考慮水位頻動(dòng)影響的周寧壩址區(qū)邊坡運(yùn)行期穩(wěn)定性分析

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.中國電建集團(tuán)華東勘測設(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，邊坡巖體因庫水位變化將經(jīng)歷極為復(fù)雜的應(yīng)力-滲流耦合作用過程。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)帶來潛在安全問題。

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)測試與數(shù)值分析是目前針對(duì)該類型問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)研究了庫區(qū)邊坡在水位升降作用下的失穩(wěn)過程。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]將庫水位變化過程簡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)相互作用過程的非耦合方法顯然無法滿足穩(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)測庫岸邊坡巖體在運(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。電站下水庫位于七步溪河谷上，為山區(qū)峽谷型水庫，水庫庫周群山環(huán)抱，山體雄厚，無低鄰谷和低于正常蓄水位的埡口，庫區(qū)總體為長條形峽谷。下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程306 m，最大壩高108 m，壩頂長度216.50 m，壩頂寬度9 m。下水庫正常蓄水位299 m，死水位262 m。見圖1，樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(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(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；巖性以鉀長花崗巖為主，巖石由鉀長石、斜長石、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，孔隙壓力變化反過來也會(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，壩址區(qū)及上下游庫岸基本地質(zhì)條件具有特征：

(1) 上游庫區(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，參見表1。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(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)行期庫岸水力坡降在水位降低過程中指向坡外，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)行期庫岸邊坡穩(wěn)定性分析

在開展運(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，通過必要的模型設(shè)置、采用非耦合方法依次開展初始地應(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岸岸坡巖體的變形、應(yīng)力及其水壓力響應(yīng)條件，該過程對(duì)應(yīng)于時(shí)間節(jié)點(diǎn)②；在水位上升過程中，庫水入滲實(shí)際必然伴隨岸坡蓄水響應(yīng)過程，節(jié)點(diǎn)③即為基于排水分析方法獲得庫水入滲對(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，庫水位自正常蓄水位降至死水位，針對(duì)該過程采用的岸坡力學(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，而總變形主要用來反映變形水平。圖中同時(shí)標(biāo)識(shí)了若干變形測點(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，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、右岸邊坡典型測點(diǎn)(參見圖4測點(diǎn)分布)部位巖體總變形在75 d運(yùn)行期內(nèi)的演變過程曲線，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 岸坡左岸典型測點(diǎn)總變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過程

圖6 岸坡右岸典型測點(diǎn)總變形在運(yùn)行期間(75 d)的演變過程

(1)測點(diǎn)5、測點(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3 mm和4 mm。

(2) 考察測點(diǎn)變形曲線形態(tài)特點(diǎn)可見，庫岸邊坡變形響應(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，左右岸岸坡巖體在運(yùn)行過程中可以維持較好的穩(wěn)定性條件。

圖7、圖8給出了測點(diǎn)部位巖體橫河向變形在75 d運(yùn)行期內(nèi)的演變過程曲線，其特點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了測點(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1 mm的低水平。

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

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

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-滲流耦合作用過程。

(2) 在水位降低過程中，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。