基于極限平衡法和離散元法的某水電站高邊坡穩(wěn)定性分析

：水電站高邊坡變形穩(wěn)定是工程建設過程中需要重點關注的地質(zhì)問題之一，受結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、規(guī)模等影響，其穩(wěn)定性分析十分復雜。以某大型水電站壩址區(qū)右岸邊坡為研究對象，依據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的性狀和位置，對各結(jié)構(gòu)面可能產(chǎn)生的塊體組合進行分析，并對邊坡穩(wěn)定性進行初判。根據(jù)規(guī)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(jié)果進行佐證，分析危險滑動面。結(jié)果表明：部分剖面滑動塊體略薄，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但整體來看需要采取加固措施，建議根據(jù)施工過程中開挖揭露地質(zhì)情況及安全監(jiān)測反饋的有關信息，進行動態(tài)設計。

關鍵詞：高邊坡；工程地質(zhì)；極限平衡法；離散單元法；穩(wěn)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(wěn)定性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１４６－１５０，１５７．

我國經(jīng)濟正處于邁向高質(zhì)量發(fā)展的新階段，西部大開發(fā)戰(zhàn)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(guī)模越來越大，工程邊坡越來越高。由于高邊坡變形穩(wěn)定受結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、規(guī)模等因素的影響，其穩(wěn)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(wěn)定性分析。

邊坡穩(wěn)定性研究方法有極限平衡法、極限分析法、數(shù)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(guī)范》（ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 中的方法，可求解安全系數(shù)、評估工程穩(wěn)定性，但不足之處在于難以給出漸進破壞的過程［３－５］ ；數(shù)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(wěn)破壞過程，而且可以給出強度折減系數(shù)來判斷邊坡安全性，但當前研究主要局限于連續(xù)介質(zhì)，大多通過有限元軟件ＡＢＡＱＵＳ 和有限差分軟件Ｆｌａｃ３ｄ實現(xiàn)［６－１０］ 。對于高邊坡而言，由于開挖引起巖體破裂和內(nèi)部斷層裂隙產(chǎn)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(qū)右岸高邊坡為研究對象，綜合應用多種方法進行穩(wěn)定性分析。首先分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的性狀和位置，從定性角度對穩(wěn)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(shù)；最后在離散單元法中引入強度折減，對極限平衡法計算結(jié)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(jù)，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(guī)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(xù)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?；鶐r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(qū)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(wěn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)面組合形成的不穩(wěn)定塊體發(fā)生了垮塌；１０ 月２０ 日，邊坡表層破碎巖土體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)面信息

根據(jù)探洞資料，按照節(jié)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(fā)育４ 組節(jié)理。第①組：３２０° ～３４０°∠６０° ～７０°，節(jié)理面起伏粗糙，充填物質(zhì)以巖屑及石英為主、少量為泥質(zhì)；第②組：３２０°～３４０°∠３０°～５０°，節(jié)理面起伏粗糙，充填物質(zhì)以巖屑及石英為主；第③組：１３０°～１５５°∠７０°～８０°，節(jié)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(jié)構(gòu)面；第④組：１３０°～１５５°∠３０°～６０°，節(jié)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(jié)構(gòu)面信息見表總體來看，第①組和第③組節(jié)理較為發(fā)育。

壩軸線附近開挖揭露結(jié)構(gòu)面ｆｓ０１（見圖２），通過在不同高程對ｆｓ０１ 產(chǎn)狀進行統(tǒng)計，其產(chǎn)狀為３１０°～３３０°∠４５°～６０°，現(xiàn)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(zhì)，從開口線附近至開挖高程２ ６４０．０ ｍ段均有發(fā)育，開挖揭露其延伸長達９０ ｍ。

對于結(jié)構(gòu)面ｆｓ０１ 開挖揭露特征，結(jié)合探洞資料認為，結(jié)構(gòu)面ｆｓ０１ 在高程２ ６３１．０ ｍ 以下可能漸變?yōu)榱严?，但延伸情況不明晰，需根據(jù)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(wěn)定，２ ６３１．０ ｍ以下邊坡支護結(jié)合開挖資料進行動態(tài)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(wěn)定性初判，從圖３（ａ）可以看到結(jié)構(gòu)面交點均位于穩(wěn)定區(qū)，邊坡不存在楔形體破壞。然而，根據(jù)地形地貌及現(xiàn)場情況，對ｆｓ０１、ＰＤ０５ 探洞內(nèi)Ｌ１６ 等第①、②組結(jié)構(gòu)面定性判斷，對邊坡穩(wěn)定不利，故采用大圓分析法初步判斷該組結(jié)構(gòu)面可能存在的滑動破壞［見圖３（ｂ）］，ｆｓ０１、Ｌ１６ 結(jié)構(gòu)面大圓落在可能失穩(wěn)區(qū)之內(nèi)，Ｌ４１ 結(jié)構(gòu)面大圓落在可能失穩(wěn)區(qū)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(cè)臨空。根據(jù)前述穩(wěn)定性初判，邊坡以單一結(jié)構(gòu)面或復合結(jié)構(gòu)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(wěn)定判別及加固措施設計。

３ 邊坡穩(wěn)定極限平衡分析

３．１ 計算方法

《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（ ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 規(guī)定，對于呈塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)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(wěn)定計算。本工程左、右岸邊坡巖體屬塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)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(wěn)定分析計算，該軟件含有多種巖土體本構(gòu)關系，能夠分析所有類型的土質(zhì)、巖質(zhì)、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(shù)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(shù)右岸根據(jù)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(shù)標準見表２。

根據(jù)ｆｓ０１ 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)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(jù)巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)建議值，結(jié)合同類邊坡工程參數(shù)取值，確定計算中采用的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)（見表３）。

３．３ 計算結(jié)果分析

圖４ 給出了剖面１—１ 不同工況計算結(jié)果，可以看到滑動面位置基本一致，說明邊坡穩(wěn)定性由ｆｓ０１ 與Ｌ１６ 結(jié)構(gòu)面的組合決定。其中，正常工況對應的安全系數(shù)為１．２８１，超出規(guī)范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數(shù)為１．１３１，而規(guī)范要求為１．１５０，略小于規(guī)范要求；地震工況對應的安全系數(shù)為０．９３４，而規(guī)范要求為１．０５０，顯然不滿足規(guī)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(nèi)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(shù)為１．０７４，滿足規(guī)范要求。

圖５ 給出了剖面２—２ 不同工況計算結(jié)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(shù)為２．４５８，明顯超出規(guī)范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數(shù)為２．１５５，大幅超出規(guī)范要求的１．１５０；地震工況對應的安全系數(shù)為１．９６７，大大超出規(guī)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(jié)果。其中：正常工況對應的安全系數(shù)為１．３７３，超出規(guī)范要求的１．２００；降雨工況對應的安全系數(shù)為１．２１３，大于規(guī)范要求的１．１５０；地震工況對應的安全系數(shù)為１．０３４，略小于規(guī)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(shù)為１．０８８，滿足規(guī)范要求。

４ 邊坡穩(wěn)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(zhì)力學行為的計算分析軟件。離散介質(zhì)可以定義為連續(xù)介質(zhì)的集合體，連續(xù)介質(zhì)之間則通過非連續(xù)特征發(fā)生相互作用。例如：具有不同巖性的巖塊（連續(xù)體）和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（非連續(xù)特征）兩者構(gòu)成巖體最基本的組成要素，在外力作用下，巖塊表現(xiàn)為連續(xù)介質(zhì)力學行為，巖塊之間則通過結(jié)構(gòu)面（非連續(xù)特征）實現(xiàn)相互作用，當結(jié)構(gòu)面受力超過承載極限時，巖塊即表現(xiàn)為相互剪切、錯動、脫開等破壞現(xiàn)象（具體計算原理可參見文獻［１５］）。

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

４．２ 計算結(jié)果分析

由于剖面２—２ 無須采用加固措施，因此本節(jié)主要針對剖面１—１、３—３ 進行離散單元法穩(wěn)定性分析，對極限平衡法的計算結(jié)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(jié)構(gòu)面向下滑出，強度折減系數(shù)為１．１６０，略小于規(guī)范要求的１．２００；對于地震工況，潛在滑動面沿著頂部和結(jié)構(gòu)面滑出，強度折減系數(shù)為０．８８０，明顯小于規(guī)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(shù)提高至１．０６０，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)面向下滑出，對于正常工況，強度折減系數(shù)為１．３２０，滿足規(guī)范要求的１．２００；對于地震工況，強度折減系數(shù)為０．９９０，小于規(guī)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(shù)提高至１．１５０，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

５ 結(jié)論

１）通過極限平衡法求解安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)剖面１—１降雨工況和地震工況安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，剖面２—２ 正常、降雨及地震工況均滿足規(guī)范要求，剖面３—３ 地震工況安全系數(shù)為１．０３４，略小于規(guī)范要求的１．０５０。

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

３）當２ ６３１．０～２ ６７０．０ ｍ 高程區(qū)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(jié)果均證實邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

４）由于地質(zhì)情況的復雜性，圍巖類型、結(jié)構(gòu)面類型、巖層產(chǎn)狀等存在變異性，因此建議根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況及安全監(jiān)測反饋的有關信息，進行動態(tài)設計。

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【責任編輯 簡 群】