湖南涔天河水電站工程導(dǎo)流洞出口邊坡穩(wěn)定性分析

萬克誠，李洋，李超

湖南涔天河水電站工程導(dǎo)流洞出口邊坡穩(wěn)定性分析

萬克誠，李洋，李超

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710065）

以湖南涔天河水電站導(dǎo)流洞出口邊坡為研究對象，采用平面有限元法對邊坡開挖、加固過程進行模擬，并計算邊坡在正常運行工況、降雨飽和工況及地震工況下坡表關(guān)鍵位置的位移，采用新的安全系數(shù)計算方法評價坡體整體安全，對比分析兩種加固方案下坡體的穩(wěn)定性。

水電工程；邊坡；有限元；安全系數(shù)；坡表位移

1 概況

涔天河水電站水庫擴建工程位于永州市江華瑤族自治縣東田鎮(zhèn)境內(nèi)湘水支流瀟水上游霧江段，是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、過木航運、防洪等綜合效益的大型水利水電工程。面板堆石壩壩高114 m，水庫設(shè)計庫容151億m3。水電站導(dǎo)流洞出口邊坡位于右岸（16）、（17）沖溝之間，2#導(dǎo)流泄洪洞出口處。滑坡體前緣順河長215 m，滑舌前緣伸至河床，高程213 m～215 m，滑坡體后緣見有陡立光面，高程325 m，前緣前、后緣高差約107 m，縱向長192 m，平均坡度39°，局部可達45°～50°，滑坡體積約20萬m3。

根據(jù)勘察資料，滑坡體厚度6 m～17 m，滑坡體堆積物為含粘土碎塊石，結(jié)構(gòu)較松散?；瑤榈[質(zhì)粘土，土層厚約0.5 m，呈可塑狀，分布于滑坡與基巖的接觸面上?；不鶐r為D16巖組的砂巖、石英砂巖、細砂巖夾粉砂巖、頁巖，淺部呈強風(fēng)化狀態(tài)，巖體破碎，發(fā)育破碎夾泥層?；聟^(qū)巖層單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀為N48°E.NW∠60°，巖層傾向坡外，近于順層坡。地下水位埋深大多位于滑帶以下。

2 邊坡穩(wěn)定有限元評價方法

2.1 最危險滑動面的確定

本文中滑動面的確定是在借鑒瑞典圓弧法最危險滑動面方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗，并參考有關(guān)類似工程綜合確定。

2.2 基于漸進破壞思想的傳統(tǒng)滑面安全系數(shù)有限元評價方法

本文采用一種符合邊坡的漸進破壞特征的邊坡穩(wěn)定性有限元評價方法[3]，該方法仍采用“材料安全儲備”系數(shù)的概念，并且仍基于安全系數(shù)為：整個滑動面的總抗滑力與滑動力比值。在平面直線型滑坡中，滑動面上的滑動力和抗滑力是同直線反方向上的，可以進行矢量疊加，因而通過滑動力與抗滑力的平衡方程得到整體安全系數(shù)的評價公式：

式中：K為安全系數(shù)；li為第i個滑動界面單元的長度；σni為第i個接觸面單元的正應(yīng)力；τni為第i個接觸面單元的剪應(yīng)力；Ci為第i個滑動面的粘聚力；φi為第i個滑動面的內(nèi)摩擦角。

式中：Fs為安全系數(shù)；σi為第i個未破壞界面單元正應(yīng)力；σ'j為第j個破壞界面單元正應(yīng)力；τi為第i個未破壞界面單元剪應(yīng)力；τ'j為第j個破壞界面單元剪應(yīng)力；ci為第i個未破壞界面單元峰值粘聚力；c'j為第j個破壞界面單元殘余粘聚力；

φi為第i個未破壞界面單元峰值內(nèi)摩擦角；φ'j為第j個破壞界面單元殘余內(nèi)摩擦角；si第i個未破壞界面單元的面積；s'j第j個破壞界面單元的面積；

一般來說，殘余c，φ值需要通過實測獲得[4]，通常而言，殘余粘聚力相對于峰值粘聚力在峰值之后衰減的很快，而殘余內(nèi)摩擦角相對其峰值的變化并不太劇烈。通過對有限元的精確求解，可以得到的各施工開挖階段、運行階段滑動接觸界面單元的正應(yīng)力、剪應(yīng)力。整體安全系數(shù)的評價：

3 二維有限元分析計算

3.1 參數(shù)選取及加固方案

本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，結(jié)合已有巖體力學(xué)參數(shù)及反演計算所得參數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

計算采取的加固方案如下：

（1）原設(shè)計加固方案：在281 m～225 m高程之間按4 m間距設(shè)置了5排100噸級預(yù)應(yīng)力錨索。

（2）優(yōu)化加固方案：在原設(shè)計支護方案的基礎(chǔ)上，取消236m、225 m高程的兩排100噸級預(yù)應(yīng)力錨索，在高程251m、255 m、266 m、270 m和281 m位置，按4m間距設(shè)置5排100噸級預(yù)應(yīng)力錨索。并在235m高程設(shè)置抗滑樁，抗滑樁直徑3m，間距6m，共10根，單根抗滑樁可提供1000t阻滑力。

3.2 計算剖面穩(wěn)定性分析

邊坡從坡面至基巖分別為Ⅴ類巖體、Ⅳ類巖體，滑坡體為Ⅴ類巖體，滑面以下為Ⅳ類巖體。計算模型范圍選取為：底部寬165.5 m，底部高程191 m，頂部高程330 m。采用三角形六節(jié)點實體單元剖分網(wǎng)格。模型底面在X、Y方向施加約束，兩個側(cè)面施加X方向約束，坡面為自由面。在邊坡頂部、中部及坡腳底部設(shè)置關(guān)鍵位置點，用以監(jiān)測計算過程中坡體不同位置處位移情況。

（1）自重應(yīng)力及開挖工況下計算結(jié)果

取邊坡天然自重應(yīng)力場作為仿真分析的地應(yīng)力條件。初始地應(yīng)力基本上為自重應(yīng)力場為主的情況下，鉛直應(yīng)力σv可按上覆巖層的厚度計算，并且隨著深度按線性分布；同時通過側(cè)壓力系數(shù)K0可求得水平方向應(yīng)力。鉛直方向為σv=γH，水平方向為σH=K0σv。

其中，K0=μ/(1-μ)；μ為泊松比，H為埋深，γ為巖體的平均容重，σv為自重應(yīng)力場下的豎直向應(yīng)力；σH為自重應(yīng)力場下的水平應(yīng)力。

施工荷載為初始地應(yīng)力+開挖地應(yīng)力釋放荷載，邊坡的開挖過程即地應(yīng)力的釋放過程。通常用減小開挖部分巖體單元的彈性模量、轉(zhuǎn)移開挖單元應(yīng)力并生成等效開挖節(jié)點力{f}ex替代，即可模擬開挖釋放荷載。

計算過程如下：進行開挖計算，釋放的荷載按照彈性應(yīng)力計算，由巖體獨立承擔(dān)，隨后激活錨索單元，模擬施加錨索對邊坡的加固作用，分層臺階式開挖分7步進行，每一步開挖后激活相應(yīng)開挖層的錨索單元，開挖與錨固交替進行，開挖后，在開挖面上施做預(yù)應(yīng)力錨索。錨固力為100 t/根，排間距4×4 m2，最大長度40 m，與水平線夾角20°，滿足規(guī)范[5]要求。兩種加固方案下施工期開挖至各高程時邊坡最小安全系數(shù)及開挖引起的位移見表2。

由以上計算結(jié)果可以看出：

①原加固方案及優(yōu)化加固方案下施工期最小安全系數(shù)均為1.12，坡表最大位移均為1.77 mm。

②兩種加固方案下，隨著坡表臺階式開挖的進行，各個關(guān)鍵位置位移均有所增長，最大位移發(fā)生在臨近坡腳的關(guān)鍵位置3處，且在最后一步開挖后，坡體安全系數(shù)有所下降，說明坡腳處的加固措施對整個坡體的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵的作用。

表2 計算剖面兩種加固方案下各步施工引起坡表關(guān)鍵位置位移（/mm）

表3 計算剖面各加固方案下強降雨工況、地震工況關(guān)鍵位置位移（/mm）

③在關(guān)鍵位置2處，優(yōu)化加固方案開挖引起的位移略小于原加固方案開挖引起的位移。安全系數(shù)均隨著分步開挖的進行而有所上升，且優(yōu)化加固方案下施工期邊坡的安全系數(shù)整體上略高于原加固方案，在優(yōu)化方案考慮減少錨索、降低施工難度的條件下，優(yōu)化方案較原方案有更好的效果以及較好的可執(zhí)行性。

（2）運行期計算結(jié)果

運行期考慮考慮正常運行工況、強降雨飽和工況及地震工況。邊坡運行期遭遇連續(xù)強降雨時，邊坡表層巖體由非飽和態(tài)轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)，假定地下水位線位于坡表，滑動面抗剪強度降低，所有分析采用參數(shù)均取飽和參數(shù)。

根據(jù)相關(guān)工程場地地震安全性報告及本階段區(qū)域調(diào)查分析成果，地震分析采用擬靜力法計算，選取100年發(fā)生概率為1%的設(shè)計基巖峰值加速度a=172 gal進行計算，僅考慮水平向的地震慣性力作用，方向指向坡外側(cè)。

采用兩種加固方案對計算剖面進行有限元數(shù)值分析，計算邊坡的安全系數(shù)及各個關(guān)鍵位置在不同工況下的位移，結(jié)果如表3所示。

由上述計算結(jié)果可以看出：

①降雨飽和工況下，最大位移出現(xiàn)在坡表頂部，位移值為0.35 mm，沿坡面向下。各關(guān)鍵位置位移在優(yōu)化方案及原加固方案中相差無幾，但優(yōu)化方案下安全系數(shù)較原加固方案高，優(yōu)化方案的加固作用明顯。

②地震工況下，坡表關(guān)鍵點位移最大值為1.71 mm，方向為沿坡表向上，坡表中部位移最大。優(yōu)化方案的關(guān)鍵位置位移略小于原加固方案，同時安全系數(shù)較原加固方案高，同樣說明優(yōu)化方案較好。

4 結(jié)論

（1）施工工況下，兩種加固方案在最小安全系數(shù)和最大坡表位移上相差無幾，但優(yōu)化加固方案在施工期的安全系數(shù)較原加固方案高，坡腳抗滑樁的加固作用明顯。

（2）在運行期，正常運行工況下，優(yōu)化加固方案表現(xiàn)出了較好的加固作用，從整體上來看，坡表位移差異不大的情況下，優(yōu)化方案下邊坡穩(wěn)定性較好。

（3）強降雨工況及地震工況降下采用原加固方案加固效果不佳，坡體失穩(wěn)，而優(yōu)化方案加強了坡腳的加固，坡體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

（4）因考慮施工難度及經(jīng)濟技術(shù)比較，優(yōu)化方案減少了錨索，并在坡腳處增加了抗滑樁，從計算結(jié)果來看，優(yōu)化方案表現(xiàn)出了較好的加固效果。

[1]李寧，張鵬.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析與設(shè)計中的幾個基本問題[J].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第七次學(xué)術(shù)大會論文集，中國西安，2009，395-398.

[2]崔政權(quán)，李寧.邊坡工程—理論與實踐最新發(fā)展[M].北京，中國水利水電出版社.

[3]李寧，錢七虎.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與評價中的四個準(zhǔn)則[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（9）：1754-1759.

[4]佘成學(xué)，崔旋.長河壩水電站右岸導(dǎo)流隧洞進口高邊坡穩(wěn)定性有限元計算分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（增2）：3686-3691.

[5]SL386-2007.水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

TV221.2

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1673-9000（2017）02-0072-03

2016-12-05

萬克誠（1987-），男，甘肅會寧人，助理工程師，主要從事水電站設(shè)計、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。