玉門抽水蓄能電站工程廠區(qū)高邊坡穩(wěn)定分析

宋國(guó)棟，郭 芳

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

邊坡穩(wěn)定性影響因素主要有邊坡巖土體的強(qiáng)度參數(shù)——內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c以及地下水對(duì)和邊坡高度、邊坡腳度(坡率)等[1-2]，其中巖土體強(qiáng)度和地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大，其次為坡高、坡腳等[3-4]。對(duì)于節(jié)理巖體邊坡，其穩(wěn)定性主要受軟弱結(jié)構(gòu)面(節(jié)理)的控制，且隨著坡高和破角的增加而降低[5]。其中結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面與邊坡坡腳的傾向關(guān)系，結(jié)構(gòu)面直立的邊坡穩(wěn)定性略大于結(jié)構(gòu)面水平的邊坡，反傾向結(jié)構(gòu)面的邊坡穩(wěn)定性明顯大于順傾向結(jié)構(gòu)面的邊坡[6]，結(jié)構(gòu)面傾角與坡腳同向時(shí)，夾角越大越穩(wěn)定。此外，地下水對(duì)巖體邊坡的影響也尤為重要，主要表現(xiàn)為兩方面，一方面水的入滲，使巖體質(zhì)量增大，滑體滑動(dòng)力增大；同時(shí)水的潤(rùn)滑、軟化和溶蝕以及水—巖相互作用使巖體的強(qiáng)度降低，邊坡的安全系數(shù)降低[7-8]。

本工程地面廠房區(qū)域以巖質(zhì)邊坡為主，但邊坡開挖前已長(zhǎng)期存在地下水，此時(shí)根據(jù)地質(zhì)勘察所得出的巖土體重度、強(qiáng)度等參數(shù)已是水—巖相互左右后的參數(shù)，不用再重復(fù)考慮水的影響。

1 工程概況

甘肅玉門抽水蓄能電站位于酒泉地區(qū)玉門市境內(nèi)，距玉門市直線距離約40 km，距酒泉市直線距離約150 km。電站推薦裝機(jī)容量為1 200 MW，按裝機(jī)容量確定為一等大(1)型工程，永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地面廠房系統(tǒng)等建筑物組成。

地面廠房位于下水庫(kù)主壩西側(cè)，距離下水庫(kù)約500 m，采用尾部式開發(fā)方式。廠區(qū)地面高程為2 289.80 m，廠區(qū)平面尺寸為179.85 m×87.59 m(廠區(qū)總布置示意見圖1)。

圖1 廠區(qū)總布置示意

地面廠房布置在野馬溝與陰思道溝的山坳間，廠房區(qū)地勢(shì)三面高一面低(西南高東北低)，東北側(cè)為陰思道溝，高程低于廠房區(qū)。地面廠房的建設(shè)，需開挖西南三側(cè)山體，最終形成最高為88.25 m的開挖邊坡。

2 地形地質(zhì)條件

廠房區(qū)西南側(cè)山梁段為主要開挖區(qū)，現(xiàn)狀山體基巖出露，在溝底及斜坡上未見有大范圍崩塌體堆積分布。在陡坡、陡坎處被卸荷裂隙切割，分布有穩(wěn)定性較差的小塊體。邊坡巖土體以塊裂狀結(jié)構(gòu)夾碎裂狀結(jié)構(gòu)巖體為主，完整性差，較軟巖夾中硬巖，以較軟巖為主，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以斷層、卸荷裂隙為主；地下水埋藏較深，地下水活動(dòng)較弱。巖性有二云角閃片麻巖、條帶狀大理巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖，斷層破碎帶及影響帶為構(gòu)造碎裂巖?；鶐r全風(fēng)化帶缺失，強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.0～15.5 m，弱風(fēng)化帶埋深0.7～15.5 m。斷層主要發(fā)育有走向N5°～10°W，傾角以大于80°為主的f315、f316、f317、f331斷層；走向N60°～80°E，傾角以大于70°為主的f322、f329、f324斷層。

3 邊坡主要斷面選取及工況分析

3.1 邊坡開挖設(shè)計(jì)

玉門工程區(qū)廠房作為重要發(fā)電建筑物，其邊坡穩(wěn)定尤為重要。參照邊坡工程技術(shù)規(guī)范[9]相關(guān)規(guī)定及勘探相關(guān)數(shù)據(jù)，廠區(qū)開挖邊坡采用規(guī)范建議的穩(wěn)定坡率進(jìn)行開挖設(shè)計(jì)。廠區(qū)發(fā)電機(jī)層(2 290.0 m高程)以下的臨時(shí)邊坡，開挖坡比取1∶0.5，每10 m高設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬度為2 m；發(fā)電機(jī)層(2 290.0 m高程)以上的永久邊坡，開挖坡比取1∶0.8，每10 m高設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬度2 m。

3.2 計(jì)算斷面選取

為此地面廠房計(jì)算斷面選擇西南側(cè)最高邊坡為主要分析邊坡，計(jì)算斷面如圖2所示。結(jié)構(gòu)面f309傾向與邊坡傾向相反，較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)面f317傾向與邊坡相同，為邊坡穩(wěn)定分析的控制結(jié)構(gòu)面。

圖2 計(jì)算邊坡斷面示意

3.3 計(jì)算工況

由于玉門工程區(qū)地震烈度高，在地震作用下邊坡的穩(wěn)定與否影響建筑物的安全。因此在天然狀態(tài)工況的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步考慮地震荷載作用。邊坡計(jì)算工況考慮的荷載效應(yīng)見表1。

表1 計(jì)算分析工況

根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[9]，廠區(qū)邊坡抗震設(shè)防類別為乙類，按50 a超越概率5%作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的的地震動(dòng)參數(shù)為307.8 gal，采用擬靜力法進(jìn)行計(jì)算。此外，對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度的大跨度水工混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時(shí)計(jì)入水平向和豎向地震作用，豎向地震加速度的代表值一般可取水平向地震加速度代表值的2/3。參考邊坡工程技術(shù)規(guī)范[9]，經(jīng)計(jì)算得到邊坡綜合水平地震系數(shù)為0.078 5，相應(yīng)豎向地震系數(shù)為0.052 3。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算方法及本構(gòu)模型

1) 計(jì)算方法

本階段初步采用有限元法對(duì)廠區(qū)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析。運(yùn)用Midas GTS軟件，建立邊坡有限元模型，并采用SRM方法分別分析邊坡在正常工況和地震工況下的穩(wěn)定性。

2) 本構(gòu)模型

本文采用Midas GTS軟件中的摩爾庫(kù)倫模型作為邊坡巖體的本構(gòu)模型。摩爾庫(kù)倫模型[15]為彈塑性模型，其廣泛應(yīng)用于巖土體的破壞分析中，取得較好的效果，適用于普通土壤和巖石的力學(xué)行為，如邊坡穩(wěn)定和地下開挖等。

4.2 計(jì)算模型、邊界條件及計(jì)算參數(shù)

1) 計(jì)算模型

邊坡控制斷面簡(jiǎn)化后有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 邊坡模型尺寸及網(wǎng)格示意

Gn2(III)與Gn2(IV)分別為弱風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖體，采用平面應(yīng)變單元的摩爾庫(kù)倫模型模擬，f309、f317為結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面具有一定的厚度，采用平面應(yīng)變單元的摩爾庫(kù)倫模型模擬。結(jié)構(gòu)面與巖體之間的接觸面、不同巖體之間的接觸面采用Midas GTS軟件中提供的接觸單元(Goodman單元)進(jìn)行模擬。Goodman單元是不需要細(xì)分單元類型的細(xì)長(zhǎng)單元，在建模過(guò)程中廣泛使用，用于連接不同材料或剛度相差較大的材料[16]。

2) 邊界條件

邊坡模型上部為自由邊界，底部為固定約束，左右邊界為水平約束。

3) 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)廠區(qū)地質(zhì)勘察資料，邊坡控制斷面主要巖土參數(shù)及結(jié)構(gòu)面參數(shù)見表2和表3。

表2 巖層參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用數(shù)值模擬軟件分別分析邊坡控制斷面在自然工況和地震工況下的穩(wěn)定性，以下分別從安全系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D及邊坡水平位移等方面對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析。

1) 安全系數(shù)

天然狀態(tài)工況和地震工況下邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4，其中安全系數(shù)容許值參考邊坡工程技術(shù)規(guī)范[9]。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，天然工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.49，大于規(guī)范要求的邊坡安全系數(shù)容許值1.35；地震工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.34，大于規(guī)范要求的安全系數(shù)容許值1.15，均滿足安全系數(shù)要求。

2) 應(yīng)力應(yīng)變分析

天然工況下邊坡應(yīng)力云圖見圖4，根據(jù)天然工況下折減前后最大剪應(yīng)力云圖，忽略因邊界約束引起的應(yīng)力集中，僅考慮邊坡附近區(qū)域時(shí)，可以看到坡腳處最大剪應(yīng)力相對(duì)較大。折減系數(shù)為1.0時(shí)，坡腳最大剪應(yīng)力為1.10 MPa，小于巖體承載力特征值1.50 MPa；折減系數(shù)為1.49時(shí)，坡腳的最大剪應(yīng)力為1.63 MPa，大于巖體承載力特征值1.50 MPa，發(fā)生破壞。

a 未折減狀態(tài)(K=1.0)

天然工況下邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D見圖5，由圖5可知在臨界破壞狀態(tài)坡腳滑動(dòng)面與坡頂結(jié)構(gòu)面貫通，形成整體破壞；而坡體強(qiáng)度無(wú)折減(K=1.0)時(shí)，僅坡頂結(jié)構(gòu)面存在較大應(yīng)變，形成背離坡面的滑動(dòng)面，但背離坡面的左側(cè)無(wú)臨空面，因此不會(huì)形成整體滑動(dòng)破壞。

a 未折減狀態(tài)(K=1.0)

地震工況下邊坡應(yīng)力云圖見圖6，由圖6可知，最大應(yīng)力單元位于坡腳。邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)折減前，坡腳最大剪應(yīng)力為1.38 MPa，小于巖體承載力1.50 MPa；坡體強(qiáng)度折減1.3倍后，坡腳最大剪應(yīng)力1.89 MPa，大于1.50 MPa，發(fā)生破壞。由此可見，邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵特征在于坡腳是否發(fā)生破壞。

a 未折減狀態(tài)(K=1.0)

地震工況下邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D見圖7，由圖7可知，邊坡失效破壞時(shí)會(huì)從坡腳形成滑動(dòng)面，向上延伸，依次與f317和f309結(jié)構(gòu)面貫通，形成整體滑動(dòng)?，F(xiàn)狀邊坡在地震作用下，沿著反向結(jié)構(gòu)面形成較大應(yīng)變，有向左側(cè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，但左側(cè)無(wú)邊坡臨空面，因此巖土體不會(huì)形成整體滑動(dòng)，進(jìn)一步確認(rèn)在地震工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

a 未折減狀態(tài)(K=1.0)

3) 邊坡水平位移分析

根據(jù)邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析可知，邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)，主要表現(xiàn)為坡體的滑動(dòng)破壞，因此可根據(jù)邊坡水平位移進(jìn)一步驗(yàn)證邊坡的穩(wěn)定狀況。

天然工況下邊坡的水平位移云圖見圖8，邊坡強(qiáng)度未折減時(shí)，坡頂結(jié)構(gòu)面處的水平位移最大，最大水平位移為0.41 m，坡腳位移相對(duì)較小，為0.12 m；而強(qiáng)度折減后邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，坡腳位移最大，為0.86 m，坡面整體向水平方向移動(dòng)。

a 非破壞時(shí)(K=1.0)

地震工況下邊坡的水平位移云圖見圖9，邊坡強(qiáng)度折減前后邊坡的位移特征總體與天然工況一致。在邊坡強(qiáng)度折減前，最大水平位移發(fā)生在坡頂結(jié)構(gòu)面，位移為0.41 m，而坡腳水平位移為0.13 m；巖土體強(qiáng)度折減后，處于臨界狀態(tài)時(shí)，最大水平位移發(fā)生在坡腳為1.65 m。

a 非破壞時(shí)(K=1.0)

通過(guò)天然工況和地震工況下邊坡的位移特征可知，天然和地震兩工況下，在強(qiáng)度未折減時(shí)均為坡頂位移最大，隨著折減系數(shù)的不斷增加，坡腳位移逐漸加大，達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，最大水平位移均發(fā)生在坡腳位置，因此坡腳為水平位移分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

選取坡腳水平位移最大處進(jìn)行研究，并繪制該點(diǎn)水平位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線(如圖10所示)。在天然工況下，坡腳水平位移的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在折減系數(shù)在1.45附近，此時(shí)坡腳水平位移約為0.47 m，之后隨著折減系數(shù)的增加，坡腳水平位移迅速增大。在地震工況下，坡腳水平位移的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在折減系數(shù)在1.30附近，此時(shí)坡腳水平位移約為0.68 m，之后關(guān)鍵點(diǎn)變形突然增加。根據(jù)坡腳水平位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線的特點(diǎn)，結(jié)合邊坡滑動(dòng)的過(guò)程可知，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，坡腳巖土體位移急劇增大，坡腳失去穩(wěn)定，邊坡進(jìn)入滑動(dòng)破壞階段。

a 天然工況

由以上分析可知，坡腳的位移變化是邊坡失穩(wěn)的重要特征，為此，在邊坡爆破開挖的施工過(guò)程中應(yīng)做好邊坡坡腳的位移監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)坡腳的保護(hù)，確保邊坡開挖的穩(wěn)定。

4.4 邊坡支護(hù)措施

根據(jù)廠區(qū)斷層走向及邊坡穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果，廠區(qū)邊坡處于天然穩(wěn)定狀態(tài)，為此邊坡支護(hù)遵循“自穩(wěn)為主，支護(hù)為輔”的設(shè)計(jì)原則，廠區(qū)邊坡支護(hù)主要針對(duì)現(xiàn)有坡面上局部的不穩(wěn)定塊體的滑落。

地面廠房區(qū)域巖層分界線較深，錨桿支護(hù)的作用相對(duì)較弱。針對(duì)目前的情況，采取的具體支護(hù)方案以掛網(wǎng)+噴混為主，錨桿支護(hù)為輔的方式，具體方案為：開挖邊坡進(jìn)行全坡面的掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，臨時(shí)邊坡坡比采用1∶0.5，永久邊坡坡比采用1∶0.8，均采取系統(tǒng)錨桿方式進(jìn)行永久支護(hù)，砂漿錨桿規(guī)格為Φ28 mm，長(zhǎng)6 m，間排距2 m×2 m，掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚度為150 mm。此外，由于廠區(qū)邊坡采用爆破開挖的方式，開挖過(guò)程中可能會(huì)造成一定的巖石松動(dòng)體，采用隨挖隨支、及時(shí)封閉的方式，確保坡面的穩(wěn)定。對(duì)于邊坡開口線外巖體完整性差，巖石破碎的區(qū)域，目前沿開挖邊坡開口線邊緣設(shè)置有被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防止落石傷害。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 采取天然工況和地震工況兩個(gè)主要工況進(jìn)行邊坡分析，兩工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.49和1.38，均大于規(guī)范要求安全系數(shù)容許值，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 根據(jù)邊坡的水平位移特征可知，邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，坡腳位移最大，天然工況和地震工況下坡腳的位移分別為0.86 m、1.65 m。而邊坡巖土體強(qiáng)度未折減時(shí)，兩工況邊坡坡腳位移較小，約為0.12 m，邊坡穩(wěn)定的安全裕度較大。

3) 根據(jù)邊坡計(jì)算分析可知，坡腳發(fā)生破壞和坡腳的位移變化是邊坡失穩(wěn)的兩個(gè)關(guān)鍵性特征，邊坡失效破壞時(shí)會(huì)從坡腳形成滑動(dòng)面，向上延伸，與結(jié)構(gòu)面貫通，從而形成整體滑動(dòng)。因此在施工過(guò)程中應(yīng)做好坡腳的位移監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)坡腳的防護(hù)。

4) 根據(jù)邊坡計(jì)算結(jié)果，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用掛網(wǎng)噴混封閉護(hù)坡，可有效預(yù)防現(xiàn)有坡面上局部不穩(wěn)定塊體以及開挖過(guò)程中產(chǎn)生的松動(dòng)體的滑落，確保邊坡的穩(wěn)定安全。