某水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性復(fù)核分析

摘 要：某水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)后邊坡開(kāi)挖支護(hù)完成后，發(fā)現(xiàn)多條裂縫，同時(shí)邊坡埋設(shè)的錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值發(fā)生突變，為確保工程施工和運(yùn)行期的安全，有必要對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。基于邊坡地質(zhì)條件，采用剛體極限平衡法和非線性有限元分析法復(fù)核了邊坡的穩(wěn)定性，分析表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)；邊坡穩(wěn)定性；極限平衡法；有限元分析法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.109

1 工程概況

某水電站是規(guī)劃中該河段的第6級(jí)水電站，工程樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。

根據(jù)工程混凝土澆筑進(jìn)度計(jì)劃，綜合考慮場(chǎng)內(nèi)道路布置和場(chǎng)地條件，在壩址下游約0.5km處臺(tái)地布置混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要承擔(dān)主體工程混凝土的生產(chǎn)任務(wù)。

混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)場(chǎng)平后邊坡開(kāi)挖高程2090～2160m，邊坡開(kāi)挖坡比1：0.1～1：0.3，局部為1：0.75，目前場(chǎng)平工程已完工，待后期承包人進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行其他建安工程施工。為確保工程施工和運(yùn)行期的安全，有必要對(duì)混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

2 混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)邊坡穩(wěn)定復(fù)核分析

2.1 基本地質(zhì)條件

混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)位于山脊處，地形坡度40°～50°，植被零星發(fā)育。巖性主要為三疊系上統(tǒng)新都橋組變質(zhì)粉砂巖，局部夾含炭質(zhì)板巖，地表出露的基巖以弱風(fēng)化為主。地層呈單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀N10～25°W NE∠40～55°，無(wú)區(qū)域性斷層或較大規(guī)模斷層通過(guò)，邊坡發(fā)育有斷層f213、f214、f67-1～f67-4計(jì)6條，帶寬一般5～10cm，延伸中等。場(chǎng)地地下水以基巖裂隙水為主，地下水位埋深約135m，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)位于地下水位以上。

2.2 邊坡監(jiān)測(cè)情況及裂縫開(kāi)展說(shuō)明

在混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)邊坡高程2155m、2030m各布置1套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，在2155m、2140m、2030m、2112m、2100m高程各布置1支錨桿應(yīng)力計(jì)，在2130m高程布置1臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)。

混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)場(chǎng)平工程完工后，邊坡發(fā)現(xiàn)了多條裂縫，寬1～3cm，延伸一般2～3m；邊坡自開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)，各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)一直較為穩(wěn)定，且測(cè)值均較小。5個(gè)月后，錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值發(fā)生突變，錨索測(cè)力計(jì)測(cè)值略微減小。其中斷面上不同高程5支錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值發(fā)生突變，變化量在6.35～119.22MPa之間，測(cè)值增加的幅度從上向下遞減，上部錨桿受力較大，下部受力相對(duì)較小；多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值變化量0.42～1.48mm。目前各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已趨于平穩(wěn)。

2.3 穩(wěn)定復(fù)核分析

（1）潛在破壞模式。綜合混凝土系統(tǒng)邊坡地質(zhì)條件分析，邊坡整體穩(wěn)定狀況良好，其局部變形破壞主要是受結(jié)構(gòu)面組合塊體的滑動(dòng)破壞。

（2）計(jì)算方法及剖面。系統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法主要采用剛體極限平衡法和非線性有限元分析法，采用與開(kāi)挖邊坡垂直的1剖面進(jìn)行穩(wěn)定分析（圖1）。

（3）邊坡級(jí)別和計(jì)算工況。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，將系統(tǒng)邊坡定為A類(lèi)Ⅱ級(jí)邊坡，采用持久狀況、短暫狀況進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，其中持久和短暫狀況設(shè)計(jì)安全系數(shù)分別為1.25和1.15。

（4）計(jì)算成果。1）極限平衡法。通過(guò)極限平衡法計(jì)算，邊坡二維滑動(dòng)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

根據(jù)邊坡斷層發(fā)育情況分析，f67-4與f213、 f67-4與f67-2 、f67-4與f214切割形成組合塊體，其在持久狀況下赤平投影法計(jì)算結(jié)果分別為：2.289、1.631和3.016，三維楔形體極限平衡法計(jì)算結(jié)果分別為：2.255，1.60和2.97，安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2）有限元分析計(jì)算.①邊坡開(kāi)挖后邊坡開(kāi)挖面存在回彈位移，最大回彈量在4.42mm左右；②各開(kāi)挖平臺(tái)由于卸荷回彈出現(xiàn)拉應(yīng)力增量，最大拉應(yīng)力增量達(dá)到704kPa，該拉應(yīng)力有助于結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)與發(fā)展，對(duì)局部穩(wěn)定性影響較大，可導(dǎo)致淺部節(jié)理巖體的松動(dòng)或滑塌；③開(kāi)挖支護(hù)后，錨桿應(yīng)力最大在24MPa左右，換算成2.5m間距為60MPa；④2120m高程平臺(tái)料倉(cāng)加載后，荷載將在該平臺(tái)產(chǎn)生0.29mm的位移增量及39kPa的壓應(yīng)力增量，同時(shí)在平臺(tái)后緣產(chǎn)生23kPa的拉應(yīng)力增量，對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定不利，同時(shí)錨桿應(yīng)力增加931kPa，換算成2.5m間距為2.4MPa；⑤邊坡開(kāi)挖及加載后未出現(xiàn)大面積的塑性連通區(qū)域，僅在斷層f213、f214內(nèi)部產(chǎn)生了部分塑性區(qū)域，邊坡發(fā)生大規(guī)模塑性失穩(wěn)的可能性較小。

（5）計(jì)算結(jié)論。

1）通過(guò)典型斷面1、2的二維極限平衡法計(jì)算可以看出，邊坡在各工況下最小安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定的安全裕度，不會(huì)產(chǎn)生沿?cái)鄬影l(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。

2）通過(guò)赤平投影法及三維楔形體極限平衡法計(jì)算可知，三維情況下各斷層切割形成的大型塊體穩(wěn)定條件較好，安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求。

3）各斷層節(jié)理交棱線傾向與開(kāi)挖邊坡向相同，傾角小于開(kāi)挖坡角，卸荷情況下，有可能產(chǎn)生滑動(dòng)，但規(guī)模小，多為切割小塊體，通過(guò)支護(hù)設(shè)計(jì)可以確保穩(wěn)定，同時(shí)不會(huì)對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生主要影響。

4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突變以及裂縫出現(xiàn)成因初步分析：①錨桿應(yīng)力計(jì)呈突變型增長(zhǎng)，錨索應(yīng)力計(jì)應(yīng)力反而減小，可以推測(cè)邊坡發(fā)生淺部變形的可能性較大，錨桿應(yīng)力的的增大可能由于錨索預(yù)應(yīng)力引起，由有限元分析發(fā)現(xiàn)，錨桿應(yīng)力開(kāi)挖支護(hù)后正常應(yīng)力在60MPa左右，而實(shí)測(cè)應(yīng)力最大達(dá)到112MPa，遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算值，該部分差值并非由于開(kāi)挖卸荷引起。② 分析發(fā)現(xiàn)裂縫走向與邊坡揭露的結(jié)構(gòu)面走向存在較大關(guān)聯(lián)性，且有多組結(jié)構(gòu)面傾向NE，開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致邊坡原有壓應(yīng)力釋放，原本壓緊的結(jié)構(gòu)面受拉應(yīng)力增量影響張開(kāi)、發(fā)展并暴露，而錨索施加力的方向?qū)吰掠绕涫墙Y(jié)構(gòu)面附近巖體相當(dāng)于偏心受壓狀態(tài)，且預(yù)應(yīng)力錨索噸位達(dá)到100t級(jí)別，致使靠近錨索受力點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)面壓緊而遠(yuǎn)離受力點(diǎn)位置張開(kāi)，導(dǎo)致邊坡裂縫的出現(xiàn)，其受力示意圖見(jiàn)圖2。

3 結(jié)論和建議

（1）通過(guò)分析計(jì)算，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定裕度，各工況下均不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。

（2）混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)主要是考慮施工期的邊坡穩(wěn)定，由于距離樞紐建筑均有一定距離，工程永久運(yùn)行期影響較小。

（3）在混凝土系統(tǒng)進(jìn)行建安工程施工時(shí)，要求承包人在施工過(guò)程中做好爆破控制等相關(guān)工作。

（4）系統(tǒng)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)，在觀測(cè)數(shù)據(jù)有異常變化時(shí)及時(shí)加以分析確認(rèn)，必要時(shí)增加錨固措施，從而確保施工運(yùn)行期的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析-原理.方法.程序[M].北京：中國(guó)水電出版社，2005.

[2]鄭穎人，趙尚毅.巖土工程極限分析有限元及其應(yīng)用 [J].土木工程學(xué)報(bào)，2005（01）：91-98.

[3]冉光靜.大渡河金川水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口高邊坡穩(wěn)定性研究[D].成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009（06）.

[4]中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.雅礱江楊房溝水電站可行性研究報(bào)告[R].2012.

作者簡(jiǎn)介：張俊林（1985-），男，湖北廣水人，本科，工程師，主要從事水電工程地質(zhì)勘察和研究工作。