雙龍水電站壩肩邊坡開挖角度優化設計研究

王麗秋

(朝陽天浩水利建筑有限公司，遼寧 朝陽 122000)

1 工程背景

雙龍水電站為河床式水電站設計，其壩址位于遼寧丹東太平哨鎮二龍渡村境內，是半拉江梯級開發的重要工程，建成之后可以有效緩解當地的用電緊張情況[1]。雙龍水電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高56.0 m，壩頂寬8.0 m。水庫的正常蓄水位為157.50 m，校核水位為158.50 m。大壩右壩肩存在長度約150 m的順層巖邊坡，平均厚度約6.0 m，坡向110°～115°，坡角約32°，其巖性主要為大理巖，由于巖質較為疏松，因此經常發生崩塌滑落現象。工程區的河床和兩岸基巖主要是三疊紀變質巖，同時存在少量后期侵入煌斑巖脈，第四系松散堆積層主要是河流沖積物。受到當地地質構造特征的影響，工程區結構面較發育，存在明顯的斷層、裂縫和層間擠壓錯動。這些結構面中以斷層F3和煌斑巖脈H2的規模最大，影響最為顯著。由于工程區地質結構復雜，地應力水平較高，風化卸荷也比較嚴重。受到上述諸多不利因素的影響，該邊坡開挖難度大，如果開挖方式不當，就會對工程區邊坡穩定性造成不利影響。基于此，此次研究旨在探討邊坡不同開挖角度對穩定性的影響，以便為工程設計和建設提供支持和借鑒。

2 FIAC3D有限元計算模型

2.1 模型的構建

FLAC有限元軟件模擬邊坡漸進失穩破壞及大變形方面具有獨特優勢，其程序包含了錨索單元、彈性體單元以及樁單元，可以較好模擬巖體工程方面的人工結構[2]。因此，研究中采用FLAC有限元軟件構建邊坡的有限元模型。在模型的構建過程中，首先基于前期工程資料，利用CAD進行幾何模型的構建，然后導入ANSYS軟件再轉接入FLAC的方式進行[3]。

在模型的構建過程中，需要詳細閱讀地質勘查報告、設計圖紙以及施工組織設計，并在此基礎上抓住研究中需要重點解決的問題，而忽視對研究對象影響不大的次要因素，從而將復雜的實際問題簡化為可操作的數值計算模型[4]。研究中根據圣維南原理確定模擬研究的范圍，也就是分布在彈性體上的一小塊體積內的荷載所引起的物體中的應力，在距離荷載作用相對較遠的區域，一般僅和荷載的合力矩有關，而荷載分布情況僅影響荷載作用區附近的應力分布[5]。根據項目區的實際情況，其最大挖方深度為42.3 m，上覆層厚度為2～5 m，擬采用1∶0.6左右的坡比進行放坡處理。現取K33+102斷面右側的最大挖方邊坡進行計算和分析。為了方便后續建模，利用AutoCAD 軟件進行原始邊坡及開挖過程的簡化。

對于模型網格的剖分，可以利用CAD軟件配合FLAC3D進行網格前處理，而網格的剖分主要依據坡體巖層的分布狀況，不僅要做到對邊坡真實情況的還原，同時還應該盡量合理細致，最大限度減小計算結果的誤差[6]。最終，整個模型劃分為607 720個網格單元，612 097個節點。圖1為有限元模型示意圖。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計算參數

由于項目區表層地下水較為貧乏，對計算結果的影響極為有限，因此可以忽略其對邊坡穩定性的影響[7]。計算中將巖體視為各向同性材料，采用摩爾-庫倫強度準則。模型的初始應力場為構造應力場和自重應力場，鑒于邊坡開挖范圍均在卸荷巖體內，不會引發高地應力現象，因此主要考慮自重應力場的影響。模型的邊界條件采用位移約束條件[8]。其中，模型的底面施加全位移約束，側面施加水平位移約束，上表面為自由邊界條件，不施加位移約束。以相關資料為依據，同時結合工程區工程地質條件的詳細調查結果，最終確定如表1所示的模型材料物理力學參數。

表1 模型材料物理力學參數

2.3 計算方案

根據背景工程的初步設計資料，該邊坡的開挖角度為55°，為了進一步分析開挖邊坡坡度對邊坡穩定性的影響，以上述設計為基礎，選擇50°和60°兩個不同的開挖角度，對上述三種不同開挖角度下的邊坡穩定性進行計算分析，以獲得最佳設計方案。

3 計算結果與分析

3.1 位 移

利用構建的有限元模型對3種不同開挖角度方案下的邊坡位移量進行計算，從計算結果中提取出各向位移的最大值，結果如表2所示。從計算結果可以看出，隨著開挖角度的增大，Y向位移呈現出不斷增大的變化趨勢，而X向位移、Z向位移和總位移均呈現出先減小后增大的變化特點。究其原因，主要是開挖角度60°與開挖角度55°相比，開挖完成之后的邊坡陡峭程度更大，造成邊坡的坡腳應力比較集中，同時還會產生更為明顯的卸荷回彈，因此會產生更大的位移變形。但是，在開挖角度為50°的情況下，會造成煌斑巖脈和F3斷層的出露，特別是在煌斑巖脈出露的部位，局部位移量相對較大，會造成十分明顯的臨空面位移(X向)，因此邊坡局部發生崩塌滑落的可能性較大，容易造成局部失穩。從三種方案位移量的計算結果對比來看，開挖角度為55°時位移量的最大值相對較小，特別是臨空面位移量明顯較小，這對于保持邊坡的穩定性較為有利。

表2 邊坡位移最大值

3.2 應 力

利用構建的有限元模型對3種不同開挖角度方案下的邊坡應力進行計算，從計算結果中提取出應力的最大值，結果如表3所示。從計算結果可以看出，隨著開挖角度的增大，邊坡的最大主應力和最小主應力值均呈現出先減小后增加的變化特點。當開挖角度為55°時的最大主應力和最小主應力最小，當開挖角度為50°時的最大主壓應力和最小主應力值最大。從具體的應力分布來看，三種開挖方式下煌斑巖脈附近均存在應力突變現象，應力明顯集中，應變增量相對較大。但是，開挖角度為55°和60°時，邊坡的未開挖地表應力較小。當開挖角度為50°時，由于煌斑巖脈出露地表，因此邊皮的應力分布受到明顯影響，同時開挖坡腳部位的應力集中現象也更為明顯，不利于邊坡的穩定性。

表3 邊坡應力最大值

3.2 安全系數

利用構建的有限元模型對3種不同開挖角度方案下的邊坡安全系數進行計算。計算結果顯示，當開挖角度為50°、55°和60°時邊坡安全系數分別1.223、1.875和1.422。從計算結果來看，當開挖角度為55°時，開挖后邊坡的安全系數最大，與1.30的工程設計值相比有較大的冗余量。當開挖角度為60°時，開挖后邊坡的安全系數雖然也大于工程設計值，但是冗余量較小。當開挖角度為50°時，開挖后邊坡的安全系數小于工程設計值。綜合位移和應力計算結果，建議在工程設計中采用55°的開挖角度設計方案。

4 結 語

在水利水電工程建設過程中，經常需要對高邊坡進行放坡開挖。此次研究以具體工程為背景，利用數值模擬的方式對三種不同角度開挖方式下的邊坡穩定性進行計算和分析。結果顯示，開挖角度為55°時的位移量最小、應力水平最低，安全系數最高，為最佳工程設計方案，推薦在工程設計中采用。當然，受到計算量等因素的影響，此次研究中沒有考慮邊坡小斷層、節理裂隙以及層間擠壓錯動帶等細節之處的影響。因此，計算結果的準確性仍需要經過工程實踐的檢驗。