旭龍水電站石料場高陡邊坡分級開挖模擬

陳曦 喻文振 彭春林 熊新宇 何為 羅立哲

摘要：金沙江旭龍水電站徐龍石料場開采高度高達280 m，距大壩等重要水工建筑物較近，為分析在不同開挖步下，該料場高陡巖質(zhì)邊坡的變形及穩(wěn)定性特征，建立了料場分級開挖有限元模型。結(jié)果表明：① 徐龍料場開采過程中邊坡變形較大區(qū)域由原坡腳向開挖新形成的坡腳不斷變化；② 隨著開挖的進行，徐龍石料場最大主應(yīng)變較大區(qū)域發(fā)生“分岔”，最不利滑動圓弧由原邊坡坡腳逐漸移動至開挖新形成的坡腳處；③ 不同開挖步下的徐龍石料場整體穩(wěn)定性滿足要求。研究成果可以為類似的石料場邊坡分級開挖穩(wěn)定性分析提供參考。

關(guān)鍵詞：石料場； 高陡巖質(zhì)邊坡； 分級開挖； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV223

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.012

文章編號：1006-0081（2024）05-0066-06

0 引言

料場是水電站大壩澆筑的重要骨料來源。為提高開采利用率、減小用地面積，水電工程料場邊坡通常較為高陡［1-2］。目前國內(nèi)關(guān)于水電工程料場的研究多關(guān)注料場的開采規(guī)劃，例如石清文［1］根據(jù)優(yōu)先利用回采料的原則，分析了枕頭壩二級水電站料源規(guī)劃；尹岳降等［2］以白鶴灘水電站為例，提出了基于分形理論的人工骨料比表面積計算方法；宋寅［3］采用有限元方法分析了猴子巖水電站色龍溝料場邊坡穩(wěn)定性；徐敬武等［4］基于大崗山水電站，研究了棱子壩人工骨料場儲量情況；沈貴基等［5］研究了爆破對錦屏一級水電站大奔流溝料場開采的影響；劉大顯等［6］分析了大奔流溝料場高邊坡錨索錨固力增大的原因。但是，現(xiàn)有的研究更注重實際工程的應(yīng)用，而較少考慮分級開挖過程中的受力與變形特征及其對料場邊坡穩(wěn)定性的影響［7-10］。

金沙江上游旭龍水電站徐龍石料場為典型花崗巖料場，邊坡開采高度達280 m，為典型高陡巖質(zhì)邊坡。不同于一般的巖質(zhì)邊坡，徐龍石料場邊坡具有一定的特殊性：① 受開采、征地范圍限制影響，料場較為高陡；② 料場邊坡整體穩(wěn)定性受開挖過程影響，在不同的開挖步，邊坡相應(yīng)的安全系數(shù)不同并隨開挖過程不斷發(fā)生變化。徐龍料場邊坡一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，極有可能造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)、經(jīng)濟損失。本文以徐龍石料場為例，建立高陡巖質(zhì)邊坡有限元模型，分析開挖過程中料場邊坡變形及穩(wěn)定性特征，為料場邊坡安全施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況及地質(zhì)條件

徐龍石料場（圖1）位于金沙江旭龍水電站壩址區(qū)上游約700 m處的徐龍溝附近，料場巖性以花崗巖為主，料場開采區(qū)投影面積8.51萬m2，開采總量549萬m3，剝離量117.25萬m3，花崗巖有用料開采量431.75萬m3，主要為旭龍水電站混凝土拱壩澆筑提供骨料來源。料場邊坡開口線頂部高程約為2 510 m，設(shè)計終采高程為2 230 m，邊坡開采高度達280 m，遠(yuǎn)高于GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》適用的巖質(zhì)邊坡高度上限（30 m），為典型高陡巖質(zhì)邊坡。徐龍石料場毗鄰大壩上游2號索道橋（溝通左右岸的重要交通樞紐），下距高、低導(dǎo)流洞入口、截流圍堰約400 m。料場表面覆蓋層厚度約5～15 m，由于料場與截流備料場分居金沙江左右岸，一旦產(chǎn)生崩塌有可能形成高危堰塞湖，從而威脅下游圍堰、大壩等水工建筑物安全。根據(jù)SL 386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，料場邊坡破壞對周圍重要水工建筑物影響較大，邊坡級別確定為1級。

徐龍石料場為順江發(fā)育的單面山體，屬高中山地貌（圖2）。金沙江流向SE140°，枯季江水位2 160 m左右；高程2 170～2 190 m為江邊一級階地，寬度20～80 m；高程2 190～2 400 m為陡崖，坡度65°～80°，其上為地形坡度35°左右的斜坡，局部為高20 m左右的陡坎，直至山頂，山頂高程3 900 m左右。

料場內(nèi)地層由第四系沖洪積物（Qpal）和三疊紀(jì)印支期侵入的花崗巖（γ15）組成。第四系沖洪積物（Qpal）分布在山坡腳與江邊之間的緩坡上，為一級階地，其物質(zhì)成分為含碎塊石、漂石、粉砂質(zhì)黏土夾花崗巖碎屑，厚度一般為20～30 m?；◢弾r（γ15）呈灰白色或淺灰色，主要礦物為角閃石、長石和石英，多為中細(xì)粒、少量中粗粒和細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅硬?；◢弾r內(nèi)夾有少量灰黑色混合巖，呈條帶狀、角礫狀、腸狀等不規(guī)則狀分布。根據(jù)巖礦試驗成果，區(qū)內(nèi)花崗巖根據(jù)巖石礦物成分又可進一步分為蝕變石英閃長巖、花崗閃長巖、斜長角閃巖、石英閃長巖、斜長花崗巖、角閃片麻巖以及黑云母花崗巖等。地表花崗巖一般呈微風(fēng)化狀，偶見有弱風(fēng)化帶，弱風(fēng)化帶不連續(xù)，厚度為2.0～10.0 m。

2 有限元模型

徐龍石料場開挖共形成13級馬道，相鄰兩級馬道高差為15 m，高程2 305 m以上單級邊坡一般坡比為1∶0.25；坡頂層卸荷帶邊坡坡比為1∶0.5；高程2 305 m以下單級邊坡坡比為1∶0.3?？紤]邊坡支護施工便利，大部分馬道寬為3 m；高程2 410 m的馬道加寬至10 m，并設(shè)置一道被動防護網(wǎng)；高程2 305 m馬道加寬至8 m，作為料場后期安全巡視平臺。開挖邊坡的支護在分層開挖過程中逐層進行，上層支護保證下層開挖安全。根據(jù)上述要求，本文建立徐龍石料場邊坡有限元模型如圖3（a）所示。由于開挖過程中馬道從上至下逐級形成，故將料場開采分為13級開挖體。由于開挖體體型較不規(guī)則，采用有限元軟件Abaqus四面體一階線性單元對邊坡進行網(wǎng)格劃分，并對開挖體附近進行局部網(wǎng)格加密，得到共計約12萬個四面體單元，見圖3（b）。

強度折減法是分析邊坡穩(wěn)定性的常用手段。強度折減法認(rèn)為影響邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)主要是黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，通過不斷調(diào)整折減系數(shù)反復(fù)計算，直至其達到臨界破壞，得到的折減系數(shù)即為穩(wěn)定性系數(shù)Fs。假設(shè)此時黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為ccr和φcr，由于邊坡處于臨界狀態(tài)，所對應(yīng)的安全系數(shù)Kcr=1，則原始邊坡對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)Fs可由式（3）求得。

式中：φ和φ′分別為折減前后的內(nèi)摩擦角；c和c′分別為折減前后的黏聚力；Fi為i折減時步對應(yīng)的折減系數(shù)；K為邊坡安全系數(shù)；c0和φ0分別為初始黏聚力和初始內(nèi)摩擦角。

有限差分軟件FLAC3D采用強度折減法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。將建立的開挖體模型和劃分的網(wǎng)格單元導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D，進行邊坡穩(wěn)定性分析。錨桿采用結(jié)構(gòu)性錨索（Cable）單元進行模擬，上一級邊坡開挖完成后施加邊坡錨桿支護，按照“一挖一支護”依次進行。料場巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，料場邊坡邊界條件為：離坡面較遠(yuǎn)的后緣側(cè)和底部垂直于邊界法向方向的位移為0。根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果，該料場以單一花崗巖為主，巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

邊坡開挖穩(wěn)定性計算前，首先進行地應(yīng)力平衡。初始地應(yīng)力平衡結(jié)果如圖4所示。開挖過程采用生死單元進行模擬，每開挖一級，對開挖體進行“挖除”操作。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 料場邊坡分段開挖位移演化特征

圖5為不同開挖步對應(yīng)的徐龍石料場邊坡分級開挖及支護位移云圖，紅色為邊坡變形較大區(qū)域，顏色越深，邊坡位移越大。前9個開挖步，邊坡位移較大區(qū)域靠近坡腳，和臨空面相交（對應(yīng)的料場開采高程為2 450～2 320 m）；第10個開挖步（對應(yīng)的開采高程為2 320 m）后，各開挖步邊坡位移較大區(qū)域穿過開挖形成的新的坡腳。因此，在料場開采過程中，邊坡變形特征逐漸發(fā)生變化，變形較大區(qū)域由原坡腳逐漸轉(zhuǎn)至開挖新形成的坡腳。

圖6為開挖區(qū)位移云圖（已扣除地應(yīng)力平衡產(chǎn)生的位移）。隨著開挖的進行，開挖擾動區(qū)的范圍不斷增大。前7個開挖步，開挖區(qū)下部變形擾動范圍較上部變形擾動區(qū)范圍大；后5個開挖步，開挖區(qū)上部土體變形擾動范圍較下部擾動范圍大。開挖形成的平臺處擾動位移量最大。

3.2 料場邊坡分段開挖及支護最大主應(yīng)變演化特征

圖7為不同開挖步料場邊坡最大主應(yīng)變云圖。料場邊坡最大主應(yīng)變區(qū)域可以近似視為邊坡滑動最不利圓弧滑動位置。與圖6所反映的結(jié)果類似，前9個開挖步最大主應(yīng)變較大區(qū)域通過料場邊坡坡腳，這表明最不利滑動圓弧也通過邊坡坡腳，和邊坡的典型破壞特征相吻合。隨著開挖的進行，第10個開挖步和第11個開挖步最大主應(yīng)變較大區(qū)域發(fā)生“分岔”現(xiàn)象，其最不利滑動圓弧分別通過原邊坡坡腳和開挖新形成的坡腳處，表明邊坡整體穩(wěn)定性由新開挖形成的坡腳控制。

3.3 料場邊坡分段開挖穩(wěn)定性系數(shù)

圖8為采用有限元強度折減法計算的第2個開挖步到第13個開挖步邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FOS（考慮到第一個開挖步開挖量較小故暫不展示）。邊坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢見圖9。在料場開采過程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并非隨著開挖的進行呈單調(diào)增大或減小，而是有一定波動。前5個開挖步，邊坡開挖量相對較小，穩(wěn)定性系數(shù)在2.16左右，變化較??；第6～8個開挖步，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有一定增加（最大為2.19），這可能是由于料場前期開挖造成下滑力減小量大于抗滑力減小量；第9個開挖步到第13個開挖步，料場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由2.17逐漸降低為1.91，表明開挖引起的下滑力減小量逐漸小于抗滑力減小量。因此，應(yīng)當(dāng)重點對后4個開挖步進行邊坡變形監(jiān)測?？傮w來看，開挖過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范所要求的臨界值，邊坡整體安全。

4 結(jié)論

本文采用有限差分軟件FLAC3D計算了不同開挖階段金沙江上游旭龍水電站徐龍石料場邊坡變形及穩(wěn)定性特征，主要結(jié)論如下。

（1） 徐龍石料場開挖過程中，最不利滑動圓弧由原坡腳逐漸向新生成的坡腳移動，邊坡整體穩(wěn)定性由原坡腳控制逐漸變?yōu)橛尚麻_挖形成的坡腳控制，開挖擾動范圍不斷增大。

（2） 徐龍石料場開采過程中穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求，應(yīng)當(dāng)重點對后4個開挖步進行邊坡變形監(jiān)測。料場邊坡發(fā)生整體滑移失穩(wěn)可能性較小，整體穩(wěn)定性較好，對周圍臨建水工建筑物影響也較小。

（3） 徐龍石料場邊坡開挖過程中邊坡變形特征不斷變化，邊坡下挖時應(yīng)加強監(jiān)測預(yù)警，并及時與數(shù)值分析結(jié)果進行比較。

參考文獻：

［1］石清文.枕頭壩二級水電站料源規(guī)劃分析［J］.人民長江，2022，53（增2）：89-91.

［2］尹岳降，朱子晗，盧文波，等.基于分形理論的人工骨料比表面積計算方法——以白鶴灘水電站為例［J］.人民長江，2020，51（4）：196-201.

［3］宋寅.猴子巖水電站色龍溝料場邊坡穩(wěn)定性分析［J］.人民長江，2015，46（增1）：145-147.

［4］徐敬武，鄧忠文，吳灌州.大崗山水電站棱子壩人工骨料場勘察［J］.人民長江，2014，45（22）：40-42.

［5］沈貴基，彭義，孫明瑞.錦屏一級水電站大奔流溝料場開采爆破技術(shù)［J］.人民長江，2013，44（14）：66-68，83.

［6］劉大顯，孫云志，陜碩.大奔流溝料場高邊坡錨索錨固力增大原因分析［J］.人民長江，2013，44（14）：18-21.

［7］李勤軍，鄢雙紅.大奔流溝料場高邊坡支護設(shè)計研究與實踐［J］.人民長江，2013，44（14）：22-25.

［8］何楊，張志強，向勇.李家?guī)r水庫導(dǎo)流泄洪放空洞進水口邊坡支護方案三維有限元模擬［J］.水利水電快報，2023，44（12）：48-53.

［9］陳紅如，李堅，李冬冬，等.滇中引水石鼓水源工程強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析與治理［J］.水利水電快報，2023，44（11）：64-72.

［10］姚行.楊房溝水電站大壩邊坡壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索張拉驗收試驗研究［J］.水利水電快報，2023，44（增1）：47-50.

編輯：高小雲(yún)

Simulation on staged excavation of high and steep quarry slope of Xulong Hydropower Station

CHEN Xi1，YU Wenzhen1，PENG Chunlin2，XIONG Xinyu1，HE Wei1，LUO Lizhe1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.China South-to-North Water Diversion Jianghan Water Network Construction and Development Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China）

Abstract：

The mining height of Xulong quarry of Xulong Hydropower Station in the Jinsha River is up to 280 m，which is close to the dam and other important hydraulic structures.A finite element model of staged excavation of the quarry slope was established to analyze the deformation and stability characteristics of the high and steep slope under different excavation steps.The results showed that：① In the mining process of Xulong quarry，the large deformation area of the slope gradually changes from the original slope foot to the newly formed slope foot.② With the progress of excavation，bifurcation occured in the large maximum principal strain area of Xulong quarry，and the most unfavorable sliding arc gradually moved from the original slope foot to the newly formed slope foot.③ The overall stability of Xulong quarry met the requirements under different excavation steps.The research results can provide a reference for stability analysis of staged excavation of slope for similar rock quarry.

Key words：

quarry； high and steep rock slope； staged excavation； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-13

基金項目：長江設(shè)計集團自主科研項目（CX2017Z32）

作者簡介：陳曦，男，工程師，博士，主要從事水利水電工程施工組織設(shè)計及研究工作。E-mail：chenxi5@cjwsjy.com.cn

通信作者：喻文振，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工組織設(shè)計及研究工作。E-mail：yuwenzhen@cjwsjy.com.cn