基于Midas的抽水蓄能電站水庫邊坡穩(wěn)定性分析

白崇宇

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110007)

現(xiàn)如今我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，中國電力市場不斷完善，抽水蓄能正在迎來爆發(fā)期。建立抽水蓄能電站，不僅能夠為電網(wǎng)提供調(diào)峰容量，解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，還能促進(jìn)地方相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為當(dāng)?shù)卦黾右欢ǖ木蜆I(yè)機會和較高的財政稅收，促進(jìn)當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟和人民生活水平的提高。

抽水蓄能電站樞紐一般是由上下蓄水水庫、輸水系統(tǒng)和電站廠房等建筑物組成。由于水庫邊坡高度大、地質(zhì)情況復(fù)雜、距離大壩近，穩(wěn)定性直接影響電站的運行安全，一旦失事后果極為嚴(yán)重。因此分析復(fù)雜地質(zhì)高邊坡在基本工況和特殊工況下的穩(wěn)定具有重要意義。

傳統(tǒng)邊坡的穩(wěn)定性分析設(shè)計可使用剛體極限平衡法，但需要人為的假設(shè)滑動面，條間力等，對計算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，不適用于復(fù)雜邊坡。而有限元數(shù)值分析方法無需假定可直接求解，原理與傳統(tǒng)極限分析方法完全一樣，只是求解方法不同，兩者能得到相同的計算結(jié)果。目前國外和國內(nèi)水利水電部門已廣泛采用數(shù)值極限分析法。

Midas GTS NX是一款巖土專用的有限元分析軟件，已通過ISO 9001品質(zhì)管理認(rèn)證。包含邊坡穩(wěn)定分析、線性靜力分析/動力分析、非線性靜力分析/動力分析、施工階段分析等多種分析類型，具備滲流-應(yīng)力/邊坡耦合分析、應(yīng)力-邊坡耦合分析等多項功能。廣泛應(yīng)用于水利工程、地鐵、礦山、邊坡等領(lǐng)域的有限元分析，具有良好的通用性和拓展性。

本文結(jié)合某工程實例，應(yīng)用Midas GTS NX軟件使用強度折減法進(jìn)行有限元分析，研究了高邊坡在一般工況、蓄水工況及地震工況下的穩(wěn)定性問題，結(jié)論符合實際監(jiān)測情況。對Midas GTS NX在水利工程中的應(yīng)用與推廣具有重要的參考意義。

1 有限元強度折減法

有限元強度折減法(簡稱SRM)作為數(shù)值分析方法的一種，基本原理是將邊坡巖土體的強度參數(shù)C和tanφ進(jìn)行折減，直至邊坡發(fā)生破壞，最終降低的比值即為安全系數(shù)Fs，與極限平衡法核心思想一致，均屬于強度儲備安全系數(shù)。原邊坡巖土體強度參數(shù)為粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ，將C和tanφ同時除以足夠小的初始計算值Fs，由此得到新的物理力學(xué)參數(shù)C′和φ′如下：

C′=C/Fs

(1)

φ′=arctanφ/Fs

(2)

C′和φ′作為新的巖土體強度指標(biāo)進(jìn)行試算，根據(jù)設(shè)定的準(zhǔn)則判別，如果收斂，則加大Fs的值重新試算，一直計算到不收斂為止。此時視為巖土體發(fā)生破壞，貫通區(qū)作為巖土邊坡剪切破壞滑動面，相應(yīng)的Fs即為最小安全系數(shù)，

有限元強度折減法能模擬條件復(fù)雜的地層狀況，不受邊坡形狀、材料不均勻性的限制；滿足靜力平衡條件、應(yīng)變相容準(zhǔn)則；能輸出土體內(nèi)力、變形等全部信息，不必預(yù)先假定滑動面，無須條分，在模擬時自動輸出貫通區(qū)域，簡便快捷。因此，SRM在邊坡的穩(wěn)定分析計算中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

2 工程概況與地質(zhì)條件

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站擬采用某露天礦東側(cè)礦坑為蓄水下庫。該露天礦地質(zhì)災(zāi)害得到各級政府的高度重視，針對存在的地質(zhì)災(zāi)害及治理問題，投入大量資金，先后開展了勘察、治理、監(jiān)測等多項工作，通過局部治理已取得了良好的效果。但由于百余年上、下聯(lián)合開采(露天開采和井工開采)形成的礦坑高陡邊坡、復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)等不利因素的影響，至今滑坡體仍在變形，地質(zhì)災(zāi)害問題仍然突出。蓄水后將改變邊坡穩(wěn)定條件，需開展邊坡穩(wěn)定性分析計算和評估，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，決定采取削坡+壓腳的加固防護(hù)措施。

2.2 地質(zhì)條件

抽水蓄能電站下庫右岸邊坡巖層傾向北，傾角約30°，為順層邊坡，巖體自上而下主要包括凝灰?guī)r、玄武巖、玄武巖夾煤、玄武巖、片麻巖風(fēng)化殼及片麻巖基底?；鶐r段巖體較完整，局部破碎或完整性差，層理及高角度結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。凝灰?guī)r多分布在邊坡表層，因礦坑開挖，剩余厚度不均。玄武巖所夾煤層與片麻巖風(fēng)化殼巖體強度較低，為邊坡變形及滑坡的控制性結(jié)構(gòu)面。

邊坡分布的滑坡堆積體屬于基巖順層滑坡，主要由于礦坑開挖深度增大，受邊坡各方向構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制，在強降雨誘發(fā)下產(chǎn)生了滑坡變形，由于滑坡以蠕滑變形為主，沒有發(fā)生速滑破壞，因此，滑坡體基巖并沒有完全解體破碎形成散體堆積，但巖體整體結(jié)構(gòu)已發(fā)生嚴(yán)重破壞，滑坡體中下部受強烈擠壓突起，順坡向張開裂隙發(fā)育，多處發(fā)現(xiàn)橫向拉裂縫。邊坡局部及上部大多區(qū)域回填有礦渣，為松散體邊坡。邊坡巖土體特征如圖1所示。

圖1 邊坡巖土體特征

3 邊坡數(shù)值模型建立

3.1 計算工況及參數(shù)選取

不同作用條件對邊坡穩(wěn)定有不同的影響，為與實際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，在邊坡穩(wěn)定分析計算時分別考慮自然狀態(tài)一般工況(巖土體飽和)、削坡壓腳后一般工況(巖土體飽和)、自然狀態(tài)蓄水工況、自然狀態(tài)蓄水+地震工況、加固后(削坡壓腳)蓄水和蓄水+地震工況，對不同組合情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，具體組合詳見表1。

表1 計算工況

選取正確的邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)直接決定邊坡穩(wěn)定性評價。巖體指標(biāo)利用巖樣試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)合巖體完整性及風(fēng)化程度進(jìn)行折減。本工程綜合巖體現(xiàn)場抗剪試驗指標(biāo)、地勘報告建議值、巖體強度指標(biāo)折減系數(shù)、類比其他相似工程，根據(jù)現(xiàn)場實際巖土體情況等因素分析確定。本次數(shù)值計算主要采用的土體物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。邊坡地質(zhì)剖面如圖2所示。

表2 巖土力學(xué)參數(shù)

圖2 邊坡地質(zhì)剖面

3.2 計算范圍的確定及本構(gòu)模型

為了得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，將邊坡模型向外做了一定程度的拓展，模型底寬設(shè)定為1700m，高設(shè)定為800m。邊坡模型的底部邊界設(shè)置x、y方向約束，左右邊界設(shè)置x方向約束。

邊坡的穩(wěn)定性分析方法都是以巖土塑性理論為基礎(chǔ)，假設(shè)邊坡的變形和發(fā)展都處于塑性階段，直到坡體破壞，邊坡失穩(wěn)。莫而-庫侖模型綜合了庫侖破壞準(zhǔn)則和胡可定律，是理想的彈塑性模型。該模型使用方便，經(jīng)常應(yīng)用于邊坡、堤防、土石壩等穩(wěn)定性分析。本工程即使用經(jīng)典莫而-庫侖的巖土本構(gòu)模型，利用Midas GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.3 模型的建立

創(chuàng)建準(zhǔn)確的邊坡模型對穩(wěn)定分析起著至關(guān)重要的作用。整體邊坡模型共劃分為21424個單元，21553個節(jié)點。計算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格模型

具體操作步驟為：在Midas軟件中新建Y軸作為重力方向的2D模型→將分好地層的AutoCAD文件導(dǎo)入→圖形交叉分割→建立巖土體的材料、屬性→對地層輪廓線、地層分界線進(jìn)行尺寸控制→依據(jù)尺寸控制劃分網(wǎng)格→添加重力荷載、地震荷載→添加邊界約束條件→設(shè)置分析施工階段→設(shè)置分析工況等。

模型建立過程中需注意的是：導(dǎo)入的dwg文件需以m為單位，在坐標(biāo)原點附近；通過在工作目錄樹模型表單中雙擊工作平面中xz(0，-1，0)按鈕，確保工作平面處于xz平面上；土體結(jié)構(gòu)選擇平面應(yīng)變。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 邊坡參數(shù)的合理性分析

根據(jù)對邊坡雷達(dá)變形監(jiān)測以及人工監(jiān)測結(jié)果的分析，滑坡為順層深層滑坡，滑坡體于邊坡坡腳產(chǎn)生剪出隆起。依據(jù)等效塑性應(yīng)變分布圖，該斷面破壞型式為沿玄武巖間軟弱層的深層滑動破壞，同時玄武巖與片麻巖接觸帶的風(fēng)化殼也將發(fā)生很大的塑性沉陷，滑坡剪出口位于坡底，與實際滑坡破壞基本吻合。加固前等效塑形貫通區(qū)如圖4所示。

圖4 加固前等效塑形貫通區(qū)

4.2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)規(guī)范中對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的相關(guān)規(guī)定，參考露天礦坑的實際情況，考慮蓄水后的穩(wěn)定要求，確定抽水蓄能電站水庫邊坡基本組合下，穩(wěn)定安全系數(shù)Fst取為1.5，特殊組合取為1.15。

求解運行后，軟件可以直接計算出安全系數(shù)。經(jīng)計算，邊坡加固前一般工況安全系數(shù)均等于穩(wěn)定安全系數(shù)。蓄水工況安全系數(shù)大于穩(wěn)定安全系數(shù)，蓄水+地震工況小于穩(wěn)定安全系數(shù)，不滿足規(guī)范要求。邊坡進(jìn)行削坡壓腳加固后各工況均大于穩(wěn)定安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。計算結(jié)果見表3。

表3 計算結(jié)果

分析計算云圖，經(jīng)過加固處理后，3種工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)均得到較大提高。最危險的滑動面與原狀邊坡的滑動面位置相同，均為沿玄武巖間軟弱層的深層滑動破壞。但玄武巖與片麻巖接觸帶風(fēng)化殼的塑性沉陷有效降低。加固后等效塑形貫通區(qū)如圖5所示。

圖5 加固后等效塑形貫通區(qū)

4.3 技術(shù)難點及解決方案

研究巖土物理力學(xué)參數(shù)通常主要通過巖土力學(xué)試驗得到，但確定巖石的物理力學(xué)參數(shù)時，并沒有考慮斷層、節(jié)理、軟弱夾層等分界面對整體穩(wěn)定的影響，而巖土體的穩(wěn)定主要受這些因素控制。所以，想準(zhǔn)確地反映巖土體的受力狀態(tài)，不能僅僅依靠力學(xué)試驗。大型巖土體的滑坡可以看作剪切實驗，如果能夠準(zhǔn)確掌握形態(tài)、原因，則通過滑動可以反算出力學(xué)參數(shù)，其結(jié)果是可靠的。

網(wǎng)格密度對計算結(jié)果有一定影響，網(wǎng)格過疏會造成較大的誤差，網(wǎng)格過密則耗費大量的計算資源。網(wǎng)格密度達(dá)到一定程度后，單純增加密度已不能再大幅度提高計算精度。先以合適的密度計算一次。再將滑動區(qū)臨近網(wǎng)格加密2倍，若2次計算結(jié)果差異不大，則認(rèn)為網(wǎng)格密度選取合適。本模型中網(wǎng)格尺寸控制在5～20m。

地下水對邊坡安全穩(wěn)定的影響十分關(guān)鍵，根據(jù)以往滑坡資料，邊坡滑坡基本都發(fā)生在強降雨之后。據(jù)此，此次計算巖土體均假設(shè)為飽和狀態(tài)。滿蓄水位為72m，具體添加方法：靜力/邊坡分析→添加施工階段組→通過定義施工階段→新建施工階段→定義初始水位→勾選SRM分析。

通過添加慣性力模擬地震工況，地震烈度為7度，地震動峰值加速度0.1g。點擊“靜力/邊坡分析”菜單下的“自重”命令，將Gx方向輸為0.1，“荷載組”命名為“地震荷載”。在新建施工階段中添加地震工況，將地震荷載拖入激活數(shù)據(jù)中。

5 結(jié)語

本文以某擬建抽水蓄能電站為例，詳細(xì)說明了高邊坡復(fù)雜地質(zhì)有限元模型的設(shè)計及其計算結(jié)果。對于不同的邊坡工程(礦山、鐵路高邊坡、公路邊坡等)使用不同的參數(shù)及模型進(jìn)行分析具有借鑒意義。但仍有如下不足需要優(yōu)化。

(1)已有礦坑蓄水邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，礦坑蓄水對整體邊坡穩(wěn)定性是有利的，但不排除造成邊坡局部巖體結(jié)構(gòu)破環(huán)而產(chǎn)生滑塌的可能。需進(jìn)一步深度研究礦坑蓄水對泥巖、頁巖軟化作用及影響，以及不同加固方案比選等關(guān)鍵問題。

(2)如何將Midas與其他建模軟件(如Bently、Revit等)更好的結(jié)合使用，需做進(jìn)一步研究。