某水電站壩肩工程邊坡穩定性三維數值模擬分析

周 偉，韓愛果，任光明，羅 軼，馬 宇

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

0 引 言

隨著水電建設的發展，水電工程中邊坡規模越來越大，工程地質條件日趨復雜，工程邊坡的穩定性評價趨于重要。壩肩工程邊坡的巖土體穩定性分析是水電站大壩設計、施工和運行的首要問題[1]，目前邊坡穩定性分析方法主要有剛體極限平衡法、有限元法[2-4]、離散元法[5]、界面元法、不連續體變形分析、數值流形法和有限差分法等，運用這些計算方法對水電站壩肩高邊坡開挖的三維數值模擬研究[6-8]，也促進高邊坡穩定性的模擬研究。

工程邊坡的穩定性受多種因素影響，地形地貌是河谷下切和坡體隆起抬升等綜合作用的產物，間接反映邊坡的歷史形成過程；巖性條件是決定邊坡穩定性重要因素；地質構造斷裂的發育程度是決定坡體巖體結構、完整性程度及巖體質量的因素之一，風化深度影響邊坡巖體參數的變化等，這些影響因素不是獨立存在，而是相輔相成，相互作用的。本文試圖通過現場調查并結合三維數值模擬，對壩肩工程邊坡穩定性進行綜合分析，為邊坡安全開挖和治理提供依據。

1 工程地質條件

該水電站工程位于四川省甘孜藏族自治州境內，壩型為面板堆石壩，設計最大壩高110 m，水庫正常蓄水位為2 850.0 m，總裝機容量240 MW，屬Ⅲ等中型工程。壩肩位置為不對稱的“V”型河谷，兩岸山體高出河水面250 m以上，岸坡平均坡度30°～50°，拔河高度在300 m左右。兩岸壩肩邊坡總體坡面較為平整，山體雄厚，地形規則完整，沖溝不發育。邊坡出露基巖巖性為三疊統侏倭組(T3zh)變質砂巖夾板巖 ，巖質堅硬，巖層產狀 NW330°/NE ∠55°，層面較發育；邊坡第四系覆蓋層主要分布于坡表緩坡部位和坡腳部位，厚度不大，河床堆積層發育深度在25 m～33 m。在右岸壩肩下游發育一堆積體，堆積體厚度較大。壩肩部位巖體中隨機結構面較發育，其優勢結構面的產狀主要有以下三組:①NW322°～336°/NE ∠48°～ 67°，②NW347°～ NE17°/SW ～NW∠21°～ 33°，③NE70°～83°/SE ∠48°～56°。地下水埋藏較深，對邊坡穩定性影響較小。

壩址區工程地質平面圖和剖面圖如圖1、圖2。

圖1 壩址區工程地質平面圖

圖2 壩軸線工程地質剖面圖

2 壩肩邊坡巖體工程特性及穩定性定性評價

根據巖體風化帶劃分標準，結合勘探鉆孔資料知左岸壩肩邊坡風化巖體發育深度在32.9 m～44.6 m之間，右岸壩肩風化帶發育深度在43.0 m～67.1 m之間，邊坡總體風化程度較大。邊坡巖體以完整性差～較完整為主。邊坡主要為層狀巖體，通過對巖體的層面間距和裂隙間距調查，按巖層面間距和裂隙間距綜合分析，壩肩邊坡巖體結構類型主要為中厚層狀～互層狀結構，局部出現厚層狀結構和薄層狀結構。結合邊坡巖體的風化特征、巖體結構特征、巖石強度、巖體完整性指標、結構面性狀、地下水等研究的基礎上，采用RMR和CSMR法對邊坡巖體質量進行分級，分級結果表明，左右岸壩肩邊坡巖體質量以Ⅲ類巖體為主，壩肩邊坡巖體質量較好。

綜上，得出壩肩工程邊坡穩定性定性評價:壩肩邊坡巖體較完整，巖體質量較好，邊坡整體處于穩定狀態?？傊瑝渭绻こ踢吰碌恼w穩定性較好。

3 三維數值模擬模型的建立

本次模擬分析采用美國ITSACA顧問有限公司開發的連續介質三維快速拉格朗日法(FLAC3D)分析軟件作為計算程序。采用非線性彈塑性本構模型，研究工程邊坡在天然工況下和開挖工況下的應力場、位移場以及塑性破壞區的發育演化規律。

3.1 計算模型及網格劃分

在充分的地質條件調研基礎上，將工程地質體進行概括。該工程邊坡三維分析模型計算范圍垂直河谷方向取500 m，順河谷方向取400 m，其中壩軸線位于中心線X=200 m，底部高程取2 500 m。區內斷裂不發育，模型中主要涉及微新巖體、風化巖體和覆蓋層等3種不同介質類型，具體參數取值詳見表1，計算采用摩爾-庫倫屈服條件準則彈塑性本構模型，網格劃分嚴格按照巖體類別進行剖分，共計剖分60 468個節點，341 515個單元，三維計算網格模型見圖3。

圖3 三維計算模型

計算區域各邊界均取法向位移約束，計算模型坐標系定義為:①X軸:由上游水平指向下游方向為正(南東向)；②Y軸:由右岸水平指向左岸方向為正(北東向)；③Z軸:底高程指向高高程為正，且與X和Y軸垂直。將模型X方向、Y方向和Z方向的底部約束，邊坡表面為自由表面。

3.2 模型計算參數的選取

計算模型的參數選取是根據邊坡工程地質調查和現場試驗和室內試驗成果，并參照相關類似地質條件工程計算參數等綜合評價給出，見表1。

4 三維數值模擬計算結果分析

分兩個階段進行計算，第一階段為開挖前邊坡的初始應力場模擬，第二階段為邊坡開挖的應力-位移場計算。

4.1 自然邊坡初始應力場特征

根據前述資料和材料參數計算模型，得到工程區壩軸線剖面自然邊坡初始應力場特征，計算結果表明，壩肩巖體初始應力場的分布較穩定，坡體內最大主應力為壓應力，最大量值為9.38 MPa；最小主應力主要以壓應力為主，最大量值2.74 MPa，在坡體表部分布局部的拉應力。總體來說，主應力隨深度變化符合一般河谷的應力場規律，坡體基本為壓應力，具有從坡面往下增大，從坡體內部往外逐漸減小的特征。

表1 巖土體物理力學參數取值表

4.2 壩肩邊坡開挖后應力-位移場特征

4.2.1 應力場分析

邊坡表部局部風化巖體、覆蓋層和河床堆積物開挖清除后，邊坡的開挖改變了巖體的原始應力狀態，通過計算得到開挖邊坡后巖體應力場特征(見圖4、圖5)，壩肩邊坡最大主應力和最小主應力均有所減小，變化范圍介于0.1 MPa～0.3 MPa。最大主應力無明顯拉應力分布，邊坡表部的最大主應力量值為1.0 MPa～3.0 MPa。最小主應力主要為壓應力，坡表局部出現拉應力，相對開挖前拉應力分布區有所減少，量值為0.1 MPa左右。

圖4 壩軸剖面開挖后最大主應力分布云圖

4.2.2 位移場分析

圖6顯示了工程開挖后沿壩軸線剖面的總位移矢量分布圖，由圖6可知，邊坡開挖后，伴隨應力重新分布，河床開挖巖體卸荷回彈，邊坡表部產生了局部的位移變化。左岸邊坡的位移變化相對右岸邊坡小，左岸邊坡高高程部位由于第四系覆蓋層穩定性較低，所以產生了較大位移，其值為15 cm～23 cm，開挖邊坡部位位移變化介于5 mm～7.5 mm；右岸邊坡相對位移較大，量值為5 mm～10 mm；河谷地區位移值相對較大，量值為10 mm～20 mm。

圖5 壩軸剖面開挖后最小主應力分布云圖

4.2.3 塑性區分析

壩肩邊坡開挖后計算得到壩軸剖面開挖后塑性屈服區分布云圖如圖7，由圖7可知，壩肩邊坡開挖后除左岸邊坡高高程部位和河谷地區有塑性屈服區分布，且張剪破壞均有分布，其它部位均無塑性屈服區分布。

圖6 壩軸剖面開挖后位移云圖

圖7 壩軸剖面開挖后塑性屈服區分布云圖

由以上計算結果分析可知，邊坡開挖后向臨空面產生回彈卸荷變形，邊坡開挖面附近位移較小，由于對河床覆蓋層開挖厚度較大，在河床部位出現較大的卸荷回彈位移；邊坡開挖后塑性區僅存在于左岸邊坡高高程部位和河谷地區，壩肩邊坡整體穩定性較好。

根據分析和計算結果表明，壩肩工程邊坡整體穩定性較好，邊坡開挖沒有明顯的應力集中，開挖邊坡最小主應力在坡表存在局部的拉應力，開挖引起的變形較小；對邊坡零星分布小規模覆蓋層，穩定性較低，需對其進行清坡處理或者布設防護網?？傊?，該邊坡整體處于穩定狀態。

5 結 論

(1)通過對工程區地質背景、巖體結構特征、完整性程度和巖體質量特征的綜合分析，壩肩工程邊坡穩定性定性評價:該工程邊坡整體處于穩定狀態。

(2)通過模擬壩肩邊坡開挖的三維數值模擬計算分析，邊坡開挖之后，最大主應力和最小主應力相應減小。在邊坡開挖過程中無明顯的應力集中現象，主應力主要為壓應力為主，邊坡開挖后拉應力分布區有所減小。

(3)邊坡開挖后變形主要集中在開挖面附近的淺表層部位，開挖面附近位移量較小，左岸邊坡相比右岸邊坡變形小。開挖邊坡整體變形較小，壩肩邊坡在開挖施工過程中整體穩定性較好。

(4)邊坡開挖后，左岸邊坡高高程部位產生較大變形，發育較大塑性屈服區，建議對其采取清坡護坡或布設防護網等處理措施。

綜合分析得出如下結論:整個壩肩開挖邊坡整體處于穩定狀態，邊坡總體穩定性較好。

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