長(zhǎng)龍山水電站蓄水對(duì)天荒坪水電站下庫(kù)邊坡穩(wěn)定的影響★

田 偉 沈 浩 楊 波 陳 剛 史照德 肖治民 程 毅 孫 磊

(1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 杭州 313300；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014； 3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 概述

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內(nèi)，電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、地下廠房、輸水系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)站等組成。電站總裝機(jī)容量1 800 MW，屬一等大(1)型工程。上水庫(kù)正常蓄水位905.20 m，總庫(kù)容919.2萬(wàn)m3；下水庫(kù)正常蓄水位344.50 m，相應(yīng)庫(kù)容859.56萬(wàn)m3。該水電站已于2001年10月通過(guò)工程竣工安全鑒定。在建的長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站上水庫(kù)，與已建成的天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)隔河相對(duì)；且下水庫(kù)壩址距天荒坪下水庫(kù)大壩壩址約2.9 km。長(zhǎng)龍山下水庫(kù)在正常蓄水位情況下，天荒坪水電站大部分地下廠房洞室群均位于長(zhǎng)龍山蓄水庫(kù)正常水位以下。因此，研究長(zhǎng)龍山水電站正常蓄水對(duì)天荒坪水電站邊坡的穩(wěn)定性影響十分必要。

由于特殊的位置關(guān)系及受力條件，天荒坪水電站下水庫(kù)邊坡變形與穩(wěn)定問(wèn)題是影響水庫(kù)安全運(yùn)行與否的重要因素。目前，眾多學(xué)者已對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛深入的研究。劉沐宇等[1]基于模糊相似優(yōu)先的概念，建立了以往的邊坡范例與當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)推理關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。楊志法等[2]針對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與臨空面之間的幾何條件，提出了坐標(biāo)投影作圖法，以分析邊坡的穩(wěn)定性。鄭文曉等[3]采用赤平投影分析法和量化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)表分別對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并比較了兩者優(yōu)缺點(diǎn)。Matsui等[4]將Zienkiewicz提出的邊坡失穩(wěn)計(jì)算方法定義為強(qiáng)度折減法，并分析了傳統(tǒng)常規(guī)邊坡穩(wěn)定分析法與強(qiáng)度折減法安全系數(shù)之間的關(guān)系。Chen Tao等[5]通過(guò)分析松散巖體斜坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及裂縫發(fā)展與擴(kuò)展成因，探討了邊坡穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上提出了超長(zhǎng)錨索加固邊坡的方法，使邊坡穩(wěn)定性得到保障。李建林等[6]采用試算迭代方法，分離建模與迭代試算聯(lián)合使用，分析了邊坡與壩體之間的相互作用。姚顯春等[7]構(gòu)建基于洞室群開(kāi)挖對(duì)已有邊坡的穩(wěn)定性影響分析方法，得到了邊坡整體安全系數(shù)的評(píng)價(jià)公式，并討論了其安全系數(shù)的變化規(guī)律。Ajay Kumar等[8]通過(guò)邊坡穩(wěn)定雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了邊坡實(shí)時(shí)測(cè)量，并設(shè)定了邊坡失穩(wěn)的預(yù)警閥值。

本文針對(duì)天荒坪水電站下水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，采用ABAQUS軟件，進(jìn)行了長(zhǎng)龍山水電站蓄水前后下水庫(kù)邊坡的數(shù)值計(jì)算，分析了下水庫(kù)邊坡的應(yīng)力、塑性應(yīng)變及塑性區(qū)分布變化規(guī)律，從而探討下水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)天荒坪水電站的下水庫(kù)進(jìn)行建模，分析在長(zhǎng)龍山水電站正常蓄水之后，對(duì)既已存在的天荒坪水電站下水庫(kù)邊坡穩(wěn)定的影響，并根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化模型。根據(jù)天荒坪水電站設(shè)計(jì)圖紙的實(shí)際尺寸(如圖1所示)，對(duì)下水庫(kù)建立比例為1∶1的有限元幾何模型，運(yùn)用平面應(yīng)變的簡(jiǎn)化算法建立下水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)剖面的二維模型，如圖2所示。

3 數(shù)值模型設(shè)置

1)模型材料參數(shù)。

由于邊坡壩體主要采用碾壓堆石材料，因此采用ABAQUS材料庫(kù)中適合巖石土體材料的Drucker-Prager本構(gòu)模型對(duì)壩體進(jìn)行模擬，并選擇CPE4R平面單元類(lèi)型進(jìn)行平面應(yīng)變問(wèn)題分析。模擬計(jì)算中，材料密度、彈性模量及泊松比等相關(guān)模型參數(shù)如表1所示。

對(duì)于地基材料模型參數(shù)而言，由于地基材料僅提供支撐及約束邊坡自由度的作用，其對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沒(méi)有過(guò)多的影響，因此采用彈塑性模型來(lái)進(jìn)行模擬分析，模擬設(shè)置的地基材料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 地基材料彈塑性模型參數(shù)

2)模型網(wǎng)格劃分。

對(duì)該有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以四邊形單元為主，防止出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，并有利于計(jì)算不收斂等問(wèn)題，減少分析過(guò)程中的異常報(bào)錯(cuò)幾率，圖3為網(wǎng)格劃分后的數(shù)值模型。

3)模型荷載施加及其邊界條件。

下庫(kù)壩體的受力分為自重和水庫(kù)蓄水的靜水壓力，邊界條件為有邊坡結(jié)構(gòu)固定在地面的固定約束。下庫(kù)壩體自重采用體力的形式施加在整個(gè)壩體上，在ABAQUS中相當(dāng)于施加BODY FORCE，重力加速度為9.8 m/s2；水庫(kù)的靜水壓力隨著水位高度成線性變化，分析中對(duì)下庫(kù)邊坡進(jìn)行滿負(fù)荷工作條件下的模擬，即此時(shí)水位位于設(shè)計(jì)最高水位處，施加的水庫(kù)數(shù)值模型荷載及邊界條件如圖4所示。

4)模型接觸與連接。

下水庫(kù)壩體是在原始巖層的上方采用堆石的方式筑壩，因而需要根據(jù)實(shí)際情況定義壩體和下部巖層之間的接觸關(guān)系。現(xiàn)采用通用接觸的方式，定義邊界面與面之間的接觸。

由于下水庫(kù)壩體和基底之間有粘聚力，因此通過(guò)連接的方式，施加TIE約束，便可以模擬兩種材料之間的聚合關(guān)系。

4 數(shù)值模型計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 模型分析步設(shè)計(jì)

考慮到模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等有限元問(wèn)題，采用隱式分析的方式，即在ABAQUS中添加Static，General類(lèi)型的分析步，并在初始分析步中施加基底約束。

同時(shí)為了避免施加荷載，導(dǎo)致變形過(guò)大，使得單元積分點(diǎn)不收斂，采用分兩步施加載荷：第一步分析步中先施加下庫(kù)壩體的自重載荷，平衡應(yīng)力后，再施加第二步分析步，即施加均布荷載模擬靜水壓力。

為了避免同時(shí)施加荷載，導(dǎo)致變形過(guò)大，使得單元積分點(diǎn)不收斂，因此添加兩步施加荷載：先在第一步分析步中施加下庫(kù)壩體的自重載荷，平衡地應(yīng)力，再添加第二步分析步，施加均布荷載模擬靜水壓力。

4.2 結(jié)果分析

1)數(shù)值模型應(yīng)力云圖分析。

第一步施加下庫(kù)壩體自重后，下水庫(kù)邊坡結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力自上而下逐步變大，等效應(yīng)力云圖如圖5所示。可以看出壩體上部應(yīng)力最小，由于土地應(yīng)力逐漸累加，壩體下部自重應(yīng)力逐漸變大，在三角形壩體頂點(diǎn)下部應(yīng)力最大，且自重應(yīng)力分布較為集中。

進(jìn)入第二個(gè)分析步之后，即對(duì)下庫(kù)壩體側(cè)面邊坡施加靜水壓力，下水庫(kù)邊坡結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，其基底邊角等應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)進(jìn)入塑性區(qū)，堆石材料達(dá)到屈服強(qiáng)度，進(jìn)入塑性變形階段，承載能力下降，等效應(yīng)力云圖如圖6所示。水庫(kù)正常蓄水后，各觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力有變化，但是幅值不大。根據(jù)距離蓄水位置的遠(yuǎn)近不同，變化幅值也有對(duì)應(yīng)的不同。距離蓄水位置較近的點(diǎn)，等效應(yīng)力幅值有小幅變化，但是對(duì)于距離400 m左右，位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)，等效應(yīng)力幾乎沒(méi)有任何變化，這說(shuō)明長(zhǎng)龍山水電站下庫(kù)壩邊坡正常蓄水，對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍，在以下庫(kù)壩為中心的300 m～400 m范圍內(nèi)。若塑性變形過(guò)大，則會(huì)影響邊坡穩(wěn)定，甚至引發(fā)滑坡等嚴(yán)重后果。

由圖6可知，施加靜水壓力后，下水庫(kù)邊坡的應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，尤其在深水位處的坡腳位置，發(fā)生了一定程度的應(yīng)力集中，而且由于坡底位置水壓力最大，坡底的等效應(yīng)力接近2 MPa，故判定整個(gè)結(jié)構(gòu)薄弱位置在邊坡下沿至坡腳處。

2)模型塑性分析。

對(duì)下水庫(kù)模擬施加壩體自重和靜水壓力計(jì)算完畢后，輸出模型累計(jì)的塑形應(yīng)變?cè)茍D與下水庫(kù)邊坡背側(cè)應(yīng)變—時(shí)間曲線，分別如圖7，圖8所示。

由圖7和圖8分析可知，下水庫(kù)邊坡整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)塑性破壞形式，僅在模型邊角集中區(qū)域產(chǎn)生了小范圍的塑性帶，這是由于下水庫(kù)邊坡背面的尖銳邊角而引起的塑性應(yīng)變。同時(shí)，下水庫(kù)背側(cè)等效塑性應(yīng)變隨著計(jì)算時(shí)間的增加而逐漸趨于平緩穩(wěn)定，且塑性應(yīng)變值較小，僅為0.002 5，從而說(shuō)明水庫(kù)背側(cè)變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響較小。

3)模型應(yīng)力分析。

為了對(duì)比分析蓄水前和蓄水后對(duì)下水庫(kù)坡腳處的影響，分別對(duì)蓄水前和蓄水后數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，并監(jiān)測(cè)下水庫(kù)坡腳處的應(yīng)力，繪制出如圖9所示的Von-Mises應(yīng)力—時(shí)間曲線。

由圖9分析可知，在數(shù)值計(jì)算1 s～2 s范圍內(nèi)，蓄水前和蓄水后水庫(kù)坡腳處的等效應(yīng)力較小，且應(yīng)力分布相互重合；在計(jì)算2 s～4 s范圍內(nèi)，蓄水前后的等效應(yīng)力較數(shù)值計(jì)算前期等效應(yīng)力明顯增加，但兩者應(yīng)力大小及分布規(guī)律一致。由此，判定水龍山水電站蓄水對(duì)天荒坪水電站的下水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性無(wú)明顯影響。

5 結(jié)語(yǔ)

由于天荒坪水電站大部分廠房洞室群位于長(zhǎng)龍山水電站正常蓄水位以下，且兩者相距最近處約2.9 km，因此研究長(zhǎng)龍山水電站正常蓄水時(shí)對(duì)天荒坪水電站的影響，具有重要的意義。本文運(yùn)用ABAQUS軟件建立了水庫(kù)1∶1數(shù)值模型，分析了模型Von-Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)變及塑性區(qū)分布特征，研究表明長(zhǎng)龍山水電站正常蓄水后，天荒坪水電站存在小范圍的塑性區(qū)，且下水庫(kù)坡腳處具有一定程度的應(yīng)力集中，但集中度相對(duì)較小；同時(shí)，對(duì)比分析了蓄水前后下水庫(kù)坡腳應(yīng)力分布可知，兩者應(yīng)力大小及分布規(guī)律均相一致。由此判定認(rèn)為長(zhǎng)龍山水電站正常工作，對(duì)天荒坪水電站無(wú)實(shí)質(zhì)影響，從而對(duì)下水庫(kù)坡腳應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)工作即可。

[1] 劉沐宇，朱瑞賡.基于模糊相似優(yōu)先的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范例推理方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002,21(8)：1188-1193.

[2] 楊志法，高丙法，張路青，等.基于坐標(biāo)投影圖解的結(jié)構(gòu)面和塊體的計(jì)算機(jī)描述及其應(yīng)用[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(12):2392-2398.

[3] 鄭文曉，吳 平.圖解法在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2008(3):128-130.

[4] Matsui T.,San K.C..Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique[J].Soils and Foundations,1992,32(1):59-70.

[5] Chen Tao,Deng Jianhui,Sitar Nicholas,etc..Stability investigation and stabilization of a heavily fractured and loosened rock slope during construction of a strategic hydropower station in China[J].Engineering Geology,2017(221):70-81.

[6] 李建林，劉 杰.隔河巖水電站廠房后邊坡與拱壩的相互作用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007,26(3)：459-466.

[7] 姚顯春，李 寧，張承客.錦屏水電站左岸拱間槽坡內(nèi)洞室開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響分析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28(3)：278-283.

[8] Ajay Kumar,Ritika Rathee.Monitoring and evaluating of slope stability for setting out of critical limit at slope stability radar[J].International Journal of Geo-Engineering,2017,8(18):1-16.