前坪水庫溢洪道高邊坡設計方案優(yōu)化研究

劉漢東, 彭冰, 王四巍, 李夢姿

(華北水利水電大學 巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院,河南 鄭州 450045)

前坪水庫溢洪道高邊坡設計方案優(yōu)化研究

劉漢東, 彭冰, 王四巍, 李夢姿

(華北水利水電大學 巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院,河南 鄭州 450045)

前坪水庫溢洪道高邊坡的初步設計方案中，開挖邊坡坡度為1∶0.5，采用5 m長錨桿φ25 mm@2×2 m加固支護。通過系統(tǒng)優(yōu)化研究，調(diào)整開挖邊坡坡度為1∶0.4，采用10 m長錨桿φ25 mm@3×3 m加固支護。采用GEO-SLOPE軟件對不同工況下前坪水庫溢洪道高邊坡的穩(wěn)定性進行了極限平衡分析，并采用FLAC 3D軟件計算了不同工況下邊坡的應力和變形分布規(guī)律。計算結(jié)果表明：優(yōu)化設計方案中溢洪道高邊坡開挖后在無水、正常水位及相應地震工況下的安全系數(shù)均大于1.3，滿足規(guī)范要求。按優(yōu)化設計方案開挖后，邊坡在無水、遭遇洪水及地震3種工況下，開挖面上的最大主應力均出現(xiàn)拉應力，3種工況下的最大拉應力為0.24 MPa，小于安山玢巖的抗拉強度。優(yōu)化設計方案與初步設計階段的方案相比，可減少土石方開挖量約5萬m3，具有顯著的經(jīng)濟效益。

高邊坡;穩(wěn)定性分析;極限平衡法;FLAC 3D;前坪水庫

邊坡工程是水利水電工程的重要組成部分，庫區(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定與否將直接影響水利工程的正常運行，進而影響庫區(qū)下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。水利工程投資巨大，在保證工程安全的同時，如何通過最小的工程投資發(fā)揮最大的工程效益，是每一位設計人員都必須認真考慮的問題。針對水庫邊坡穩(wěn)定性分析，劉漢東、張金水、殷躍平等已進行了深入的研究[1-3]。

目前，邊坡穩(wěn)定性的分析方法有多種[4-8]，一般分為定性分析和定量分析。定性分析即工程地質(zhì)分析，其以地質(zhì)成因演化理論、工程地質(zhì)類比及巖體結(jié)構(gòu)控制理論為基礎，通過工程地質(zhì)勘察對影響邊坡穩(wěn)定性的各要素進行定性描述和分析，得到邊坡穩(wěn)定性狀況及其發(fā)展趨勢的定性說明與解釋。

定量分析包括極限平衡法和數(shù)值分析法。廣義上來說，極限平衡法也是數(shù)值分析法的一種，但由于其實用性強，是一種納入設計規(guī)程的邊坡穩(wěn)定性分析方法[9]，因此單獨將其列出。極限平衡法的顯著優(yōu)點在于力學模型簡單，計算工作量相對較小，這也是其得到廣泛應用的原因所在。但該方法將巖土體視為剛體，不考慮坡體中土體的變形，應力、應變狀態(tài)與實際情況不符，因而計算結(jié)果存在一定的誤差。

數(shù)值分析法是根據(jù)邊坡不同的邊界條件和變形破壞類型，采用不同的計算和評價方法，得出定量的分析結(jié)果的一種方法。20世紀60年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展，以力學計算法為基礎的數(shù)值分析方法得到迅猛發(fā)展，工程人員以有限單元法、離散單元法和有限差分法等各種計算方法為基礎，開發(fā)出了多種大型地質(zhì)工程數(shù)值分析計算軟件[10]。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的最大優(yōu)勢在于可以分析邊坡內(nèi)部任意位置的應力、應變狀態(tài)，更符合實際情況，同時，通過可視化工具可以顯示坡體內(nèi)部的應力、應變狀態(tài)。但其缺點在于地質(zhì)模型建立困難，計算工作量較大，對于計算機的配置也有一定的要求，工程人員在實際應用中需要耗費大量的時間和精力。

本文將極限平衡法與數(shù)值分析法相結(jié)合，可有效地提高工作效率?；谇捌核畮煲绾榈栏哌吰碌某醪皆O計方案，首先采用GEO-SLOPE極限平衡分析軟件對其進行極限平衡分析，然后采用適用于連續(xù)介質(zhì)非線性問題的FLAC 3D軟件進行數(shù)值分析[11]，得到坡體內(nèi)部各點的應力、應變狀態(tài)，評價邊坡優(yōu)化設計方案的可行性。

1 工程概況

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、洛陽市汝陽縣縣城以西9 km的上店鎮(zhèn)前坪村，具有防洪、供水、發(fā)電等功能，建成后配合相關工程可有效地保護下游地區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全以及京廣和京九鐵路、京珠和二廣高速公路等交通干線的正常運行。前坪水庫溢洪道開挖后，左岸邊坡最大高度可達80 m。水庫利用周期內(nèi)，溢洪道高邊坡的穩(wěn)定與否將直接影響工程的正常運行。初步設計中，溢洪道設計方案為：進水渠左、右岸巖石邊坡采用1∶0.5放坡；左岸共設5級馬道，馬道高程分別為415.0、423.5、438.5、453.5、468.5 m，馬道寬度自第一級依次為3、10、3、3、3 m，第二級馬道兼做泄洪洞控制段通往大壩的交通道路；開挖面上采用5 m長錨桿φ25 mm@2×2 m支護；右岸邊坡開挖后形成的人工邊的坡最大高度不超過30 m，大多在10～20 m范圍內(nèi)，不再設置馬道，也不進行支護。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘和室內(nèi)巖土體強度試驗的結(jié)果，考慮工程經(jīng)濟效益最大化，建議邊坡的坡度適當增加，由原設計坡比1∶0.5提高至1∶0.4；第二級馬道高程423.5 m，兼做泄洪洞控制段通往大壩的交通道路，原設計10 m寬，考慮到施工高峰期車流量較大，增加至12 m；同時將支護設計改為10 m長錨桿φ25 mm@3×3 m支護。考慮到右岸邊坡高度低，整體穩(wěn)定性較好，因此主要針對左岸高邊坡進行穩(wěn)定性分析。

2 溢洪道左岸邊坡的極限平衡分析

2.1 工況分析

為了研究前坪水庫溢洪道左岸邊坡開挖后的穩(wěn)定性，采用GEO-SLOPE軟件對其進行極限平衡分析。經(jīng)分析，確定了基本計算工況及荷載組合，見表1。其中：GK3、GK4、GK5根據(jù)開挖方案的不同和是否進行支護，又細分為設計方案開挖不支護、設計方案開挖支護、優(yōu)化方案開挖不支護、優(yōu)化方案開挖支護4種子工況。

表1 溢洪道左岸高邊坡穩(wěn)定性分析工況

2.2 計算模型及巖體參數(shù)

根據(jù)前坪水庫工程地質(zhì)圖，基于邊坡極限平衡法，計算模型長度取215 m，高度取148 m，模型中主要巖土層為弱風化安山玢巖，中部有F30斷層，表層為重粉質(zhì)壤土。根據(jù)工程地質(zhì)資料，綜合現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙發(fā)育特征、風化程度等特點，得出各主要巖層的物理力學參數(shù)取值，見表2。

表2 天然工況計算參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

采用摩根斯頓-普賴斯法(Morgenstern-Price)對前坪水庫溢洪道左岸高邊坡不同工況下的穩(wěn)定性進行計算，按優(yōu)化方案開挖支護后的正常水位+地震工況下的計算結(jié)果如圖1所示，不同工況安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。在不開挖情況下，GK1、GK2的安全系數(shù)分別為2.79、2.05，安全系數(shù)較高，與實際情況相符。

圖1 按優(yōu)化方案開挖支護后的正常水位+地震

對比按照設計方案和優(yōu)化方案開挖后各種工況下的安全系數(shù)可知，溢洪道左岸邊坡按照優(yōu)化方案開挖后各種工況下的安全系數(shù)均小于按照設計方案開挖后的安全系數(shù)，但減小的幅度較小，減小幅度最大值為6%。這是因為巖土體物理力學性質(zhì)較好，坡比的提高對于邊坡整體穩(wěn)定性的影響不大；同時，優(yōu)化方案中二級馬道的寬度也有一定的增加，有利于邊坡整體穩(wěn)定性的提高。安全系數(shù)降低微小幅度，相對于原本較大的安全系數(shù)來說，其影響可以忽略。這說明坡比的提高對于邊坡整體穩(wěn)定性的影響有限，優(yōu)化方案具有一定的可行性。

表3 安全系數(shù)的計算結(jié)果(摩根斯頓-普萊斯法)

對比不同基本工況下支護與不支護時的安全系數(shù)可知，無論是設計方案還是優(yōu)化方案，支護后的安全系數(shù)增大值均較小，6種子工況中安全系數(shù)的增大值最大為0.04；從最危險滑動面分析，錨桿不能穿過最危險滑動面。以上兩者都反映了錨固效果較差，這說明，在巖土體本身的物理力學性質(zhì)較好的情況下，支護方式對邊坡穩(wěn)定性的影響有限。

表3中安全系數(shù)的計算結(jié)果表明，優(yōu)化方案下溢洪道左岸高邊坡開挖后在無水、正常水位及正常

水位+地震工況下的安全系數(shù)均大于1.3，安全性仍滿足文獻[9]中的要求，完全具備可行性。

3 溢洪道左岸邊坡的數(shù)值分析

3.1 工況分析

采用FLAC 3D軟件對前坪水庫溢洪道左岸邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，除了不再分析天然狀態(tài)，其他分析工況與采用極限平衡法時相同。根據(jù)極限平衡法分析的結(jié)果，邊坡開挖后的狀態(tài)為最危險狀態(tài)，故選擇一次性開挖后的邊坡進行數(shù)值分析。

3.2 計算模型及巖體參數(shù)

根據(jù)前坪水庫溢洪道左岸人工高邊坡的分布特征確定其數(shù)值計算范圍。依據(jù)前坪水庫溢洪道平面布置圖構(gòu)建計算模型，設定沿溢洪道方向為X向，垂直溢洪道方向為Y向，豎直方向為Z向。進水渠段中心線為弧形，轉(zhuǎn)彎半徑為350 m，沿溢洪道方向(X方向)，以樁號溢0-000為起點，向上游取250 m；在Y方向上，沿著溢洪道中心樁號溢0-046分別向左岸延伸150 m，向右岸延伸50 m；在Z方向上，以溢洪道渠底高程399 m為基礎向下延伸160 m作為模型的底板，邊坡最高約80 m，建立地質(zhì)模型。該范圍內(nèi)溢洪道中心線長度為222 m，涵蓋了全部進口翼墻段和大部分的進水渠段。

平行于X向的兩個側(cè)面均固定X向、Y向位移，平行于Y向的兩個側(cè)面均固定法向位移，底面固定三向位移。計算荷載為自重、靜水壓力和地震作用力。巖土體采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，計算參數(shù)見表4。

表4 溢洪道邊坡計算參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 位移分析

按優(yōu)化方案開挖后的坡體總位移如圖2所示。

圖2 溢洪道邊坡總位移

由圖2可知：溢洪道完全開挖支護后，開挖面附近均有一定程度的位移；坡頂處位移最小，約1.00 cm；底板處位移最大，約5.16 cm(為了避免邊界影響，位移值以0-106剖面圖為準)。

按照優(yōu)化方案開挖后，坡體0-106剖面的豎向位移如圖3所示。由圖3可知：溢洪道完全開挖支護后，開挖面坡頂處位移最小，約1.00 cm；底板處位移最大，約5.13 cm。

比較開挖后的豎向位移與總位移可以看出，兩者大小基本相同。這說明開挖后巖土體位移以豎向為主，水平向位移相對極小。巖土體之所以會產(chǎn)生豎直向上的位移，這是因為上層巖土體開挖后，下層巖土體的上覆重力消失，巖土體卸荷產(chǎn)生了回彈。巖土體位移以豎向為主，說明開挖后，巖土體位移以卸荷回彈為主，水平向移動極小，可以忽略。這從側(cè)面說明了溢洪道所在區(qū)域內(nèi)巖土體的物理力學性質(zhì)較好，否則，大方量開挖過后，開挖面上的巖土體必將產(chǎn)生明顯的水平向位移。

圖3 溢洪道邊坡0-106剖面Z向位移

3.3.2 最大主應力分析

開挖后溢洪道邊坡0-106剖面的最大主應力如圖4所示。

圖4 溢洪道0-106剖面最大主應力

圖4中的計算結(jié)果表明：溢洪道完全開挖后，開挖面上的最大主應力有拉應力也有壓應力， 拉應力分布于溢洪道底板處和各級馬道的上部邊緣。溢洪道底板處拉應力距離坡體越近，拉應力越小，分析范

圍內(nèi)拉應力最大值約0.24 MPa。各級馬道邊緣處形成了明顯的條帶狀拉應力分布區(qū)，拉應力最大值約0.10 MPa。從圖4可以看出，條帶狀拉應力分布區(qū)主要集中在開挖面上，向內(nèi)延伸很小，這說明巖土體開挖造成的水平應力卸荷對巖土體的整體應力狀態(tài)影響不大，僅僅在小范圍內(nèi)對開挖面上部分巖土體的應力狀態(tài)產(chǎn)生了有限的影響。

3.3.3 不同工況下結(jié)果對比

優(yōu)化方案與設計方案下溢洪道左岸高邊坡的最大主應力最大值和最大變形值的對比見表5。兩種方案在不同工況下的最大主應力和最大變形的分布趨勢與優(yōu)化方案不支護情況下的分區(qū)趨勢基本相同。結(jié)果表明：根據(jù)優(yōu)化方案開挖后，邊坡在無水、正常水位、正常水位+地震這3種工況下，開挖面上最大主應力均出現(xiàn)拉應力，但最大值均較小，3種工況下的最大值為0.24 MPa，遠小于安山玢巖的抗拉強度；與設計方案相比，拉應力最大值均增大，但增大的幅度不大，增幅的最大值不超過0.15 MPa。這說明巖土體開挖造成的應力釋放會導致坡體開挖面上出現(xiàn)拉應力，坡比的提高不利于開挖面上巖土體的應力重分布，會導致拉應力的增大。

對比相同基本工況下優(yōu)化方案與設計方案的最大位移值可知，優(yōu)化方案的總位移較小。這是因為區(qū)域內(nèi)總位移以巖體豎向回彈為主，水平位移較小，優(yōu)化方案中山體開挖方量小，卸荷影響相對較小，因而巖土體豎向回彈較小，巖土體總位移較小。

對比不同工況下支護前、后的總位移最大值可知，支護與否對開挖面上總位移的影響不大，在位移值以10-4m為基本單位時位移值相同。這也反映出在巖土體的物理力學性質(zhì)較好時，支護措施對巖土體位移的影響有限。

表5 不同工況下最大主應力和變形的最大值對比

與設計方案相比，雖然優(yōu)化方案下的邊坡開挖坡度有所提高，但坡體的最大變形的變化不顯著(位移值減小)。采用MDAS GTS NX建立地質(zhì)模型，利用其體積測量功能測量出兩種方案中擬開挖坡體的體積，對比可知，優(yōu)化方案中土石方開挖量減少約5萬m3。按照當前土石方開挖的市場工價30元/m3計算，設計方案可節(jié)省直接經(jīng)費150萬元，同時可有效縮短工期，使得工程盡早發(fā)揮效益。

4 結(jié)語

前坪水庫溢洪道左岸高邊坡按照優(yōu)化設計方案開挖后，各種工況下的安全系數(shù)均小于初步設計方案開挖后的安全系數(shù)，但減小的幅度較小，最大減小幅度為6%。優(yōu)化方案下前坪水庫溢洪道左岸高邊坡開挖后在無水、正常水位、正常水位+地震工況下的安全系數(shù)均大于1.3，安全性滿足規(guī)范要求。

按優(yōu)化設計方案開挖后，邊坡在無水、正常水位、正常水位+地震3種工況下，開挖面上最大主應力均出現(xiàn)拉應力。與原初步設計方案相比，優(yōu)化設計方案中不同工況下拉應力最大值均增大，但增大的幅度不大，增幅的最大值不超過0.15 MPa，3種工況下的最大拉應力值為0.24 MPa，小于安山玢巖的抗拉強度，滿足工程安全要求。相同工況下，優(yōu)化設計方案中，溢洪道邊坡總位移偏小，利于工程安全。

優(yōu)化方案在保證工程安全的前提下，可減少土石方開挖量約5萬 m3，同時可有效縮短工期，具有顯著的經(jīng)濟效益。

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(責任編輯：陳海濤)

Optimization of Design Scheme for High Slope of Spillway in Qianping Reservoir

LIU Handong, PENG Bing, WANG Siwei, LI Mengzhi

(Henan Key Laboratory of Geotechnical and Structure Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In the preliminary design of the spillway high slope of Qianping Reservoir, the slope of the excavated slope is 1∶0.5 with 5 m long anchor rod,φ25 mm@2×2 m reinforced anchors. Through the system optimization study, the slope of the adjusted excavation slope is 1∶0.4 with 10 m long anchor rod,φ25 mm@3×3 m reinforced anchors. The GEO-SLOPE software was used to analyze the stability of the high slope of the spillway of Qianping Reservoir under different working conditions, and the stress and deformation distribution rules of slope under different working conditions were calculated by FLAC 3D.The calculation results show that the safety factor of the high slope of the spillway in the optimized design scheme is greater than 1.3 after the excavation at the water free, normal water level and the corresponding seismic conditions, to meet the specification requirements.After the excavation according to the optimized design scheme, the maximum principal stress on the excavation surface appears tensile stress under the three conditions of water, flood and earthquakes, and the maximum tensile stress is 0.24 MPa under three conditions, which is less than that of the and esiticporphyrite. Compared with the preliminary design phase, the optimized design scheme can reduce the excavation quantity of earthwork about 50 000 m3, and has significant economic benefits.

high slope; analysis of stability; limit equilibrium method; FLAC 3D; Qianping Reservoir

2016-11-22

國家水利部公益性行業(yè)科研專項(201301034)。

劉漢東(1963—),男,山東菏澤人,教授,博導,博士,從事水利水電工程地質(zhì)方面的研究。E-mail：10096392@qq.com。 彭冰(1992—),男,河南南陽人,碩士研究生,從事水利水電工程地質(zhì)方面的研究。E-mail:754531611@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.010

TV222;TU42

A

1002-5634(2017)01-0047-05