金川水电站导流洞进口边坡稳定性分析

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(1.三峡大学 a.水利与环境学院；b.土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2.安徽佛子岭抽水蓄能有限公司，安徽 六安 230088；； 3.大唐四川川北电力开发有限公司，四川 广元 628000)

1 工程概况

金川水电站工程以发电为主，水库正常蓄水位2 253.00 m，装机容量860 MW，属二等大(2)型工程，枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、左岸地下厂房、右岸溢洪道和右岸泄洪洞等组成。导流洞进口布置在右岸坝线上游450～550 m处，岸坡上部边坡为30°～50°的缓坡，斜坡上分布有切割深度小于10 m的冲沟，下部由于公路开挖坡形较陡，达60°以上，上部开挖宽度较大，边坡开挖高度达80～110 m。边坡岩性为T3z2(8)岩组浅灰色薄～中厚层状变质细砂岩，夹厚层状变质细砂岩透镜体、炭质千枚岩，岩层产状NW330°～340°，SW∠40～60°。导流洞进口处低高程强卸荷深度在10～20 m，弱卸荷深度在60 m左右；Bxt2发育在导流洞进口边坡的2 077 m高程以上，水平深度50～80 m。中上部高程，受岩体倾倒变形的影响，岩体卸荷深度较大，强卸荷带水平深度大于40 m，50～55 m以后才进入较完整岩体。

为评价边坡的稳定性与初拟开挖方案的合理性，本文首先在有限元计算软件ADINA平台上建立导流洞进口边坡的二维模型，对开挖过程中的锚固措施进行模拟计算并做出优化分析[1-3]；然后针对开挖锚固完成后的边坡建立三维模型，在FLAC3D中进行有限差分计算[4-8]，对边坡的稳定性进行分析。

2 计算条件

2.1 模型假设

在有限元模型中，做出了以下假设：

(1) 岩体初始应力的选取对边坡的应力应变计算结果影响极其明显。计算不考虑构造应力等因素的影响，初始应力为自重应力场。上覆岩体的重量是垂直向主应力σv，沿深度按直线分布增加，水平应力σh由泊松效应产生，σh=λσv，λ为岩体侧压系数，λ=υ/(1-υ)，υ为边坡材料的泊松比。

(2) 模型底部和侧面为法向约束。

(3) 边坡岩体采用摩尔-库伦屈服模型。

(4) 考虑了边坡支护的系统锚杆(索)对边坡的作用。有限元分析，锚索和锚杆都采用杆单元模拟。锚杆、锚索一般为钢材，通常在岩体中的是它发挥的弹性部分，在计算中采用线弹性模型。

(5) 等值线图中有限元部分相对位移、应力等值线数据单位分别为m和Pa，其中拉应力为正，压应力为负。

2.2 参数选取

在岩石室内、外岩体物理力学指标试验值基础上，考虑试验边界条件、荷载特征及应力环境等，并类比参考其它工程岩体力学试验成果，提出断裂结构面力学参数建议值、岩体力学参数建议值。本文计算参数根据岩体力学参数建议值与结构面参数建议值选取，如表1、表2所示。

表1 进口边坡结构面物理力学参数

3 锚固方案优化分析

根据导流洞进口边坡的工程地质条件并结合以往开挖边坡的加固方案，拟采用的锚固方案为：考虑边坡的地质条件较差，采用“逐层开挖逐层支护”的施工原则；开挖前采用锚索进行锁口，锁口锚索的设置高程为2 242 m，间距为5 m，在开口部位布置15根；边坡设置系统锚杆(锚杆Φ25 mm、间排距4 m×4 m、L=4.5 m、梅花形布置)；在2 194.0～2 234.0 m的2个梯段高度内布设8排锚索(1 000 kN，L=50 m，间排距5 m×5 m)，每个梯段分别布设4排；在高程2 194 m下边坡打设锚筋桩(3Φ32 mm、L=12.0 m，倾角27°)；局部采用临时锚杆加强支护。具体锚固措施如图1所示，参数见表3。

表2 岩体物理力学参数

图1 导流洞进口边坡锚固示意图

表3锚固参数设置

Table3Settingofanchorageparameters

类型直径/mm长度/m锚固力/kN锁口锚索1650.01 000系统锚杆25284.59.07001 000预应力锚索1650.01 000锚筋桩3212.01 000

在有限元软件ADINA中建立导流洞进口边坡的二维模型，如图2所示。模型中节点(NODE)1 179个，单元(ELEMENT)1 080个，材料组21个，通过锚索单元与锚索单元对相关锚固措施进行模拟。在锚固方案优化分析中，针对预应力锚索、锁口锚索以及锚筋桩进行敏感性分析。在导流洞进口边坡上选取8个代表性点作为关键点进行监测，见图3。

图2 ADINA计算模型示意图

图3 关键点位置示意图

从敏感性计算结果发现，与开挖前相比很大一部分关键点处位移和应力变化幅度未超过5%。主要有2个原因：一是由于锚索与锚固岩体在协同变形作用下，锚索对局部岩体变形与应力的改善较小；二是关键点处岩体不够敏感。但从塑性区发生的显著变化可以发现，预应力锚索改善了锚固区域岩体的整体强度和稳定性。以下的敏感性计算结果中，将从塑性区的角度进行分析，对锚固措施做出评价。

3.1 预应力锚索敏感性分析

为了研究预应力锚索的设置排数对边坡加固效果的影响，特分析不设置预应力锚索(0排)，设置2排、3排、5排预应力锚索，与拟采用锚固方案中设置4排预应力锚索的计算结果进行对比。设置不同预应力锚索排数情况下塑性区计算结果如图4(a)至(f)所示。

图4 不同排数预应力锚索开挖边坡塑性区分布

从图4(a)至(f)中可以发现：

(1) 与未设置预应力锚索的坡体相比，经过加固后边坡开挖完成后的塑性区明显减少，且50 m长的预应力锚索均穿透了坡体塑性区，边坡的整体稳定性显著增强。

(2) 与施工前的天然工况相比，边坡开挖并加固完成后的塑性区明显减少，边坡的整体稳定性增强。

(3) 在每个梯阶开挖过程中都会新增一些塑性区，但通过锚索加固后塑性区得到了有效控制。

(4) 随着预应力锚索数量的增加，边坡开挖加固完成后的塑性区面积不断减少，其中设置2排、3排锚索加固时，塑性区相对不作加固处理的坡体有较大幅度的减少；设置4排、5排锚索加固时，塑性区相对设置2排、3排时有一定减少，但减少幅度有限。

3.2 锁口锚索的敏感性分析

为了研究锚索锁口(高程2 242 m)对开挖边坡的锚固效果，在拟选用的加固方案中，对边坡开挖前设置锁口锚索与不设置锁口锚索进行了计算，塑性区计算结果如图5(a)和图5(b)所示。

从图5(a)、图5(b)中可以发现：设置锁口锚索后，当边坡开挖完成时，锁口锚索设置高程2 242 m附近的坡体表面塑性区较未设置锁口锚索的坡体有较明显的减少，边坡的整体稳定性得到了一定程度提升，说明锁口锚索的设置是合理与必要的。

3.3 锚筋桩敏感性分析

为了研究锚筋桩(高程2 194 m)对开挖边坡的锚固效果，在拟采用的锚固方案中对边坡开挖前设置锚筋桩与未设置锚筋桩进行了计算，塑性区计算结果如图5(c)和图5(d)所示。

从图5(c)、图5(d)可以发现：边坡开挖完成时，设置锚筋桩较未设置锚筋桩时坡体表面塑性区在2 250 m与2 170 m高程附近有较明显的减少，边坡的整体稳定性得到了一定程度提升，说明锚筋桩的设置是合理与必要的。

图5 未设置锚索锁口开挖边坡塑性区分布图

3.4 小 结

通过对开挖边坡预应力锚索排数设置、锁口锚索设置以及锚筋桩设置的塑性区分布敏感性分析发现：设置4排预应力锚索和5排预应力锚索均能保证坡体开挖后保持稳定状态，考虑经济因素采用4排锚索加固更合适；锁口锚索与锚筋桩的设置对保证边坡开挖后的整体稳定性具有重要意义。因此，初拟加固方案中预应力锚索、锁口锚索、锚筋桩的设置是合理的，可作为最优锚固方案。

表4 三维有限差分计算成果表

4 边坡整体稳定性分析

4.1 三维模型

三维模型以导流洞进口边坡为研究对象，考虑了对边坡稳定最不利的顺坡向裂隙组L。模型底部高程1 860 m，顶部绝对高程为2 475 m，三维模型网格如图6所示。在整体模型中选取了3个监测剖面，如图7所示，其中x向为水流方向，以水流方向为正；y向为导流洞轴线方向，以向坡外为正；z向为竖直向，以向上为正。材料参数参照表1、表2进行选取。

图6 三维模型网格示意图

图7 剖面位置示意图

计算导流洞进口边坡在天然工况、开挖工况、加固工况、暴雨工况、设计地震工况下的稳定性情况。其中，开挖工况不设锚固与采用最优锚固方案的加固工况对比；暴雨工况采用对覆盖层表层进行参数折减的方法模拟，参考相关工程经验[4-6]折减系数取0.85；地震工况采用拟静力法模拟[8]，对应增加基岩水平峰值加速度为0.097g。

4.2 计算结果

经计算得到导流洞进口边坡在天然、开挖、加固、暴雨、设计地震5种工况下的稳定状况，结果见表4所示。

4.3 结果分析

三维有限差分计算成果表明：

(1) 导流洞进口边坡在开挖工况下，坡体向坡外的位移主要集中在开挖坡面附近，最大值为2.728 cm；竖直向下的位移主要集中在开挖坡面底部，最大竖直向下位移为4.289 cm。第一、三主应力的拉应力均出现在开挖坡体表层变形体及开挖面附近，拉应力分布范围较小，最大值分别为0.805，0.761 MPa。仅在坡体表层变形体内及开挖面附近的裂隙L出现一定的塑性区，且纵剖面、1-1剖面和2-2剖面的塑性区均有贯通的趋势。

(2) 导流洞进口边坡在加固工况下，坡体向坡外的位移显著减小，整体向坡外位移的最大值为0.483 cm，仍集中在开挖坡面附近；竖直向下的位移在加固后也显著减小，主要集中在开挖坡面底部，最大竖直向下位移为0.470 cm。第一、三主应力的拉应力均出现在开挖坡体表层变形体及开挖面附近，拉应力分布范围较小，最大值分别为0.805，0.761 MPa。导流洞进口边坡经加固处理后，塑性区显著减小，仅在开挖面附近的裂隙L处以及变形体的底滑面附近出现零星塑性区。

(3) 导流洞进口在暴雨工况下，坡体向坡外的位移相对于加固工况有一定的增大，最大值为0.712 cm，出现在开挖坡面附近；竖直向下的位移相对于加固工况也显著增加，最大值为1.019 cm，出现在开挖坡面底部。纵剖面、1-1剖面、2-2剖面向坡外的位移及竖直向下的位移相对于加固工况均有一定程度的增加，但最大值出现的位置与加固工况基本一致。第一、三主应力的拉应力均出现在开挖坡体表层变形体及开挖面附近，拉应力分布范围较小，最大值分别为0.814，0.760 MPa，相对于加固工况数值上略有增加。导流洞进口边坡在暴雨工况下，塑性区相对于加固工况有一定增加。

(4) 由于设计地震的加载方向为顺水流向，因此地震对坡体整体和导流洞纵剖面向坡外的位移影响较小。导流洞进口在设计地震工况下，坡体整体和纵剖面向坡外的位移相对于加固工况仅有较小程度的增加，坡体整体向坡外的最大位移值为0.499 cm。设计地震对1-1剖面和2-2剖面顺水流方向的位移有较大的增大作用，1-1剖面顺水流向的位移最大值为0.630 cm，2-2剖面顺水流向的位移最大值为0.759 cm。坡体整体及各剖面竖直向下的位移均没有明显变化，只有少量塑性区分布。

从各工况的三维计算结果来看，导流洞进口边坡岩体未出现可能导致边坡整体失稳的大变形与大范围的拉应力区域。变形与拉应力主要集中在倾倒变形体、开挖面附近的强风化强卸荷区域岩体及顺坡向的裂隙L中，最大拉应力值远小于岩石抗拉强度。在开挖工况中，导流洞进口边坡在倾倒变形体、强风化强卸荷区域及顺坡向的裂隙L附近出现贯通趋势的塑性区，影响了坡体的稳定性；与之相比，坡体加固后在各工况下塑性区均有显著减少，表现出较好的整体稳定性。但需要注意的是边坡向坡外变形主要集中在边坡开挖面的倾倒变形体、强风化强卸荷区域岩体中，该岩体完整性相对较差，深度较大，且开挖后倾倒变形体下限出现了一些剪拉破坏区，为了保证其稳定性，可在2 130～2 360 m高程范围内，特别是开挖坡体附近布设监测点，加强变形体表层和深部的变形监测工作。

5 结 论

本文结合二维有限元与三维有限差分法各自特点，分别对边坡的锚固方案和边坡整体稳定状态进行了模拟分析，得到以下结论：

(1) 导流洞进口边坡开挖部分坡度较大，地质条件较差，有必要采取“逐层开挖逐层支护”的施工原则，这种施工方式经模拟验证对于控制边坡变形、改善坡体受力状态、维持开挖边坡的稳定性有积极作用。

(2) 从二维与三维方法计算结果的比较发现：在高陡开挖边坡中，预应力锚索对局部开挖岩体的位移与应力改善较小，但整体上效果却很明显，且对塑性区抑制效果显著，有效提高了岩体的整体稳定性。

(3) 导流洞进口边坡的开挖施工中，锁口锚索与锚筋桩的设置是有必要的，它们有效增强了开挖区域顶端和底部不利位置岩体的稳定性。

(4) 导流洞进口边坡在5种工况下未出现可能导致边坡整体失稳的大变形或大范围的拉应力区域，尤其经加固后，坡体表现出较好的整体稳定性。

(5) 边坡在开挖加固后整体表现较为稳定，但在局部区域，尤其是开挖面的倾倒变形体与风化强卸荷区域岩体，岩性较差、变形与拉应力分布较集中，存在失稳的潜在可能。为确保其稳定性应加强该区域的监测。

参考文献：

[1] 漆祖芳，唐忠敏，姜清辉，等．大岗山水电站坝肩边坡开挖支护有限元模拟[J]．岩土力学，2008，29(增刊)：161-165．(QI Zu-fang, TANG Zhong-min, JIANG Qing-hui,etal. Finite Element Simulation of Excavation and Support of Abutment Slope at Dagangshan Hydropower Project[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(Sup.): 161-165.(in Chinese))

[2] 左双英，肖 明，来 颖．基于FLAC3D的某水电站大型地下洞室群开挖及锚固效应数值分析[J]．武汉大学学报(工学版)，2009，42(4)：432-436．(ZUO Shuang-ying, XIAO Ming, LAI Ying. Numerical Analysis of Excavation and Anchorage Effect on Complex Underground Caverns of A Hydropower Station with FLAC3D[J]. Engineering Journal of Wuhan University，2009，42(4)：432-436.(in Chinese))

[3] 陈益峰，周创兵，余志雄，等．锦屏一级左岸导流洞出口边坡开挖支护有限元模拟[J]．岩土力学，2007，28(8)：1565-1670．(CHEN Yi-feng，ZHOU Chuang-bing，YU Zhi-xiong，etal. 3D Elastoplastic Finite Element Simulation on Excavation and Reinforcement of The Diversion Tunnel Outlet Slope at The Left Bank of Jinping-I Hydropower Project[J]．Rock and Soil Mechanics，2007，28(8)：1565-1670.(in Chinese))

[4] 黄宜胜，李建林．董箐水电站溢洪道泄槽段边坡三维有限元分析[J]．水电能源科学，2010，28(12)：85-89. (HUANG Yi-sheng，LI Jian-lin. Three-dimensional Finite Element Analysis for Slope of Chute Section of Spillway in Dongqing Hydropower Station[J]. Water Resources and Power，2010，28(12)：85-89.(in Chinese))

[5] 王瑞红，李建林，陈 星．基于卸荷理论的某水电站引水系统边坡工程三维有限元分析[J]．水力发电，2010，36(4)：34-36．(WANG Rui-hong，LI Jian-lin，CHEN Xing. Three-dimensional Finite Element Analysis of Slope Engineering Based on the Unloading Rock Mass Theory[J]. Water Power，2010，36(4)：34-36.(in Chinese))

[6] 王瑞红，李建林,刘 杰，等．考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析[J]．岩石力学与工程学报，2007，26(增1)：3515-3521．(WANG Rui-hong，LI Jian-lin，LIU Jie，etal. Three-dimensional Stability Analysis of Dam Abutment High Slope Dynamic Behaviors Considering Rock Mass Unloading [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(Sup.1)：3515-3521.(in Chinese))

[7] 寇晓东，周维垣，杨若琼,等．应用三维快速拉格朗日法进行三峡船闸高边坡锚固稳定与机理研究[J]．土木工程学报，2002，35(1)：68-82．(KOU Xiao-dong，ZHOU Wei-yuan，YANG Ruo-qiong，etal. Study on Anchorage Stability and Mechanism of High Slope in Three-gorge Locks[J]. China Civil Engineering Journal，2002，35(1)：68-82. (in Chinese))

[8] 陈昌凯，阮永芬，熊恩来．地震作用下边坡稳定的动力分析方法[J]．地下空间与工程学报，2005，1(7)：1054-1057．(CHENG Chang-kai，RUAN Yong-fen, XIONG En-lai. Dynamic Analysis Method of Slope Stability in Earthquake Function[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(7)：1054-1057. (in Chinese))