呂 慶 超， 朱 穎 儒， 齊 景 瑞， 李 渤

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引 言

高邊坡的變形穩(wěn)定問題一直都是制約水電工程安全的關鍵因素之一，隨著我國水電工程建設大力向西部地區(qū)發(fā)展，庫區(qū)地質(zhì)條件也愈加復雜[1]，再加上大規(guī)模的工程邊坡開挖以及蓄水后引起的水文地質(zhì)條件劇變，致使邊坡穩(wěn)定問題突出[2-4]。

目前，邊坡工程穩(wěn)定分析及支護設計主要還是基于剛體極限平衡法，其優(yōu)勢是物理概念明確、操作簡單、計算效率高，并且具有國內(nèi)外大量工程實踐經(jīng)驗，是規(guī)范推薦采用的分析方法[5-7]。但是，剛體極限平衡法也存在不足，包括僅適用于具有明確滑動面的巖質(zhì)邊坡、結(jié)構(gòu)面發(fā)育的松散巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡，同時需要假定滑面形態(tài)，且無法考慮邊坡的變形穩(wěn)定問題。因此，對于地質(zhì)條件復雜的大規(guī)模巖質(zhì)邊坡，一般還需采用有限元法對其變形穩(wěn)定進行復核。此外，通過結(jié)合強度折減法還可以得到與剛體極限平衡法接近的安全系數(shù)[8-10]，但由于不同的失穩(wěn)標準，不同的計算程序均可能得到不同的安全系數(shù)，一般主要用于失穩(wěn)模式的判別，不作為主要設計依據(jù)。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于非連續(xù)介質(zhì)力學的分析方法如DDA、UDEC及PFC等在工程中也逐漸得到應用[11-13]，其優(yōu)勢是可以考慮巖體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)特性，一般用于破壞機理分析或有限組結(jié)構(gòu)面控制的巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析。雖然DDA及3DEC均有成功的三維邊坡穩(wěn)定分析實例[14-15]，但當塊體數(shù)量達到工程規(guī)模時，計算效率及收斂性仍存在一些問題，難以在工程中得到廣泛應用。

1 工程概況

巴塘水電站是金沙江上游河段規(guī)劃的13座梯級電站的第9座梯級水電站，位于川藏交界的金沙江上游河段。水庫正常蓄水位2 545 m，總庫容為1.58億m3，裝機容量為750 MW。工程等級為二等，工程規(guī)模為大(2)型，相應泄洪洞導流洞進口邊坡級別為A類Ⅱ級。目前巴塘水電站已經(jīng)順利截流。

兩洞進口邊坡基巖為二疊系下統(tǒng)黑云母石英片巖，正常基巖傾角較陡，產(chǎn)狀NW335°SW∠75°～80°，受邊坡風化、卸荷、傾倒等的影響，邊坡巖體破碎，多呈碎裂-散體結(jié)構(gòu)。結(jié)合平硐調(diào)查，統(tǒng)計發(fā)育的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面主要有四組：①NE35°～90°NW∠45°～85°；②NE15°～35°SE∠60°～80°；③NW315°～360°NE∠53°～80°；④NE35°～70°SE∠33°～57°，圖1為各組結(jié)構(gòu)面的赤平投影及與導流洞泄洪洞進口邊坡的相對位置關系?？梢?，第③組結(jié)構(gòu)面為層間結(jié)構(gòu)面，該組結(jié)構(gòu)面與邊坡走向基本一致，但傾角較陡，沿該組結(jié)構(gòu)面滑動的可能性不大，而第①、②及④組結(jié)構(gòu)面與邊坡走向斜交，初步判斷邊坡不存在控制性緩傾坡外結(jié)構(gòu)面，整體穩(wěn)定性較好。同時，受多組結(jié)構(gòu)面切割，強風化深度近40 m，該部分巖體在邊坡及洞室開挖過程中易發(fā)生局部塌滑，是泄洪洞導流洞進口邊坡穩(wěn)定性分析及支護設計的關鍵。

2 計算條件

2.1 計算方法

根據(jù)巴塘水電站兩洞進口邊坡的地質(zhì)條件，該邊坡無控制性緩傾坡外結(jié)構(gòu)面，其主要失穩(wěn)模式為開挖過程中的變形失穩(wěn)，同時考慮到強風化巖體已近散體結(jié)構(gòu)，按照《水電工程邊坡設計規(guī)范》(NB/T 10512-2021)采用簡化畢肖普法進行抗滑穩(wěn)定分析，并采用三維非線性有限元對開挖過程中兩洞進口邊坡的整體變形穩(wěn)定進行分析。

圖1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

三維非線性有限元計算采用Midas GTS NX 2018，該程序是一款針對巖土領域研發(fā)的通用有限元分析軟件[16]，可以根據(jù)不同巖體特性分步考慮施工開挖過程中的荷載釋放效應，使得數(shù)值模擬結(jié)果更符合實際情況。

2.2 計算模型及參數(shù)

分別選取典型剖面A-A及剖面B-B作為導流洞進口邊坡和泄洪洞進口邊坡抗滑穩(wěn)定分析的計算剖面，計算剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)及設計開挖輪廓見圖2，圖3為三維非線性有限元模型，模型范圍如圖所示。表1為主要巖體物理力學參數(shù)，其中基巖參數(shù)對邊坡穩(wěn)定不起控制作用，在進行穩(wěn)定分析計算時，統(tǒng)一取Ⅲ類巖下限值。

表1 主要巖體物理力學參數(shù)

2.3 計算工況及設計標準

根據(jù)新修訂的《水電工程邊坡設計規(guī)范》(NB/T 10512-2021)，巴塘水電站兩洞進口邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡設計級別為Ⅱ級，考慮到邊坡已經(jīng)開挖完成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)揭露明確，設計標準取A類Ⅱ級邊坡下限值。持久工況、短暫工況及偶然工況下抗滑安全系數(shù)設計標準分別為1.15、1.05和1.05。其中持久工況為邊坡開挖支護完成后蓄水至正常蓄水位2 545 m，考慮巖體自重及地下水作用；短暫工況為正常運行期遭遇暴雨及水位驟降至死水位2 540 m，由于邊坡支護已經(jīng)完成，不考慮施工期支護未生效工況；偶然工況為正常運行期遭遇地震，巴塘水電站樞紐區(qū)按照50年超越概率10%標準設防，相應基巖水平峰值加速度為0.18 g。

圖2 計算剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)及設計開挖輪廓

圖3 三維有限元模型

3 抗滑穩(wěn)定分析

表2和表3分別為導流洞、泄洪洞進口邊坡開挖完成后，各工況下的安全系數(shù)及滿足規(guī)范要求所需加固力?？梢?，導流洞進口邊坡加固力主要由正常工況控制，分別需要3 162 kN和2 271 kN，若采用1 000 kN預應力錨索，間距4.0 m，則導流洞邊坡需布置13排，泄洪洞進口邊坡需要布置9排。圖4和圖5分別為支護后兩洞進口邊坡各工況下最危險滑面及安全系數(shù)?？梢?，最危險滑面均在3級以上邊坡，處理后均滿足規(guī)范要求。

表2 導流洞進口邊坡開挖完成后安全系數(shù)及加固力

表3 泄洪洞進口邊坡開挖完成后安全系數(shù)及加固力

圖4 導流洞進口邊坡最危險滑面

圖5 泄洪洞進口邊坡最危險滑面

4 三維變形穩(wěn)定分析

采用三維非線性有限元法進行邊坡施工期及運行期的邊坡穩(wěn)定分析，其中地應力按照自重進行模擬，不考慮構(gòu)造應力影響。地應力形成后位移清零，然后分9級模擬邊坡及兩洞進口的開挖，預應力錨索支護落后開挖1級。在此基礎上，蓄至正常蓄水位2 545 m，分析正常運行階段邊坡變形穩(wěn)定性。

圖6為施工及運行期兩洞進口邊坡三維變形云圖，由圖可見，兩洞進口邊坡開挖完成后變形總體穩(wěn)定，與現(xiàn)場安全監(jiān)測結(jié)論一致。蓄水后兩洞進口邊坡上下游側(cè)淺層會有10 cm左右的變形，可能發(fā)生局部塌滑。工程邊坡受蓄水影響較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨及水位驟降工況會再產(chǎn)生2 cm左右變形，其中暴雨工況最大變形出現(xiàn)在下游側(cè)表部破碎巖體，水位驟降工況最大變形出現(xiàn)在泄洪洞上部水位變幅區(qū)，該處設計有貼坡混凝土防護，對邊坡穩(wěn)定性影響不大。地震工況下工程邊坡頂部天然邊坡變形較大，最大約31 cm，但變形主要發(fā)生在淺層，采用強度折減法進行分析，此時整體安全系數(shù)為1.09，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，建議工程邊坡頂部布設被動防護網(wǎng)，并加強坡面防護，防止地震局部垮塌危及下部建筑物。

圖6 施工期邊坡的變形云圖

5 結(jié) 語

采用剛體極限平衡法及三維非線性有限元法對巴塘水電站泄洪洞導流洞進口邊坡穩(wěn)定進行分析，主要結(jié)論如下：

(1)巴塘水電站兩洞進口邊坡級別為A類Ⅱ級，采用1 000 kN級預應力錨索對邊坡進行系統(tǒng)支護，其中導流洞進口以上邊坡布置13排，泄洪洞進口以上邊坡布置9排，支護后各工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

(2)采用三維非線性有限元對兩洞進口邊坡開挖過程及正常運行階段各工況下的變形穩(wěn)定進行分析，結(jié)果表明，在現(xiàn)有支護方案下，開挖過程中邊坡穩(wěn)定性較好，運行期工程邊坡變形在允許范圍之內(nèi)。