卸荷水平深度５０～６０ ｍ；中部地區強卸荷水平深度１３～１５ ｍ，弱卸荷水平深度５０～５５ ｍ。

堆積體、崩塌、巖體卸荷及風化，對右岸邊坡穩定與施工帶來巨大影響，制約工程建設的開展。例如，２０１６ 年８ 月，大壩右岸上部１＃路邊坡開始開挖，開挖揭露表層巖石的強卸荷現象非常明顯；９ 月下旬，右岸坡腳巖體進行了爆破挖除，爆破部位以上邊坡結構面組合形成的不穩定塊體發生了垮塌；１０ 月２０ 日，邊坡表層破碎巖土體沿結構面發生第２ 次垮塌，估算垮塌方量約１０ ８００ ｍ３；１０ 月２３ 日，表層破碎巖土體邊坡發生第３ 次垮塌，估算垮塌方量約１ ７００ ｍ３。

２ 邊坡潛在滑移模式分析

２．１ 結構面信息

根據探洞資料，按照節理的傾向、傾角進行分組，右壩肩２ ６３１．０ ｍ 高程附近及以上邊坡主要發育４ 組節理。第①組：３２０° ～３４０°∠６０° ～７０°，節理面起伏粗糙，充填物質以巖屑及石英為主、少量為泥質；第②組：３２０°～３４０°∠３０°～５０°，節理面起伏粗糙，充填物質以巖屑及石英為主；第③組：１３０°～１５５°∠７０°～８０°，節理面平直光滑或彎曲粗糙，充填物以石英為主，少量無充填或充填巖屑，為硬性結構面；第④組：１３０°～１５５°∠３０°～６０°，節理面平直光滑或彎曲粗糙，充填物以石英為主，少量無充填或充填巖屑。主要結構面信息見表總體來看，第①組和第③組節理較為發育。

壩軸線附近開挖揭露結構面ｆｓ０１（見圖２），通過在不同高程對ｆｓ０１ 產狀進行統計，其產狀為３１０°～３３０°∠４５°～６０°，現場判斷為逆斷層，上盤巖體破碎，下盤巖體完整性較好，斷層帶寬０．１～１．０ ｍ，往坡下破碎帶變窄，充填巖屑、斷層角礫等物質，從開口線附近至開挖高程２ ６４０．０ ｍ段均有發育，開挖揭露其延伸長達９０ ｍ。

對于結構面ｆｓ０１ 開挖揭露特征，結合探洞資料認為，結構面ｆｓ０１ 在高程２ ６３１．０ ｍ 以下可能漸變為裂隙，但延伸情況不明晰，需根據開挖情況進一步確定，這次僅研究高程２ ６３１．０ ｍ 以上邊坡的穩定，２ ６３１．０ ｍ以下邊坡支護結合開挖資料進行動態設計。２．２ 赤平投影分析使用ＤＩＰＳ 軟件大圓分析法對該邊坡進行穩定性初判，從圖３（ａ）可以看到結構面交點均位于穩定區，邊坡不存在楔形體破壞。然而，根據地形地貌及現場情況，對ｆｓ０１、ＰＤ０５ 探洞內Ｌ１６ 等第①、②組結構面定性判斷，對邊坡穩定不利，故采用大圓分析法初步判斷該組結構面可能存在的滑動破壞［見圖３（ｂ）］，ｆｓ０１、Ｌ１６ 結構面大圓落在可能失穩區之內，Ｌ４１ 結構面大圓落在可能失穩區之外，說明邊坡存在沿ｆｓ０１、Ｌ１６ 滑動的可能性。

右壩肩上下游兩側臨空。根據前述穩定性初判，邊坡以單一結構面或復合結構面的滑動形式為主，因此可采用二維計算方法進行邊坡的穩定判別及加固措施設計。

３ 邊坡穩定極限平衡分析

３．１ 計算方法

《水利水電工程邊坡設計規范》（ ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 規定，對于呈塊狀結構、層狀結構的巖質邊坡，宜采用極限平衡分析的Ｓａｒｍａ 法和不平衡推力傳遞法進行抗滑穩定計算。本工程左、右岸邊坡巖體屬塊狀結構，穩定性受結構面控制，也采用Ｓａｒｍａ 法進行計算。

本文使用Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ 的Ｓｌｉｄｅ ７．０ 程序進行邊坡穩定分析計算，該軟件含有多種巖土體本構關系，能夠分析所有類型的土質、巖質、天然或人工邊坡、路堤、壩體、擋土墻等，并進行水位驟降分析、參數敏感性分析和邊坡失效概率分析及支護設計（具體軟件計算原理和功能可參見文獻［１４］）。３．２ 計算方案及參數右岸根據上游臨水邊坡和下游非臨水邊坡，分別計算正常運用條件、非常運用條件Ⅰ（降雨工況）、非常運用條件Ⅱ（正常運用條件下遭遇地震，地震加速度為０．１９ ｇ，簡稱地震工況）。計算工況及安全系數標準見表２。

根據ｆｓ０１ 結構面的產狀，壩軸線下游塊體厚度變薄，選取右岸壩軸線附近剖面進行分析。根據巖體及結構面物理力學參數建議值，結合同類邊坡工程參數取值，確定計算中采用的巖體結構面參數（見表３）。

３．３ 計算結果分析

圖４ 給出了剖面１—１ 不同工況計算結果，可以看到滑動面位置基本一致，說明邊坡穩定性由ｆｓ０１ 與Ｌ１６ 結構面的組合決定。其中，正常工況對應的安全系數為１．２８１，超出規范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數為１．１３１，而規范要求為１．１５０，略小于規范要求；地震工況對應的安全系數為０．９３４，而規范要求為１．０５０，顯然不滿足規范要求。

進一步以地震工況為例， 采取布設高程位于２ ６３１．０～２ ６７０．８ ｍ，錨索角度為下傾１５°，錨索長度至斷層ｆｓ０１ 以內５．０ ｍ 處，單根錨固力為１ ０００ ｋＮ，間排距為４ ｍ×４ ｍ 的加固方案，重新進行計算分析［見圖４（ｄ）］，此時安全系數為１．０７４，滿足規范要求。

圖５ 給出了剖面２—２ 不同工況計算結果，滑動面位置均位于高程２ ６３１．０～２ ６５８．０ ｍ 之間。其中：正常工況對應的安全系數為２．４５８，明顯超出規范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數為２．１５５，大幅超出規范要求的１．１５０；地震工況對應的安全系數為１．９６７，大大超出規范要求的１．０５０。因此，無須采用加固措施。

圖６ 給出了剖面３—３ 不同工況計算結果。其中：正常工況對應的安全系數為１．３７３，超出規范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數為１．２１３，大于規范要求的１．１５０；地震工況對應的安全系數為１．０３４，略小于規范要求的１．０５０，為控制工況。進一步針對地震工況，考慮前述加固方案，重新進行計算分析，見圖６（ｄ），此時安全系數為１．０８８，滿足規范要求。

４ 邊坡穩定離散元分析

４．１ 計算方法

３ＤＥＣ 軟件是一款以離散單元法為基本理論，可以描述離散介質力學行為的計算分析軟件。離散介質可以定義為連續介質的集合體，連續介質之間則通過非連續特征發生相互作用。例如：具有不同巖性的巖塊（連續體）和地質結構面（非連續特征）兩者構成巖體最基本的組成要素，在外力作用下，巖塊表現為連續介質力學行為，巖塊之間則通過結構面（非連續特征）實現相互作用，當結構面受力超過承載極限時，巖塊即表現為相互剪切、錯動、脫開等破壞現象（具體計算原理可參見文獻［１５］）。

用離散元求解安全系數時，引入強度折減的概念，經過一系列試算，將強度參數折減成一個系數，直至找到能使模型處于極限平衡狀態的安全系數，即

４．２ 計算結果分析

由于剖面２—２ 無須采用加固措施，因此本節主要針對剖面１—１、３—３ 進行離散單元法穩定性分析，對極限平衡法的計算結果進行佐證。

圖７ 給出了剖面１—１ 計算模型及潛在滑移模式，對于正常工況，潛在滑動面沿著結構面向下滑出，強度折減系數為１．１６０，略小于規范要求的１．２００；對于地震工況，潛在滑動面沿著頂部和結構面滑出，強度折減系數為０．８８０，明顯小于規范要求的１．０５０，此為控制工況。

針對開挖邊坡進行了錨索加固計算，加固模式如前文所述和圖７（ｄ）所示，加固后地震工況強度折減系數提高至１．０６０，處于穩定狀態。

圖８ 給出了剖面３—３ 計算模型及潛在滑移模式，其潛在滑動面沿著結構面向下滑出，對于正常工況，強度折減系數為１．３２０，滿足規范要求的１．２００；對于地震工況，強度折減系數為０．９９０，小于規范要求的１．０５０。為此，重新進行了錨索加固計算分析，如圖８（ｄ）所示，加固后地震工況的強度折減系數提高至１．１５０，處于穩定狀態。

５ 結論

１）通過極限平衡法求解安全系數，發現剖面１—１降雨工況和地震工況安全系數均不滿足規范要求，剖面２—２ 正常、降雨及地震工況均滿足規范要求，剖面３—３ 地震工況安全系數為１．０３４，略小于規范要求的１．０５０。

２）離散單元法分析結果顯示，剖面１—１ 正常工況及地震工況強度折減系數均不滿足規范要求，剖面３—３ 地震工況強度折減系數不滿足規范要求，潛在滑動面均為沿著結構面向下滑出。

３）當２ ６３１．０～２ ６７０．０ ｍ 高程區域施加下傾１５°、間排距為４ ｍ×４ ｍ（單根錨固力１ ０００ ｋＮ）的錨索后，極限分析法及離散單元法分析結果均證實邊坡穩定性滿足規范要求。

４）由于地質情況的復雜性，圍巖類型、結構面類型、巖層產狀等存在變異性，因此建議根據開挖揭露的地質情況及安全監測反饋的有關信息，進行動態設計。

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【責任編輯 簡 群】