天花板水電站庫區堆積體三維有限差分法穩定分析

谷宏海，白閏平

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內牛欄江上，電站總裝機容量180 MW，最大壩高107.0 m,主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、引水發電隧洞和地面式廠房等組成，工程等別為Ⅲ等中型工程。

堆積體位于庫區左岸，距離壩址最近距離約1.0 km。堆積體分布在1 020.00～1 662.00 m之間，前緣長度約1.3 km，面積約為78.96萬m2。2010年12月18日電站開始正式蓄水，2011年1月17日，左岸部分村民住房地基及房屋墻體出現開裂變形。岸坡拉裂變形區位于庫區左岸，距大壩約1.0～2.3 km。

2 堆積體地形地質條件

堆積體地形由高至低表現為上緩、中陡、下緩的階梯狀，順河向地形高差變化大，區內分布2條沖溝與同向山梁構成了由山梁、臺地、斜坡、沖溝組成的復雜地形。

堆積體中的地下水位埋藏較深，在下伏基巖和上覆堆積物中均有分布。堆積物透水性較下覆基巖強，地下水位線分布在破碎巖體中和基覆界線附近，堆積體前緣部分地下水位受庫水位影響比較明顯，隨著庫水位上升或下降地下水位抬高或降低。根據堆積體區內沖溝和山梁的發育過程、地表裂縫形態特征、地表變形特征、監測數據對堆積體進行分區，分區如圖1所示。

圖1 堆積體分區圖

2.1 Ⅰ區地質概況

Ⅰ區堆積體位于田壩村岸坡的下部，平均寬度×斜長為700 m×580 m，坡面面積約40萬m2，鉛直厚度最大約95 m，方量約2 100萬m3。

Ⅰ區堆積物分為3層，表層為碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。碎石混合土層成分以土為主，土含量在50%～60%，塊石與碎石含量在50%左右，透水性差、土體結構松散?；旌贤了槭瘜映煞忠运槭癁橹?，碎石含量在40%～70%，剩余含量為黃褐色黏土，透水性強，土體結構較密實。碎塊石層成分以塊石為主，塊石含量在50%～60%，剩余部分為碎石和土，土含量小于10%，透水性強，土體結構密實?；鶐r巖性多為泥質粉砂巖和鈣質砂巖，弱風化為主，局部存在全強風化層，厚度最大約21 m。

2.2 Ⅱ區地質概況

Ⅱ區地面高程在1 210.00～1 660.00 m。坡體坡面面積約20萬m2，平均厚度約62 m，方量約1 180萬m3，Ⅱ區堆積物分為3層，表層為碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。碎石混合土層成分以黃褐色黏土為主，土含量在40%～60%，碎石含量在30～40%左右，局部可見塊石，透水性差、土體結構松散?；旌贤了槭瘜映煞忠运槭癁橹?，碎石含量在40%～60%，塊石含量在20%～40%，剩余部分為黃褐色黏土，透水性強，土體結構較密實。碎塊石層成分以塊石為主，塊石含量在50%～80%，碎石含量在20%～40%，土含量小于10%，透水性強，土體結構密實。基巖巖性多為泥質粉砂巖，弱風化為主，局部存在全強風化層，厚度較大，性狀破碎，巖體質量軟弱。

2.3 (Ⅲ)區地質概況

Ⅲ區堆積體平均寬度×斜長為610 m×470 m，坡面面積約28萬m2，平均厚度約30 m，方量約1 120萬m3。

Ⅲ區堆積物分為3層，表層為崩積碎石混合土，中部為混合土碎石，下部為碎塊石。崩積碎石混合土層厚度3～9 m，成分以土為主，部分為碎礫石，透水性差，土體結構松散?；旌贤了槭瘜雍穸?6～56 m，成分以碎石為主，碎石含量在40%～60%，部分為塊石、礫石、土，透水性強，土體結構較密實。碎塊石層厚度48～51 m，成分以塊石為主，含少量碎石，透水性強，土體結構密實。基巖巖性多為砂巖，弱風化為主，巖體整體較為破碎。

3 三維有限差分法穩定分析

采用三維有限元法對堆積體進行應力應變分析。分析堆積體在正常蓄水位1 071.00 m、降雨、庫水位下降工況下的變形與穩定。采用強度折減法對堆積體在三維空間上的強度儲備安全度進行評價。

3.1 計算軟件簡介

計算采用巖土工程數值模擬大型三維程序FLAC3D，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動(大變形模式)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動，該計算程序非常適用于本工程的三維數值模擬計算。

3.2 計算參數選取

通過現場蓄水過程中堆積體的變形監測資料，在蓄水過程中，堆積體中出現了一部分的裂縫，并且在Ⅰ區出現較大的變形，為了在計算中得到的變形規律能較為符合實際情況，參考地質資料描述和分析，對堆積體的變形與強度參數空間分布在可能變化范圍內進行反演和調整分析，最后得到所采用的計算參數見表1。

表1 材料物理力學參數表

3.3 計算模型

模型Y坐標軸正方向方位角為19°，X坐標軸正方向方位角為109°，豎直向上方向為Z正向，坐標系符合右手定則，如圖2所示。模型X軸方向長度為1 749 m，Y軸方向長度為1 520 m，模型底部模擬到600 m高程。

圖2 三維計算模型圖

模型范圍滿足了數值分析要求的研究范圍。三維模型詳細模擬了堆積體的基覆面，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個變形區以及Ⅰ區的4個亞區(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4)和Ⅱ區的3個亞區(Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3)的空間分布性特征，以及變形區中的材料特性分界面和庫區河床的覆蓋層。

網格類型全部采用四面體單元。在3個變形區，網格進行了適當加密，網格尺寸采用15 m網格，下覆基巖采用網格尺寸為50 m網格。計算模型側向邊界為法向約束，底部為三向(X/Y/Z)固定約束。巖體應力應變模型為理想彈塑性模型，強度準則為摩爾庫倫屈服準則。

3.4 正常蓄水位1 071.00 m變形與穩定分析

3.4.1變形分析

采用計算參數的變化以及坡體中庫水位下坡體表面的水壓力施加，來模擬水庫蓄水的作用。

計算結果表明，水庫蓄水后，Ⅰ區最大位移約140 cm，Ⅰ-1 區、Ⅰ-4區較Ⅰ-2區、Ⅰ-3區的位移大，在高程上表現為靠近河床部位的低高程位移較大，高高程位移較小，與監測資料基本一致。

3.4.2Ⅰ-1區強度折減分析

取在極限狀態時坡表位移最大的一點作為特征點，通過分析，水庫蓄水至1 071.00 m，當折減系數值達到1.10時，各向位移出現明顯偏離；當折減系數值達到1.25時，各向位移計算趨于發散。根據位移突變判斷準則得出堆積體強度折減法穩定系數為1.10，計算結果見圖3。

圖3 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.4.3Ⅰ-4區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.10時，各向位移明顯偏離，達到1.50時，位移計算趨于發散。故堆積體強度折減法穩定系數為1.10，計算結果見圖4。

圖4 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.4.4Ⅱ-3區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.10時，各向位移明顯偏離，達到1.40時，位移計算趨于發散。故堆積體強度折減法穩定系數為1.10，累積位移與折減系數關系曲線見圖5。

圖5 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.5 降雨工況變形與穩定分析

3.5.1變形分析

田壩村堆積體屬于強透水體，在已知條件下長降雨歷時中，降雨入滲深度都基本在基巖面以上，堆積體不會出現全部飽和。因此，降雨工況下，不考慮堆積體中空隙水壓力，堆積體容重按部分飽和考慮。

在降雨條件下，堆積體發生最大位移約為3 cm，主要出現在各區的中部高程。Ⅱ-1區，Ⅱ-2區位移約為1.5 cm，Ⅱ-3區，最大位移約為2.7 cm，Ⅲ區最大位移約為0.7 cm，影響較小。從中看出降雨條件下，對堆積體的Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3，Ⅱ-1、Ⅱ-3區影響較為顯著，對Ⅱ-2區影響次之，對Ⅰ-4區和Ⅲ區影響相對較小。

3.5.2Ⅰ區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.20時，各向位移明顯偏離；達到1.70時，位移計算趨于發散，故堆積體強度折減法穩定系數為1.20，計算結果見圖6。

圖6 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.5.3(Ⅱ)區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.40時，各向位移明顯偏離；達到2.0時，位移計算趨于發散，故堆積體強度折減法穩定系數為1.40，累積位移與折減系數關系曲線見圖7。

圖7 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.6 庫水位下降工況變形與穩定分析

3.6.1變形分析

分析正常蓄水位1 071.00 m下降至排沙限制水位1 053.00 m的工況。堆積體屬強透水，地下水位線隨著庫水位的降低而快速降低，堆積體內基本不存在超空隙水壓力，庫水位下降對堆積體的外部作用主要為堆積體內孔壓減小產生的固結。計算結果表明，在庫水位下降作用下，Ⅰ區最大位移約130 cm，Ⅰ-1區、Ⅰ-4區的最大位移分別為130、90 cm，在高程上表現為，靠近河床部位的低高程位移較大，高高程位移較小，由低至高逐步遞減。

3.6.2Ⅰ-1區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.05時，各向位移明顯偏離；達到1.30時，位移計算趨于發散，故堆積體強度折減法穩定系數為1.05，累積位移與折減系數關系曲線見圖8。

圖8 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.6.3Ⅰ-4區強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.0時，各向位移明顯偏離；達到1.20時，位移計算趨于發散，故堆積體強度折減法穩定系數為1.0，累積位移與折減系數關系曲線見圖9。

圖9 累積位移與折減系數關系曲線圖

3.6.4Ⅱ-3強度折減分析

通過計算分析，當折減系數值達到1.05時，各向位移明顯偏離；達到1.35時，位移計算趨于發散，故堆積體強度折減法穩定系數為1.05，累積位移與折減系數關系曲線見圖10。

圖10 累積位移與折減系數關系曲線圖

4 結 論

(1) 水庫蓄水和庫水位下降工況變形分析表明：對Ⅰ-1區和Ⅰ-4區的坡體變形影響較為顯著，Ⅰ-1區和Ⅰ-4區的位移較大，Ⅰ-2區和Ⅰ-3區的位移較?。粡母叱谭植忌峡矗筒扛叱蹋纯拷哟膊课晃灰戚^大，高高程位移較小。說明在蓄水過程中，堆積體的潛在失穩滑動機制為牽引式滑動類型。

(2) 降雨對堆積體的Ⅰ區影響較為顯著，對Ⅱ-2區影響次之，對Ⅰ-4區和Ⅲ區影響相對較?、駞^位移分布隨高程降低，位移隨之減小，潛在可能失穩部分主要分布在Ⅰ-2和Ⅰ-3區，在Ⅰ-1和Ⅰ-4區潛在失穩可能性較低。

(3) 與水庫蓄水及庫水位因素引起堆積體變形程度相比，降雨引起的堆積體位移要遠小于庫水位變化因素，說明降雨促發堆積體發生較大變形的可能性較小。

(4) 強度折減分析表明：蓄水工況Ⅰ-1 、Ⅰ-4和Ⅱ-3區的強度儲備安全系數為1.1，基本上都處于臨界狀態；降雨工況Ⅰ區總體的強度儲備安全系數約為1.20左右，滿足規范要求；Ⅱ區堆積體， Ⅱ-1區和Ⅱ-3區的強度儲備要小于Ⅱ-2區，Ⅱ區總體的強度儲備安全系數約為1.40左右，滿足規范要求；庫水位下降工況Ⅰ-1區和Ⅰ-4區的強度儲備安全系數在1.15左右，滿足規范要求，Ⅰ-1區和Ⅰ-4區的強度儲備安全系數在1.0左右，處于臨界狀態；Ⅱ-4區的強度儲備安全系數在1.05左右，基本上都處于臨界狀態。