江 浩 袁 強(qiáng)2 吳 穹

(1.國(guó)家電投集團(tuán)四川電力有限公司，四川 成都 610041； 2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

實(shí)際工程施工中，地質(zhì)條件極為復(fù)雜,壩基內(nèi)常常有若干條節(jié)理、裂隙或斷層將壩基巖體切割成塊,并形成連續(xù)的滑動(dòng)面[1]。在這種情況下，壩體便有可能帶動(dòng)一部分基巖沿軟弱夾層、尤其是緩傾角的軟弱夾層滑動(dòng)失穩(wěn)，即構(gòu)成壩基的深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題[2]。壩基深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題具有復(fù)雜性，分析方法尚無(wú)統(tǒng)一和明確的規(guī)定，需根據(jù)具體情況,參考類似工程經(jīng)驗(yàn)作出判斷[3]。目前國(guó)內(nèi)研究深層抗滑穩(wěn)定安全性的方法主要有剛體極限平衡法、有限元法和模型試驗(yàn)法。

ABAQUS軟件是目前國(guó)際上先進(jìn)的大型通用非線性有限元分析軟件，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-8]，對(duì)巖土工程中的實(shí)際模型所取的各種邊界條件以及土體的非線性本構(gòu)關(guān)系有著很好的適應(yīng)性[9]。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算往往是水電站廠房設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和重要課題[10]。本文以龍溪口水電站例，利用ABAQUS軟件對(duì)廠房壩段的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 工程概況

龍溪口水電站航電結(jié)合，兼顧防洪、供水、環(huán)保等綜合利用。工程正常蓄水位317.00m，死水位316.00m，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)功能。工程建成后，電站裝機(jī)容量480MW，多年平均發(fā)電量20.2億kW·h。

發(fā)電廠房布置于河道左側(cè)，為河床式廠房，屬擋水建筑物，左側(cè)為魚道壩段，右側(cè)為泄洪閘壩段。發(fā)電廠房主要建筑物包括主機(jī)間壩段、安裝間壩段、裝卸場(chǎng)壩段、副廠房、攔沙坎、導(dǎo)墻、引水渠、尾水渠、主變及GIS室內(nèi)開(kāi)關(guān)站等。廠內(nèi)安裝9臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，安裝高程為289.50m，單機(jī)容量為53.34MW，總裝機(jī)容量為480MW。廠房總長(zhǎng)287.20m，其中主機(jī)間壩段203.20m、安裝間壩段60.0m、裝卸場(chǎng)壩段24m。除9號(hào)機(jī)組外，每?jī)膳_(tái)機(jī)組之間設(shè)一永久沉降縫，共分5個(gè)機(jī)組壩段；安裝間布置在主機(jī)間左側(cè)，分為2個(gè)壩段(從左至右為安1號(hào)和安2號(hào))。

2 地形地質(zhì)情況

兩岸坡屬中低山—丘陵寬谷侵蝕地貌，河谷呈不對(duì)稱的“U”形寬谷。兩岸山體呈不對(duì)稱狀，左岸山勢(shì)低矮，且較平緩，坡頂高程約358.00m，與河床高差約55m，自然坡度約為4°～21°；右岸山勢(shì)較為陡峻、雄厚，坡頂高程約395.00m，與河床高差約92m，自然坡度約為39°～51°。該河段河谷左岸為堆積岸，河流階地亦較為發(fā)育，且較完整，沿岸發(fā)育分布有河漫灘和Ⅰ級(jí)階地，階地高程約307.00～314.00m，基本完整，其地勢(shì)平坦、開(kāi)闊。

廠房地層巖性為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s3-3):暗紫紅色暗紫色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾中厚層或團(tuán)塊狀鈣質(zhì)長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石粉砂巖，砂巖含量約20%～30%，巖層產(chǎn)狀為N55°～74°E/SE∠26°～43°，區(qū)內(nèi)無(wú)斷層切割以及褶皺發(fā)育的跡象。廠房主機(jī)間基礎(chǔ)置于新鮮巖體內(nèi)，其地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa；廠房安裝間基礎(chǔ)置于中風(fēng)化和微風(fēng)化巖體之上，中風(fēng)化巖體地基允許承載力為1.0～1.2MPa，變形模量為2.0～2.5GPa，微風(fēng)化巖體地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

分別建立了3號(hào)和4號(hào)兩臺(tái)機(jī)組段(兩機(jī)一縫，中間機(jī)組段)和廠房安裝間段的三維有限元模型。模型中考慮了對(duì)廠房整體安全性影響較大的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化及微新的巖層，并對(duì)各類巖層進(jìn)行了比較符合實(shí)際的模擬。廠房和基礎(chǔ)網(wǎng)格大部分采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元(C3D8單元)，只有少部分采用棱柱體過(guò)渡單元。

模型中x方向?yàn)檠貕慰v向(正向由左岸指向右岸)、y方向?yàn)轫樅酉?正向由上游到下游)、z方向?yàn)樨Q直向。計(jì)算范圍：沿壩踵向上游延伸150m，沿壩趾向下游延伸150 m，沿建基面高程275.01m向基礎(chǔ)深部延伸107m。有限元模型網(wǎng)格圖見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 廠房3號(hào)、4號(hào)兩臺(tái)機(jī)組段整體網(wǎng)格圖

圖2 安裝間段整體網(wǎng)格圖

施加的邊界條件為：對(duì)基巖上、下游邊界約束順河向水平位移，壩左、右岸邊界約束橫河向水平位移，底部約束全部位移。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用彈塑性本構(gòu)、D-P準(zhǔn)則及強(qiáng)度折減法，分別對(duì)3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段以及安裝間段進(jìn)行靜力分析，主要研究在靜力工況(不施加地震荷載)廠房及安裝間的靜力抗滑穩(wěn)定性。

3.2.1 3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段抗滑穩(wěn)定性分析

從3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段順河向位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化曲線(見(jiàn)圖3)可以看出，當(dāng)廠房基巖體強(qiáng)度折減到4時(shí)，結(jié)構(gòu)位移發(fā)生了突變。

圖3 廠房3號(hào)、4號(hào)段壩頂位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化曲線

從圖4中所示的漸進(jìn)破壞過(guò)程可以看出，當(dāng)材料強(qiáng)度開(kāi)始降低時(shí)，廠房上游前緣區(qū)域首先出現(xiàn)拉剪破壞，此時(shí)的屈服區(qū)面積很小。隨著廠房基巖體強(qiáng)度的進(jìn)一步降低，建基面出現(xiàn)屈服區(qū)，廠房下游出現(xiàn)壓剪破壞，并且塑性破壞區(qū)逐漸加大。當(dāng)折減到Ks=4時(shí)，上下游的塑性區(qū)已貫通，此時(shí)最大等效塑性應(yīng)變值為6.87×10-2；當(dāng)折減到Ks=5.50時(shí)，非線性計(jì)算不收斂，整個(gè)系統(tǒng)基本上已經(jīng)達(dá)到其極限承載力。

綜上所述，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段整體抗滑安全系數(shù)在4.00～5.50之間，其抗滑穩(wěn)定性是有保證的。

圖4 3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程

3.2.2 安裝間段穩(wěn)定性分析

從安裝間段壩頂順河向位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化曲線(見(jiàn)圖5)可以看出，當(dāng)廠房基巖體強(qiáng)度折減到4時(shí)，結(jié)構(gòu)位移發(fā)生了突變。

圖5 安裝間段壩頂位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化曲線

從圖6中所示的漸進(jìn)破壞過(guò)程可以看出，當(dāng)材料強(qiáng)度開(kāi)始降低時(shí)，廠房上游前緣區(qū)域首先出現(xiàn)拉剪破壞，此時(shí)的屈服區(qū)面積很小。隨著廠房基巖體強(qiáng)度的進(jìn)一步降低，建基面出現(xiàn)屈服區(qū)，廠房下游出現(xiàn)壓剪破壞，并且塑性破壞區(qū)逐漸加大。當(dāng)折減到Ks=4時(shí)，上、下游的塑性區(qū)已貫通，此時(shí)最大等效塑性應(yīng)變值為1.90×10-2；當(dāng)折減到Ks=5.50時(shí)，非線性計(jì)算不收斂，整個(gè)系統(tǒng)基本上已經(jīng)達(dá)到其極限承載力。

圖6 安裝間段塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程

綜上所述，安裝間段整體抗滑安全系數(shù)在 4.00～5.50之間，其抗滑穩(wěn)定性是有保證的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以龍溪口水電站例，利用ABAQUS軟件對(duì)廠房的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，為該水電站廠房的抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)同類水電站廠房的設(shè)計(jì)和施工具有參考意義。