黃文洪，張 健，李龍龍，朱永生，潘 兵

(1.華電福新周寧抽水蓄能有限公司,福建寧德 352100；2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江杭州 311122；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 311122)

當(dāng)水電站進(jìn)入運(yùn)行期后，邊坡巖體因庫(kù)水位變化將經(jīng)歷極為復(fù)雜的應(yīng)力-滲流耦合作用過(guò)程。水介質(zhì)流動(dòng)在降低巖體有效應(yīng)力的同時(shí)，還可能以參與物理化學(xué)作用的方式改造巖體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、影響巖體強(qiáng)度條件，綜合導(dǎo)致邊坡巖體穩(wěn)定性水平降低，給邊坡、水工結(jié)構(gòu)及工程影響區(qū)帶來(lái)潛在安全問(wèn)題。

水作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是工程設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考察的內(nèi)容之一，試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值分析是目前針對(duì)該類型問(wèn)題研究采用的較為普遍的基本解決手段。李邵軍等[1]依據(jù)三峽庫(kù)區(qū)典型滑坡的工程地質(zhì)特征，采用離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了庫(kù)區(qū)邊坡在水位升降作用下的失穩(wěn)過(guò)程。賈官偉等[2]利用大型模型試驗(yàn)研究了水位驟降引致鄰水邊坡滑坡的原因及失穩(wěn)模式。文獻(xiàn)[3]～[5]采用連續(xù)介質(zhì)或非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法考察了不同類型岸坡巖體在水庫(kù)升降變化條件下的滲流特征及分布變化規(guī)律、水巖相互作用，分析了邊坡孔隙水壓力變化特征和滲流速度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為進(jìn)一步開(kāi)展?jié)B流與變形耦合分析提供了依據(jù)。目前考察水作用條件下的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括非耦合方法和耦合方法兩類，前者如文獻(xiàn)[6]～[11]將庫(kù)水位變化過(guò)程簡(jiǎn)化為一系列不同的水位線，借助極限平衡方法分析了邊坡在水位變化過(guò)程中的穩(wěn)定性條件以及演變規(guī)律，并討論了滲透系數(shù)、水位升降速率等關(guān)鍵參數(shù)的影響，文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步考慮了水滲透作用對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)及其穩(wěn)定性的影響；與此不同地，文獻(xiàn)[13]～[15]則采用基于Geo-Slope等軟件或方法具有的流固耦合分析功能對(duì)水位變化條件下的邊坡穩(wěn)定性及參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究。

對(duì)抽水蓄能電站運(yùn)行期邊坡穩(wěn)定性分析而言，水位變化并非單調(diào)抬升或降低，需考察周期性水位頻動(dòng)(在死水位與正常蓄水位之間周期性變化)條件的影響，不考慮應(yīng)力與滲流動(dòng)態(tài)相互作用過(guò)程的非耦合方法顯然無(wú)法滿足穩(wěn)定性分析的要求。以福建周寧抽水蓄能電站下水庫(kù)作為研究對(duì)象，為兼顧分析效率和研究目的為原則，選擇基于連續(xù)介質(zhì)滲流理論的FLAC3D程序并采用其應(yīng)力-滲流耦合功能分析預(yù)測(cè)庫(kù)岸邊坡巖體在運(yùn)行期水位頻動(dòng)條件下的穩(wěn)定性特征，為類似工程問(wèn)題摸索研究方法基礎(chǔ)，同時(shí)為周寧電站運(yùn)行期工程設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

1 工程概況

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣境內(nèi)，距寧德市、福州市的直線距離分別為50 km、110 km，距周寧縣城約20 km。電站下水庫(kù)位于七步溪河谷上，為山區(qū)峽谷型水庫(kù)，水庫(kù)庫(kù)周群山環(huán)抱，山體雄厚，無(wú)低鄰谷和低于正常蓄水位的埡口，庫(kù)區(qū)總體為長(zhǎng)條形峽谷。下水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程306 m，最大壩高108 m，壩頂長(zhǎng)度216.50 m，壩頂寬度9 m。下水庫(kù)正常蓄水位299 m，死水位262 m。見(jiàn)圖1，樞紐主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等建筑物組成，電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為1 200 MW[17]。

圖1 周寧抽水蓄能電站地形地貌及主要建筑物布置

庫(kù)區(qū)為強(qiáng)烈切割中低山陡坡地貌，河谷呈深切的“V”字型，庫(kù)周山體高聳，地表分水嶺雄厚。河床高程在209～302 m之間，正常蓄水位高程以下兩岸岸坡地形陡峻，坡度一般在38～60 °。地勘揭露下水庫(kù)(壩)區(qū)出露基巖地層主要為中生界侏羅系上統(tǒng)南園組地層，燕山晚期侵入巖及地表第四系地層；巖性以鉀長(zhǎng)花崗巖為主，巖石由鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和黑云母等礦物組成，呈中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。庫(kù)區(qū)兩岸多為強(qiáng)～弱風(fēng)化基巖出露，全風(fēng)化層厚度不大，發(fā)育有多條輝綠巖脈(βμ)及一條石英二長(zhǎng)斑巖脈(ηoπ)。

2 分析原理及模型條件

2.1 應(yīng)力-滲流耦合分析原理

基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法的FLAC3D程序在考慮巖土體流固耦合效應(yīng)時(shí)，將巖土體視為等效連續(xù)的孔隙介質(zhì)，采用經(jīng)典Darcy定律描述流體介質(zhì)在其中的流動(dòng)過(guò)程，并同時(shí)滿足Biot方程，即認(rèn)為巖土體骨架及礦物顆粒為可壓縮物質(zhì)。流體滲流及其與應(yīng)力的耦合作用滿足如下主要控制性方程[16]。

2.1.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

流體運(yùn)動(dòng)用Darcy定律來(lái)描述，對(duì)于均質(zhì)、各向同性固體和常密度流體的情況，Darcy定律的等效形式為：

qi=-k(p-ρwxjgj),i

(1)

式中:qi為單位截面流體流量m3/s，k、(p-ρwxjgj),i分別表示孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù)m2/(Pa·s-1)和水力梯度，其中，p為孔隙水壓力Pa。

2.1.2 平衡方程

對(duì)于不考慮固體介質(zhì)即巖土體變形的理想情形，流體介質(zhì)平衡方程滿足下式定義：

(2)

式中:qv為單位體積巖土體中的流體補(bǔ)給量，ζ為單位體積孔隙介質(zhì)的流體體積變化量即不平衡量。當(dāng)進(jìn)一步考慮應(yīng)力-耦合作用過(guò)程中巖土體骨架、礦物顆?？梢园l(fā)生的壓縮變形及其可能的溫度作用響應(yīng)時(shí)，以單位體積非飽和孔隙介質(zhì)作為考察對(duì)象，其平衡方程最終表現(xiàn)為如下形式：

(3)

式中:M、α分別為Biot模量N/m2和比奧系數(shù)(無(wú)量綱，在0～1之間取值)；K、Kf分別為固體骨架與流體的體積模量N/m2；n、s分別表示孔隙介質(zhì)的孔隙率和飽和度；ε為固體骨架體積應(yīng)變；T、β分別為溫度℃和考慮流體和固體顆粒的熱膨脹系數(shù)℃-1。

2.1.3 孔隙介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程

孔隙介質(zhì)運(yùn)動(dòng)采用牛頓第二定律進(jìn)行描述：

(4)

式中:ρ為孔隙介質(zhì)密度(kg/m3)，且ρ=ρd+nsρw，其中，ρd、ρw分別為固體密度和流體密度；vi為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度的三個(gè)分量m/s。

2.1.4 本構(gòu)方程

固體骨架及其礦物顆粒體積改變可引致流體孔隙壓力的變化，孔隙壓力變化反過(guò)來(lái)也會(huì)導(dǎo)致前者改變，從而影響巖土體應(yīng)力狀態(tài)?？紫督橘|(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為：

(5)

2.2 分析模型構(gòu)建

圖2為分析采用的三維巖體應(yīng)力-滲流耦合分析模型，其中對(duì)不同地質(zhì)單元進(jìn)行了區(qū)別化著色處理、以便考察模型范圍內(nèi)的地質(zhì)條件。為求得分析精度與求解效率之間的合理平衡，經(jīng)調(diào)試確定數(shù)值單元的最小邊長(zhǎng)為4.0 m，模型共計(jì)含有數(shù)值單元約35×104個(gè)。

圖2 應(yīng)力-滲流耦合穩(wěn)定性分析FLAC3D數(shù)值模型

依據(jù)基本地質(zhì)條件的豐富程度和有效性，模型沿順河和橫河向分別考察了約650 m×600 m的分析范圍。鑒于主要地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)，采用有厚度單元進(jìn)行模擬斷層與巖脈構(gòu)造，圖3給出了主要地質(zhì)構(gòu)造和壩工結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系。其中，斷層F3考慮了影響帶(影響帶寬度1.0～2.2 m)；重點(diǎn)描述了輝綠巖脈βμ3、βμ6和石英二長(zhǎng)斑等主要巖脈；依據(jù)壩基防滲設(shè)計(jì)要求，模型還特別表征了灌漿帷幕。在模型設(shè)置環(huán)節(jié)，將灌漿帷幕和壩體處理為不透水材料。鑒于灌漿范圍及其力學(xué)特性的不確定性，保守考慮其力學(xué)參數(shù)與所在部位巖體一致。

圖3 主要地質(zhì)構(gòu)造及壩工結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步考察圖2、圖3可見(jiàn)，壩址區(qū)及上下游庫(kù)岸基本地質(zhì)條件具有特征：

(1) 上游庫(kù)區(qū)邊坡表層巖體以弱風(fēng)化為主，全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化地層僅在右岸邊坡蓄水位高程以上局部揭露。

(2) 斷層F3陡傾交切于左岸壩址區(qū)邊坡，受壩體壓坡作用影響，運(yùn)行期斷層F3對(duì)壩肩邊坡的變形影響可能得到有效抑制。

(3) 輝綠巖脈βμ6在庫(kù)岸上游主要在底高程河谷一帶揭露，其影響也可以因河谷高應(yīng)力區(qū)作用得到一定程度抑制；除βμ6外，二長(zhǎng)斑巖脈主要揭露于在右岸較高高程一帶，且朝向邊坡外側(cè)山體厚度較厚、承載力高。經(jīng)驗(yàn)地，以上基本地質(zhì)條件揭示，盡管模型范圍內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，但由其發(fā)育特點(diǎn)及工程結(jié)構(gòu)壓坡作用決定的，構(gòu)造對(duì)岸坡變形穩(wěn)定性的不利影響或許不突出，后續(xù)分析結(jié)果對(duì)這一認(rèn)識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)取值

結(jié)合工程區(qū)不同巖性及重點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)充填物的結(jié)構(gòu)特征、強(qiáng)度、風(fēng)化程度、卸荷特性、完整性指標(biāo)和結(jié)構(gòu)面性狀等因素，對(duì)巖體進(jìn)行了工程地質(zhì)分類，并給出了各類巖體物理力學(xué)參數(shù)建議取值，參見(jiàn)表1。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

在目前工程實(shí)踐中，由于巖體失穩(wěn)通常主要表現(xiàn)為剪切破壞，巖體抗剪特性受到廣泛關(guān)注，往往忽略了對(duì)抗拉強(qiáng)度條件的研究，現(xiàn)有勘察規(guī)范就未對(duì)巖體抗拉強(qiáng)度明確建議取值。運(yùn)行期庫(kù)岸水力坡降在水位降低過(guò)程中指向坡外，滲透力也因此指向邊坡外側(cè)，使得巖體具有受拉應(yīng)力作用的荷載條件，巖體抗拉強(qiáng)度也應(yīng)是變形穩(wěn)定性分析模型需描述的條件之一?，F(xiàn)階段尚未取得周寧抽蓄電站巖體抗拉強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)成果或建議取值依據(jù)，分析中采用經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)確定巖體的抗拉強(qiáng)度即取單軸抗壓強(qiáng)度一定比例值作為抗拉強(qiáng)度，比例系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值區(qū)間為1/5～1/20。其中，巖體單軸抗壓強(qiáng)度定義為：

(6)

式中，Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)，c、φ分別為巖體的粘聚力與內(nèi)摩擦角。本次分析按保守考慮取比例系數(shù)為1/15。

透水試驗(yàn)表明，工程區(qū)巖體透水性隨風(fēng)化程度降低而減弱，以弱—微透水性為主，表2給出了依據(jù)試驗(yàn)成果及其經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)確定的巖體水動(dòng)力參數(shù)取值結(jié)果。分別采用各向異性及其正交各向異性水力學(xué)模型模擬巖體和地質(zhì)構(gòu)造的滲透特性。巖體滲透系數(shù)張量K由左右岸裂隙構(gòu)造條件確定，并經(jīng)透水試驗(yàn)各向同性滲透系數(shù)進(jìn)行修正；對(duì)地質(zhì)構(gòu)造而言，表中數(shù)值給出的是其構(gòu)造面內(nèi)的滲透系數(shù)，傾向方向滲透系數(shù)取值按表中數(shù)值的1/10考慮。

3 運(yùn)行期庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

在開(kāi)展運(yùn)行期應(yīng)力-滲流穩(wěn)定性分析之前，要求建立起始模型狀態(tài)。該狀態(tài)的應(yīng)力條件是區(qū)域初始地應(yīng)力、壩工結(jié)構(gòu)澆筑和初始地下水應(yīng)力等因素的疊加作用結(jié)果。以圖2模型為分析條件，通過(guò)必要的模型設(shè)置、采用非耦合方法依次開(kāi)展初始地應(yīng)力分析(考慮天然水位與初始地應(yīng)力)、壩體澆筑分析及初期蓄水分析(水位自天然水位至死水位262m)得到運(yùn)行期應(yīng)力-滲流耦合分析所需的模型條件。

表2 巖體水動(dòng)力學(xué)參數(shù)取值

依據(jù)運(yùn)行期水位變化規(guī)律，可視一個(gè)自然日為一個(gè)運(yùn)行(水位升降)周期，并結(jié)合非完全耦合分析方法特點(diǎn)將運(yùn)行周期分解為五個(gè)關(guān)鍵性時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即①初期水位(死水位262 m)→②正常蓄水位(299 m)不排水分析→③正常蓄水位排水分析→④死水位不排水分析→⑤死水位排水分析，其中，①→③、③→⑤分別對(duì)應(yīng)于6、18個(gè)自然小時(shí)。①為針對(duì)一個(gè)運(yùn)行周期開(kāi)展應(yīng)力-滲流耦合分析應(yīng)依據(jù)的初始狀態(tài)；據(jù)此將水位抬升至正常蓄水位，依據(jù)庫(kù)水滲透遠(yuǎn)滯后于應(yīng)力傳播這一基本力學(xué)特點(diǎn)，采用不排水方法得到庫(kù)岸岸坡巖體的變形、應(yīng)力及其水壓力響應(yīng)條件，該過(guò)程對(duì)應(yīng)于時(shí)間節(jié)點(diǎn)②；在水位上升過(guò)程中，庫(kù)水入滲實(shí)際必然伴隨岸坡蓄水響應(yīng)過(guò)程，節(jié)點(diǎn)③即為基于排水分析方法獲得庫(kù)水入滲對(duì)岸坡地下水壓力調(diào)整，及其對(duì)巖體變形穩(wěn)定性影響的結(jié)果；在發(fā)電階段及后期，庫(kù)水位自正常蓄水位降至死水位，針對(duì)該過(guò)程采用的岸坡力學(xué)與流體響應(yīng)分析原理與②、③一致，即分別基于不同排水條件獲得對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)④、⑤的分析結(jié)果。

圖4給出庫(kù)岸邊坡坡表巖體橫河向、順河向變形及其總變形在發(fā)電運(yùn)行75 d后的分布狀態(tài)，以考察岸坡基本變形特點(diǎn)與因此指示的穩(wěn)定性條件。其中，橫河向、順河向變形用于指示變形方向，而總變形主要用來(lái)反映變形水平。圖中同時(shí)標(biāo)識(shí)了若干變形測(cè)點(diǎn)的分布位置。

圖4 運(yùn)行完成75 d后，岸坡巖體變形分布特征

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在75個(gè)(d)發(fā)電周期運(yùn)行完成后，橫河向、順河向及其總變形均處于不足1mm的低水平，變形相對(duì)突出部位主要分布在強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)，橫河向與順河向變形水平相對(duì)關(guān)系及方向進(jìn)一步指示岸坡巖體變形方向總體指向邊坡內(nèi)側(cè)，且未揭示主要斷層與巖脈地質(zhì)構(gòu)造對(duì)變形可能產(chǎn)生明顯的不利影響。這些變形特點(diǎn)可以說(shuō)明，在給定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，岸坡受水位周期性變動(dòng)引致的變形基本指向坡內(nèi)、且變形水平不高，意味著岸坡穩(wěn)定性受影響程度不大，可以維持較好的穩(wěn)定性條件。

圖5、圖6依次給出了左、右岸邊坡典型測(cè)點(diǎn)(參見(jiàn)圖4測(cè)點(diǎn)分布)部位巖體總變形在75 d運(yùn)行期內(nèi)的演變過(guò)程曲線，以進(jìn)一步考察曲線形態(tài)特別是收斂特性可以揭示出的岸坡巖體變形特點(diǎn)和穩(wěn)定性條件：

圖5 岸坡左岸典型測(cè)點(diǎn)總變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過(guò)程

圖6 岸坡右岸典型測(cè)點(diǎn)總變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過(guò)程

(1)測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)8處巖體是左、右岸邊坡在運(yùn)行期變形相對(duì)顯著的部位，最大變形分別不超過(guò)3 mm和4 mm。

(2) 考察測(cè)點(diǎn)變形曲線形態(tài)特點(diǎn)可見(jiàn)，庫(kù)岸邊坡變形響應(yīng)規(guī)律在給定的75 d運(yùn)行時(shí)間內(nèi)均可以達(dá)到收斂狀態(tài)，指示巖體能夠滿足自穩(wěn)要求。

(3)綜合上述分析可見(jiàn)，左右岸岸坡巖體在運(yùn)行過(guò)程中可以維持較好的穩(wěn)定性條件。

圖7、圖8給出了測(cè)點(diǎn)部位巖體橫河向變形在75 d運(yùn)行期內(nèi)的演變過(guò)程曲線，其特點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)點(diǎn)部位巖體在運(yùn)行期因水位變動(dòng)誘發(fā)的橫河向變形總體指向坡內(nèi)的認(rèn)識(shí)。在水位上升期間的，庫(kù)水作為坡表荷載引致邊坡發(fā)生壓縮變形，這部分變形在水位降低期間則由于庫(kù)水荷載釋放形成的回彈變形而抵消，邊坡總變形最終處于不超過(guò)1 mm的低水平。

圖7 岸坡左岸典型測(cè)點(diǎn)橫河向變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過(guò)程

圖8 岸坡右岸典型測(cè)點(diǎn)橫河向變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過(guò)程

針對(duì)施工期的強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析表明，在不考慮壩體澆筑對(duì)邊坡的壓坡作用的前提下，岸坡安全系數(shù)不低于1.6，滿足規(guī)范對(duì)其開(kāi)挖階段的穩(wěn)定性要求。前述運(yùn)行期應(yīng)力-耦合分析成果揭示，水位頻動(dòng)條件對(duì)岸坡變形影響不明顯，耦合作用引致的岸坡總變形不足4 mm，岸坡耦合總變形達(dá)到收斂時(shí)也不超過(guò)1 mm，且變形方向總體指向邊坡內(nèi)側(cè)，這些變形特點(diǎn)均指示岸坡巖體在運(yùn)行期可以維持原有的穩(wěn)定性條件。由此可以推斷，岸坡可滿足運(yùn)行期穩(wěn)定性要求，且安全系數(shù)可達(dá)1.6左右的較高水平。

4 結(jié)論

(1)對(duì)抽水蓄能電站而言，岸坡在運(yùn)行期的穩(wěn)定性分析應(yīng)合理描述因庫(kù)水位頻動(dòng)變化影響將經(jīng)歷的復(fù)雜的應(yīng)力-滲流耦合作用過(guò)程。

(2) 在水位降低過(guò)程中，指向坡外的滲透力可使得巖體承受拉應(yīng)力作用，此時(shí)巖體抗拉強(qiáng)度應(yīng)得到合理描述。

(3)周寧抽水蓄能電站在運(yùn)行期間，因水位頻動(dòng)引致的岸坡變形總體不超過(guò)4 mm，最終收斂變形也處在不足1 mm的低水平，且變形總體指向邊坡內(nèi)側(cè)，變形特點(diǎn)有利于邊坡穩(wěn)定性條件得以維持。

(4)周寧抽水蓄能電站庫(kù)岸邊坡可滿足運(yùn)行期穩(wěn)定性要求，且安全系數(shù)可達(dá)約為1.6的較高水平。