中洞抽水蓄能電站上水庫高邊坡穩定分析

◎ 徐馳 廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司

邊坡穩定性受諸多因素影響，主要包括：邊坡巖土體的強度參數（內摩擦角和粘聚力）、地下水、節理、邊坡的坡高及坡度等[1-2]。不同的土質和巖石具有不同的強度和變形特性，因此會對邊坡的穩定性產生影響，一般來說，較強的土質和巖石具有更好的穩定性。當地下水位上升時，邊坡內部水壓力增大，導致巖體有效應力降低，從而減小巖體的抗剪強度，地下水的存在也會增加巖體的飽和度，使巖體中的孔隙充滿水分，增加巖體的可塑性和變形性，可能導致邊坡的變形和滑動[3-4]。對于節理巖體邊坡來說，軟弱結構面（節理）是主要的控制因素之一，節理是巖石中的裂隙或面狀結構，具有較低的強度和較高的滑動傾向，這些節理面可以導致邊坡的破壞和滑動[5]。隨著坡高的增加，邊坡上的應力會增加，這會增加節理面上的剪切力，如果節理面的強度較低，剪切力可能會導致邊坡的破壞和滑動，此外，隨著坡角的增加，節理面的傾向性也會增加，這會進一步降低邊坡的穩定性[6-7]。

1.工程概況

惠州中洞抽水蓄能電站站址位于廣東省惠州市惠東縣高潭鎮中洞村，距離惠東縣城直線距離約68km。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成。上水庫壩址位于楊梅水上游，位于海豐、紫金、惠東、陸河四縣交界處五馬歸槽山惠東縣一側，集水面積0.72km2。庫區地面高程917m以上，分水嶺高程990m～1050m，基本無人類活動。上水庫校核洪水位（P=0.05%）972.3m，設計洪水位（P=0.5%）971.5m，正常蓄水位969.0m，死水位941.0m，總庫容917.6萬m3，調節庫容729.1萬m3，死庫容84.5萬m3，由于上水庫庫盆開挖，最終形成最高為135m的巖質高邊坡（上水庫庫盆開挖示意見圖1）。

圖1 上水庫庫盆開挖示意圖

2.地形地質條件

上水庫地層巖性單一，主要出露的地層有第四系沖洪積層（Qal）、第四系坡積層（Qdl）及晚侏羅世侵入的燕山三期（γ52(3)）粗中粒黑云母二長花崗巖。第四系沖洪積層（Qal）：主要發育于庫盆底，以砂、礫、砂礫質粉質黏土、卵石、漂石為主，松散～稍密狀，厚約1m～8m，分布不均。第四系坡積層（Qdl）：由砂質黏土、礫質黏土等組成，局部含有塊石，土質較均。燕山三期花崗巖（γ52(3)）：主要為灰白色粗中粒黑云母二長花崗巖，主要礦物成分為石英、鉀長石、斜長石，次要礦物成分為黑云母、綠簾石等。

庫區基巖全風化帶分布不均，厚度變化較大，上庫揭露厚度0.5m～27.3m；強風化帶巖體破碎，揭露厚度0.1m～14.1m；弱風化上帶具花崗結構，塊狀構造，揭露厚度為2.0m～17.6m；弱風化下帶具花崗結構，揭露厚度為6.3m～20.8m，局部未揭穿；微風化帶具花崗結構，塊狀～整體狀，巖石新鮮，巖質堅硬，巖面最小埋深為10.1m，一般埋深在10～60m間。

工程場區位于山區，未見厚度大于5m的砂土、粉土層、淤泥等軟弱土層發育，沖溝均切割基巖，溝谷內沒有階地堆積物，大壩等建筑物均建于基巖上。因此，場址區內不存在地震砂土液化和軟土震陷等地震地質災害問題。本工程場地水庫區范圍內未發現較大規模滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地質現象。場址區內構造較簡單，斷層規模較小，場址區內無歷史破壞性地震活動記錄，地震活動性較弱，不具備因斷裂錯動直接造成本工程水工建(構)筑物發生破壞的條件。

3.邊坡穩定分析

3.1 模型建立

本文使用Midas GTS/NX軟件進行有限元分析，邊坡使用二維模型，斷面高度取193m，寬度取200m，最高巖質邊坡計算斷面詳見圖2。

邊坡地質巖層由上而下分為強風化層、弱風化層上帶、弱風化層下帶和微風化帶，各巖層采用2D平面應變單元進行模擬，材料模型均采用摩爾— 庫倫本構模型，在邊坡坡面位置對網格進行適當加密處理，重力方向為Y方向。結構面f7傾向與邊坡傾向相反，較為穩定，結構面f108傾向與邊坡傾向相同，為邊坡穩定分析的控制結構面，結構面采用平面應變單元摩爾— 庫倫本構模型模擬，各巖層之間、結構面與巖層之間的接觸采用接觸單元模擬[8]。邊坡有限元模型及網格劃分見圖3，各巖土層物理力學參數見表1，結構面參數見表2。

表1 各巖土層物理力學參數

表2 結構面物理力學參數

圖3 邊坡有限元模型及網格劃分示意圖

3.2 計算方法和分析工況

本文采用強度折減法（SRM）[9]進行邊坡在自然工況下和暴雨工況下的穩定分析。自然工況下，模型邊界條件約束使用自動約束，設置初始水位條件，僅考慮自重作用忽略其他因素影響；暴雨工況是在自然工況基礎上，由于暴雨過后部分雨水下滲，當超過巖土材料滲透能力之后，整個邊坡體達到飽和狀態[10]，多出的雨水將會沿坡面流走，最終的水位變化為地表面，直接將水位設定為地表，重新進行穩定性分析。

3.3 計算結果分析

1）安全系數。計算分析得到自然工況下，邊坡安全系數為1.56，大于水電工程邊坡設計規范[11]要求的邊坡安全系數限值1.25；暴雨工況下，邊坡安全系數為1.33，大于規范要求的邊坡安全系數限值1.15，均滿足規范要求。

2）應力應變分析。自然工況、暴雨工況下邊坡最大剪應力云圖見圖4、圖5。由圖可知，邊坡開挖區域內，最大剪應力集中出現在坡腳處，自然工況下坡腳處最大剪應力為1.99MPa，小于巖體承載力特征值3.0MPa，不易遭受破壞；暴雨工況下坡腳處最大剪應力為3.08MPa，大于巖體承載力特征值3.0MPa，產生破壞。

圖4 自然工況下邊坡最大剪應力云圖（臨界破壞狀態K=1.56）

圖5 暴雨工況下邊坡最大剪應力云圖（臨界破壞狀態K=1.33）

自然工況、暴雨工況下邊坡等效塑性應變云圖見圖6、圖7。根據計算結果可知：自然工況和暴雨工況下，邊坡最大應變均集中在f108和f7結構面，結構面f108傾向與邊坡傾向一致，邊坡可能沿結構面f108發生滑動破壞。

圖6 自然工況下邊坡等效塑性應變云圖（臨界破壞狀態K=1.56）

圖7 暴雨工況下邊坡等效塑性應變云圖（臨界破壞狀態K=1.33）

3）邊坡水平位移分析。自然工況、暴雨工況下邊坡水平位移云圖見圖8、圖9，總位移云圖見圖10、圖11。兩種工況下，邊坡水平位移均很小；自然工況下最大總位移2.31mm，暴雨工況下最大總位移為2.41mm，集中出現在坡腳處及結構面f108上側。

圖8 自然工況下邊坡水平位移云圖（臨界破壞狀態K=1.56）

圖9 暴雨工況下邊坡水平位移云圖（臨界破壞狀態K=1.33）

圖10 自然工況下邊坡總位移云圖（臨界破壞狀態K=1.56）

圖11 暴雨工況下邊坡總位移云圖（臨界破壞狀態K=1.33）

4.邊坡支護措施

根據工程場地水庫區結構面走向及有限法分析結果可知：在天然工況及暴雨工況下，高邊坡處于穩定狀態，因此邊坡支護設計原則遵循“自穩為主，支護為輔”，庫區邊坡支護主要是針對斷層破碎帶的處理，及邊坡開挖過程中坡面穩定安全。

根據工程實際，永久邊坡坡比為1：0.5，采用掛網噴錨支護方式，噴C 2 0 砼厚10 0 m m，鋼筋網A8@200mm×200mm，系統砂漿錨桿C25@2000mm×2000mm，長6m；永久邊坡坡比1:1.6采用植草護坡方式支護；斷層及破碎帶采用隨機砂漿錨桿（長6m或9m，C25間距2000mm×2000mm）方式處理；邊坡開挖時嚴格按照從上而下分臺階開挖，巖坡采取預裂爆破，在開挖邊坡邊緣設置被動防護網，防止開挖爆破過程中造成的塊石墜落，確保安全。

5.總結

（1）分析了高邊坡在自然工況及暴雨工況下的穩定性，邊坡安全系數分別為1.56、1.33，均大于規范要求的邊坡安全系數限值，滿足規范要求，邊坡處于穩定狀態。

（2）高邊坡在兩個工況下水平位移和總位移較小，最大總位移主要集中在坡腳及結構面上側，安全裕度較大。

（3）暴雨工況下，坡腳處最大剪應力略大于巖體承載能力特征值，因此坡腳是邊坡失穩關鍵，當與結構面貫通時，可能發生滑動破壞，因此邊坡開挖過程中應加強坡腳位移監測和防護，及時處理斷層和破碎帶。

（4）根據計算結果，邊坡整體處于穩定狀態，采取的支護措施能夠確保邊坡穩定安全。