某水电站坝肩工程边坡稳定性三维数值模拟分析

2012-08-13韩爱果任光明

水利与建筑工程学报 2012年6期

周伟，韩爱果，任光明，罗轶，马宇

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)

0 引言

随着水电建设的发展，水电工程中边坡规模越来越大，工程地质条件日趋复杂，工程边坡的稳定性评价趋于重要。坝肩工程边坡的岩土体稳定性分析是水电站大坝设计、施工和运行的首要问题[1]，目前边坡稳定性分析方法主要有刚体极限平衡法、有限元法[2-4]、离散元法[5]、界面元法、不连续体变形分析、数值流形法和有限差分法等，运用这些计算方法对水电站坝肩高边坡开挖的三维数值模拟研究[6-8]，也促进高边坡稳定性的模拟研究。

工程边坡的稳定性受多种因素影响，地形地貌是河谷下切和坡体隆起抬升等综合作用的产物，间接反映边坡的历史形成过程；岩性条件是决定边坡稳定性重要因素；地质构造断裂的发育程度是决定坡体岩体结构、完整性程度及岩体质量的因素之一，风化深度影响边坡岩体参数的变化等，这些影响因素不是独立存在，而是相辅相成，相互作用的。本文试图通过现场调查并结合三维数值模拟，对坝肩工程边坡稳定性进行综合分析，为边坡安全开挖和治理提供依据。

1 工程地质条件

该水电站工程位于四川省甘孜藏族自治州境内，坝型为面板堆石坝，设计最大坝高110 m，水库正常蓄水位为2 850.0 m，总装机容量240 MW，属Ⅲ等中型工程。坝肩位置为不对称的“V”型河谷，两岸山体高出河水面250 m以上，岸坡平均坡度30°～50°，拔河高度在300 m左右。两岸坝肩边坡总体坡面较为平整，山体雄厚，地形规则完整，冲沟不发育。边坡出露基岩岩性为三叠统侏倭组(T3zh)变质砂岩夹板岩，岩质坚硬，岩层产状 NW330°/NE ∠55°，层面较发育；边坡第四系覆盖层主要分布于坡表缓坡部位和坡脚部位，厚度不大，河床堆积层发育深度在25 m～33 m。在右岸坝肩下游发育一堆积体，堆积体厚度较大。坝肩部位岩体中随机结构面较发育，其优势结构面的产状主要有以下三组:①NW322°～336°/NE ∠48°～ 67°，②NW347°～ NE17°/SW ～NW∠21°～ 33°，③NE70°～83°/SE ∠48°～56°。地下水埋藏较深，对边坡稳定性影响较小。

坝址区工程地质平面图和剖面图如图1、图2。

图1 坝址区工程地质平面图

图2 坝轴线工程地质剖面图

2 坝肩边坡岩体工程特性及稳定性定性评价

根据岩体风化带划分标准，结合勘探钻孔资料知左岸坝肩边坡风化岩体发育深度在32.9 m～44.6 m之间，右岸坝肩风化带发育深度在43.0 m～67.1 m之间，边坡总体风化程度较大。边坡岩体以完整性差～较完整为主。边坡主要为层状岩体，通过对岩体的层面间距和裂隙间距调查，按岩层面间距和裂隙间距综合分析，坝肩边坡岩体结构类型主要为中厚层状～互层状结构，局部出现厚层状结构和薄层状结构。结合边坡岩体的风化特征、岩体结构特征、岩石强度、岩体完整性指标、结构面性状、地下水等研究的基础上，采用RMR和CSMR法对边坡岩体质量进行分级，分级结果表明，左右岸坝肩边坡岩体质量以Ⅲ类岩体为主，坝肩边坡岩体质量较好。

综上，得出坝肩工程边坡稳定性定性评价:坝肩边坡岩体较完整，岩体质量较好，边坡整体处于稳定状态。总之，坝肩工程边坡的整体稳定性较好。

3 三维数值模拟模型的建立

本次模拟分析采用美国ITSACA顾问有限公司开发的连续介质三维快速拉格朗日法(FLAC3D)分析软件作为计算程序。采用非线性弹塑性本构模型，研究工程边坡在天然工况下和开挖工况下的应力场、位移场以及塑性破坏区的发育演化规律。

3.1 计算模型及网格划分

在充分的地质条件调研基础上，将工程地质体进行概括。该工程边坡三维分析模型计算范围垂直河谷方向取500 m，顺河谷方向取400 m，其中坝轴线位于中心线X=200 m，底部高程取2 500 m。区内断裂不发育，模型中主要涉及微新岩体、风化岩体和覆盖层等3种不同介质类型，具体参数取值详见表1，计算采用摩尔-库伦屈服条件准则弹塑性本构模型，网格划分严格按照岩体类别进行剖分，共计剖分60 468个节点，341 515个单元，三维计算网格模型见图3。

图3 三维计算模型

计算区域各边界均取法向位移约束，计算模型坐标系定义为:①X轴:由上游水平指向下游方向为正(南东向)；②Y轴:由右岸水平指向左岸方向为正(北东向)；③Z轴:底高程指向高高程为正，且与X和Y轴垂直。将模型X方向、Y方向和Z方向的底部约束，边坡表面为自由表面。

3.2 模型计算参数的选取

计算模型的参数选取是根据边坡工程地质调查和现场试验和室内试验成果，并参照相关类似地质条件工程计算参数等综合评价给出，见表1。

4 三维数值模拟计算结果分析

分两个阶段进行计算，第一阶段为开挖前边坡的初始应力场模拟，第二阶段为边坡开挖的应力-位移场计算。

4.1 自然边坡初始应力场特征

根据前述资料和材料参数计算模型，得到工程区坝轴线剖面自然边坡初始应力场特征，计算结果表明，坝肩岩体初始应力场的分布较稳定，坡体内最大主应力为压应力，最大量值为9.38 MPa；最小主应力主要以压应力为主，最大量值2.74 MPa，在坡体表部分布局部的拉应力。总体来说，主应力随深度变化符合一般河谷的应力场规律，坡体基本为压应力，具有从坡面往下增大，从坡体内部往外逐渐减小的特征。

表1 岩土体物理力学参数取值表

4.2 坝肩边坡开挖后应力-位移场特征

4.2.1 应力场分析

边坡表部局部风化岩体、覆盖层和河床堆积物开挖清除后，边坡的开挖改变了岩体的原始应力状态，通过计算得到开挖边坡后岩体应力场特征(见图4、图5)，坝肩边坡最大主应力和最小主应力均有所减小，变化范围介于0.1 MPa～0.3 MPa。最大主应力无明显拉应力分布，边坡表部的最大主应力量值为1.0 MPa～3.0 MPa。最小主应力主要为压应力，坡表局部出现拉应力，相对开挖前拉应力分布区有所减少，量值为0.1 MPa左右。

图4 坝轴剖面开挖后最大主应力分布云图

4.2.2 位移场分析

图6显示了工程开挖后沿坝轴线剖面的总位移矢量分布图，由图6可知，边坡开挖后，伴随应力重新分布，河床开挖岩体卸荷回弹，边坡表部产生了局部的位移变化。左岸边坡的位移变化相对右岸边坡小，左岸边坡高高程部位由于第四系覆盖层稳定性较低，所以产生了较大位移，其值为15 cm～23 cm，开挖边坡部位位移变化介于5 mm～7.5 mm；右岸边坡相对位移较大，量值为5 mm～10 mm；河谷地区位移值相对较大，量值为10 mm～20 mm。