周寧抽水蓄能電站下水庫(kù)右岸邊坡穩(wěn)定性分析

黃文洪，周順田，康志亮，陳 熠，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)

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi)，裝機(jī)容量1 200 MW，為I等大(一)型工程。電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物組成，主體建筑物均為1級(jí)建筑物。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)兩岸群山環(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。

受本工程庫(kù)容要求和水位變幅、水庫(kù)回水對(duì)龍溪二級(jí)電站攔河壩的影響、泄洪消能對(duì)龍溪二級(jí)電站廠房的影響等因素，下水庫(kù)壩址選擇是唯一的。壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育多條二級(jí)斷層和巖脈等不利地質(zhì)構(gòu)造，局部天然邊坡強(qiáng)卸荷巖體分布深度較深，特別是右岸壩頭邊坡設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度較淺，開(kāi)挖后坡面仍以強(qiáng)卸荷巖體為主，預(yù)計(jì)在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)遇到一系列邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。因此，有必要采用三維離散元數(shù)值分析方法，深入開(kāi)展節(jié)理巖質(zhì)高邊坡開(kāi)挖變形響應(yīng)特征及穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)工作[1-8]，為施工期邊坡開(kāi)挖支護(hù)方案的制定提供依據(jù)，同時(shí)也可為其他類(lèi)似巖質(zhì)高邊坡工程提供借鑒作用。

1 工程地質(zhì)條件

下水庫(kù)壩址位于七步溪主河道上，七步溪河道在壩址段蜿蜒曲折，流向?yàn)镹12°E～N67°E，壩址兩岸地形基本對(duì)稱(chēng)，山體雄厚，左岸山頂高程在450 m以上，右岸山頂高程在550 m以上，河谷呈較狹窄的“V”字形，自然邊坡穩(wěn)定(見(jiàn)圖1)。

圖1 下水庫(kù)壩址區(qū)兩岸邊坡原始地貌圖

壩址基巖巖性以燕山晚期第三次侵入的鉀長(zhǎng)花崗巖為主，輝綠巖脈和石英二長(zhǎng)斑巖脈較發(fā)育，巖體以完整性差～較完整為主。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，淺層卸荷作用較強(qiáng)烈，卸荷裂隙多為陡傾角，主要沿原生構(gòu)造面產(chǎn)生，一般充填巖塊、次生泥。根據(jù)壩址區(qū)兩岸平洞揭露，左岸強(qiáng)卸荷水平深度2.0～9.6 m，弱卸荷水平深度6～19 m；右岸強(qiáng)卸荷水平深度5.0～9.5 m，弱卸荷水平深度6.5～24.0 m，局部受巖脈侵入影響，最大卸荷深度達(dá)48 m。大壩軸線工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 下水庫(kù)大壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算范圍選取與模型建立

計(jì)算模型的計(jì)算范圍一般應(yīng)包括全部整個(gè)工程影響區(qū)域，且應(yīng)適當(dāng)放大，以盡量避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，數(shù)值計(jì)算模型范圍為：450 m×250 m×300 m(x×y×z)，模型底部高程為100 m。模型的坐標(biāo)系x軸為順河向，坐標(biāo)系y軸為橫河向向，z軸為鉛直向，三維數(shù)值分析模型如圖3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的由上至下分期開(kāi)挖方案，確定了圖3中所示的分序開(kāi)挖計(jì)算方案，對(duì)應(yīng)于數(shù)值模擬開(kāi)挖分析中的各典型開(kāi)挖步。

圖3 計(jì)算模型圖

2.2 巖體參數(shù)選取

巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)工程勘探揭露的巖性和巖體風(fēng)化特征，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)，基于現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，最終確定了各類(lèi)巖體的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值表

2.3 結(jié)構(gòu)面模擬及參數(shù)取值

本次分析采用ITASCA開(kāi)發(fā)的3DEC離散元數(shù)值分析軟件，該軟件內(nèi)置節(jié)理單元，可以方便地建立節(jié)理巖體數(shù)值計(jì)算模型，并可以描述結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)、壓縮、剪切滑移等基本現(xiàn)象，從而直觀地反映結(jié)構(gòu)面的變形特征和破壞形態(tài)。在本次研究中，主要將壩址區(qū)發(fā)育的斷層等影響較大結(jié)構(gòu)面建入模型中，針對(duì)結(jié)構(gòu)面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準(zhǔn)則基于庫(kù)侖剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型中主要模擬的結(jié)構(gòu)面及其參數(shù)取值見(jiàn)表2、表3。

表2 壩址區(qū)發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面表

表3 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表

2.4 河谷地應(yīng)力場(chǎng)分析

地應(yīng)力場(chǎng)是巖土工程最為重要的荷載之一，其準(zhǔn)確性將直接影響到計(jì)算成果的可靠性。參考國(guó)內(nèi)外各種文獻(xiàn)的地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值[3]，河谷形成前的初始地應(yīng)力狀態(tài)可以描述為：

(1)

式中：σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σV為垂直向應(yīng)力，MPa；h為埋深，m；γ為巖石密度，MN/m3；k1、k2、T1、T2為常數(shù)，描述了河谷形成前小區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)。

假設(shè)該工程區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)符合公式(1)的描述，根據(jù)廠房區(qū)域地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果，回歸得到工程區(qū)域的地應(yīng)力分布特征(見(jiàn)圖4)，測(cè)點(diǎn)孔口垂直向埋深239 m，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹16～22°W。

圖4 初始地應(yīng)力場(chǎng)隨深度分布特征圖

將該應(yīng)力分布特征作為數(shù)值分析的初始地應(yīng)力輸入條件，計(jì)算得到壩址區(qū)的河谷地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，如圖5所示。壩址區(qū)左右岸邊坡應(yīng)力量值基本相當(dāng)，以NNW～NNE向水平構(gòu)造應(yīng)力為主，兩岸坡表淺層一定深度范圍內(nèi)卸荷特征明顯，岸坡應(yīng)力從上至下初始地應(yīng)力水平呈增高趨勢(shì)，邊坡開(kāi)挖區(qū)域，最大主應(yīng)力約為2～5 MPa，最小主應(yīng)力一般在1 MPa以?xún)?nèi)，河床部位表現(xiàn)出一定河谷應(yīng)力集中特征，量值一般在6～8 MPa，開(kāi)挖區(qū)整體應(yīng)力水平不高。

圖5 天然邊坡壩軸線剖面初始地應(yīng)力場(chǎng)分布特征圖

3 邊坡開(kāi)挖變形特征及穩(wěn)定性分析研究

3.1 邊坡開(kāi)挖變形特征分析

邊坡開(kāi)挖主要是剝離自然邊坡淺部質(zhì)量相對(duì)較差的卸荷風(fēng)化巖體，一般淺部巖體開(kāi)挖所導(dǎo)致的應(yīng)力釋放很小，不可能導(dǎo)致相對(duì)新鮮巖體的應(yīng)力型屈服，但開(kāi)挖在剝離淺部質(zhì)量相對(duì)較差巖體的同時(shí)，也可能改變一些結(jié)構(gòu)面、特別是結(jié)構(gòu)面組合塊體的臨空狀態(tài)，從而影響它們的穩(wěn)定性，現(xiàn)實(shí)中開(kāi)挖導(dǎo)致的這種影響往往成為工程中最需要關(guān)心的問(wèn)題。

圖6給出了下水庫(kù)右岸邊坡開(kāi)挖過(guò)程中累計(jì)變形分布情況，在邊坡上部278 m高程以上開(kāi)挖過(guò)程中，由于開(kāi)挖深度較淺，應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形量相對(duì)較小，計(jì)算結(jié)果揭示坡體變形多在毫米級(jí)；隨著邊坡持續(xù)下挖，坡體變形呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是坡腳區(qū)域開(kāi)挖過(guò)程中，受坡體賦存應(yīng)力條件影響，整體開(kāi)挖變形量值比前一階段相對(duì)偏大，坡腳區(qū)域壩基邊坡變形一般可達(dá)到10 mm量級(jí)水平；整個(gè)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，變形較大區(qū)域主要位于開(kāi)口線附近，但未表現(xiàn)出明顯結(jié)構(gòu)面控制的非連續(xù)變形或滑移變形特征，顯示了邊坡較好的整體穩(wěn)定特征。

圖6 右岸邊坡開(kāi)挖過(guò)程中巖體變形響應(yīng)特征圖

3.2 邊坡整體穩(wěn)定性分析

本次研究主要采用“強(qiáng)度折減法”來(lái)分析邊坡的整體穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減、即人為惡化邊坡條件的方式，使邊坡變形增長(zhǎng)、乃至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并根據(jù)臨界狀態(tài)的變形場(chǎng)分布或變形速率分布情況判斷出邊坡潛在失穩(wěn)模式，以達(dá)到認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定特征的目的。

圖7、圖8是開(kāi)挖邊坡不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的位移云圖(強(qiáng)度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6)，其中顯示了該邊坡在巖體條件不斷惡化時(shí)的變形發(fā)展過(guò)程。在強(qiáng)度折減系數(shù)為1.6的情況下，計(jì)算結(jié)果沒(méi)有指示任何潛在滑動(dòng)破壞的位移場(chǎng)特征，整體變形能趨于收斂，且變形量值偏低，可以認(rèn)為該邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)，右岸邊坡開(kāi)挖，并不會(huì)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生明顯影響，邊坡安全性較高(Fos>1.6)，工程區(qū)域發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面均為陡傾角，基本不會(huì)在開(kāi)挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩(wěn)定問(wèn)題。

數(shù)值計(jì)算中并沒(méi)有考慮節(jié)理等淺層延伸較短結(jié)構(gòu)面的影響，現(xiàn)實(shí)中節(jié)理可能會(huì)導(dǎo)致淺表小塊體的破壞，特別是開(kāi)口線區(qū)域，一般為強(qiáng)卸荷巖體，節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，局部淺層巖體存在塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，在邊坡開(kāi)挖前應(yīng)及時(shí)施作鎖口支護(hù)，開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)實(shí)際揭露地質(zhì)情況可適當(dāng)控制爆破、加強(qiáng)噴層、乃至掛網(wǎng)支護(hù)，以維持邊坡良好的開(kāi)挖形態(tài)。

圖7 右岸工程邊坡不同強(qiáng)度折減系數(shù)下坡體位移分布圖

圖8 右岸工程邊坡不同強(qiáng)度折減系數(shù)下坡體位移分布圖(典型剖面)

4 結(jié) 語(yǔ)

采用三維離散元數(shù)值分析方法，對(duì)周寧抽水蓄能電站下水庫(kù)右岸邊坡施工期開(kāi)挖變形特征及穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下。

1)周寧抽水蓄能電站下水庫(kù)右岸邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，邊坡變形隨高程由上至下呈現(xiàn)逐步遞增的規(guī)律，中下部開(kāi)挖的卸荷作用相對(duì)明顯，邊坡典型部位的開(kāi)挖變形量值總體在10 mm以?xún)?nèi)，其中壩基面的變形特征總體良好，未見(jiàn)明顯的松弛卸荷變形問(wèn)題。

2)邊坡整體穩(wěn)定性較好，工程區(qū)域發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面均為陡傾角，基本不會(huì)在開(kāi)挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩(wěn)定問(wèn)題，強(qiáng)度折減分析結(jié)果表明，邊坡開(kāi)挖完成后，整體安全系數(shù)仍可維持在1.6以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3)邊坡開(kāi)口線區(qū)域，一般為強(qiáng)卸荷巖體，節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，局部淺層巖體存在塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，是工程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，開(kāi)挖過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際揭露地質(zhì)情況適當(dāng)控制爆破、加強(qiáng)噴層、乃至掛網(wǎng)支護(hù)。