某水电站泄洪洞进口边坡加固方案优化研究

黄宜胜，罗浩然，黄 强

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

某水电站泄洪洞进口边坡加固方案优化研究

黄宜胜，罗浩然，黄 强

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

某水电站深孔泄洪洞进口边坡为典型岩质开挖高边坡，其在施工及运行期的变形稳定性关系到整个工程的安全和效益。通过建立二维有限元模型，考虑边坡在施工及运行期会遇到及可能遇到的11种工况，对深孔泄洪洞进口边坡典型剖面进行变形稳定性分析，并在此基础上对该边坡的加固方案进行优化。结果表明，边坡变形满足整体要求，锚索锚固倾角为5°时为最优加固方案。

边坡；变形；有限元；加固方案；优化分析

0 引 言

在水电站建设中，高边坡的变形稳定及加固问题一直备受重视。边坡从开挖开始遇到的各种不同工况都会对边坡岩体的力学参数和受力情况产生影响。边坡开挖后，由于卸荷作用，坡体受到扰动影响，岩体承载力下降，宏观力学参数降低，安全系数减少。由于水电站泄洪洞边坡的特殊性，除一般边坡会遇到的各种工况外，还会受到库水位升降带来的影响。因此，有必要对泄洪洞边坡在各个工况下的变形进行计算分析，为边坡的稳定性评价和加固提供参考[1-7]。

作为现今高边坡的主要加固方式，预应力锚索因其能充分发挥和提高岩土体的强度、有效控制岩土体的变形而得到了广泛的应用[8]。预应力锚索加固参数的确定直接影响其锚固效果。本文对预应力锚索的锚固倾角这一敏感因素进行计算分析，对比不同锚固角度下的泄洪洞边坡的变形情况，以期得到经济合理的边坡加固方案。

1 工程概况

某水电站为控制性水库电站工程，水库正常蓄水位为2 865 m。深孔泄洪洞进口布置在左岸坝线上游350 m处，进水口底板高程2 805 m，开挖高度达到285 m。水电站深孔泄洪洞典型边坡开挖剖面见图1。边坡开挖后，边坡应力发生调整，产生卸荷效应，强卸荷区主要在开挖面附近5 m左右，中卸荷区深度为5～15 m，弱卸荷区深度为15～30 m，之后才是比较完整的岩体。

图1 深孔泄洪洞典型边坡开挖剖面(单位：m)

为对边坡变形稳定性和拟开挖加固方案的合理性进行评价，本文采用有限元法，以ADINA为平台建立深孔泄洪洞进口边坡典型剖面的模型，对其进行变形稳定性分析，并对加固方案进行优化[9-10]。

2 二维有限元计算模型及工况

2.1 二维模型

计算模型中，Z方向为垂直于基岩方向，向上为正，向下为负；Y方向为水平方向，向左为负，向右为正。模型底部为竖直向约束，左右向为水平向约束。选取深孔泄洪洞进口边坡典型纵剖面，边坡开挖方案为从上到下分11步开挖。建立的计算模型见图2。

图2 典型纵剖面计算模型

2.2 计算参数

通过前期室内及现场试验以及工程类比法，确定岩体初始力学参数(见表1)。

表1 岩体初始力学参数

2.3 计算工况

根据边坡开挖的施工过程、岩体在开挖后力学性能的变化、水库运行情况以及本剖面的具体特点等，选取施工及运行期的11种工况进行计算分析。

2.3.1 施工期

(1)天然工况(工况一)。主要分析边坡在现今自然条件下(没有工程措施)时的应力状况。

(2)开挖工况(工况二)。按弹塑性有限元计算边坡开挖后未加固且不考虑岩体卸荷作用的工况。

(3)卸荷工况(工况三)。考虑边坡开挖后岩体卸荷、但未加固时边坡的变形和应力情况。研究岩体由于开挖卸荷导致质量劣化、材料参数降低等岩体损伤时，如果不进行支护，边坡卸荷后产生的变形和应力情况。此工况采用卸荷岩体力学参数进行计算。

(4)加固工况(工况四)。在考虑卸荷的基础上对边坡进行支护的工况。采用“逐层开挖逐层支护”的施工原则，拟采用的加固方案为：设置系统锚杆(锚杆φ28、L=6 m；φ32、L=9 m，间排距1.5 m×1.5 m，交替、交错布置)，设置锚索(1 500 kN，L=50 m，间排距4 m×4 m)。在ADINA中，选用Truss单元模拟预应力锚索和系统锚杆，采用线弹性模型。

(5)地震工况(工况五)。在岩体开挖卸荷损伤的前提下，采用拟静力法计算特定地震烈度下的边坡稳定性。此边坡所在水电站坝址50年超概率10%基岩水平向峰值加速度为0.14g，相应地震基本烈度为Ⅷ度；100年超越概率2%基岩水平向峰值加速度为0.294g。本工况计算时，取地震加速度为0.05g(地震工况1)、0.10g(地震工况2)、0.15g(地震工况3)。

(6)暴雨工况(工况六)。分析降雨对边坡变形的影响，主要考虑浅层岩体受雨水浸润后，岩体劣化带来的变形。对受影响区域岩体的力学参数进行弱化(10%～20%)后，容重达到饱和容重来进行模拟。

2.3.2 运行期

(1)蓄水工况(工况七)。分析加固后的边坡在正常蓄水位下受库水浸泡的变形和应力情况。

(2)库水骤降工况(工况八)。研究岩体卸荷加固后库水从正常蓄水位降到进水口底板高程以下时，边坡的变形和应力情况。

表2 计算结果

图3 地震工况下边坡塑性区

(3)蓄水暴雨工况(工况九)。模拟分析在正常蓄水位暴雨作用下边坡的变形和应力情况。

(4)蓄水地震工况(工况十)。模拟分析在正常蓄水位地震作用下边坡的变形和应力情况。本工况计算时，地震加速度取0.05g。

(5)蓄水暴雨地震工况(工况十一)。模拟分析在正常蓄水位暴雨地震作用下边坡的变形和应力情况。地震加速度取0.05g。

3 边坡变形分析

选择拟加固方案的锚索倾角为5°的加固方式对该边坡进行加固，并计算分析其在各工况下的边坡变形稳定性。计算结果见表2。

由表2可知，指向坡外的位移考虑卸荷比不考虑卸荷的要大；相比不加固，加固之后指向坡外的位移减小很明显；地震工况下，随着地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比较明显，且随着地震加速度的增大逐渐加快；蓄水工况下边坡向坡外的位移变小，表明蓄水有利于边坡的稳定；库水骤降工况下的位移增大；降雨工况下的位移较小。所有工况中，地震工况产生的位移最大。

地震工况下边坡塑性区见图3。从图3可知，塑性区随着地震加速度的增大有扩展趋势。其他工况只是在断层处比较集中。

从表2可知，不考虑卸荷时，开挖造成的边坡最大水平向坡外位移为20.67 mm；考虑卸荷时，水平向坡外最大位移为22.57 mm。卸荷影响程度为9.2%。在不进行加固的情况下，水平向坡外最大位移为22.57 mm；采取加固措施后，水平向坡外最大位移为13.37 mm。加固效果为40.8%，变形明显减少，加固效果明显，说明加固方案可行。

总之，该边坡在施工中应考虑卸荷作用的影响。对边坡采取一定的加固措施之后，边坡的卸荷得到了很好的控制，变形减小。在地震工况下，随着地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比较明显，且随着地震加速度的增大逐渐加快。相比而言，电站运行后，在蓄水工况下的边坡变形较小，库水骤降对边坡变形影响较大，应适时注意变形的发展。从各工况的计算结果来看，深孔泄洪洞进口边坡岩体没有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。所有工况中，地震工况产生的位移最大，塑性区随着地震加速度的增大有扩展趋势，其他工况只是在断层处比较集中。各工况下塑性区未贯通，表现出较好的整体稳定性。

表4 加固前后关键点水平位移 mm

4 加固优化分析

4.1 锚固角度的确定原则

由GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》可知，岩土体内摩擦角的范围为10°≤φ≤50°；对高边坡的治理，根据实际情况，坡面角度一般为20°≤α≤80°；由土压力极限平衡理论，水平面与滑动面切向的角度在45°+φ/2与45°-φ/2之间。郭湧对锚索变角度加固技术进行了研究，提出了锚索最优倾角的范围为θ≤45°，可根据具体情况进行调整，以达到施工质量最佳的目的[11]。

为了研究边坡在开挖过程中的加固效果，本文分别将预应力锚索的锚固倾角取为5°、15°、30°进行计算分析。然后通过分析开挖面上关键点(各点高程见表3，各点位置见图4)加固前后水平位移变化程度Δμ来判别加固效果，从而选出最佳加固方案。

表3 开挖面上关键点高程 m

图4 开挖面上关键点布置

4.2 锚固结果

不同锚索倾角下关键点水平位移随开挖时间步的变化趋势见图5。图中，水平向坡外位移为正。从图5可知，锚索在3种倾角下，前一步开挖对后一步开挖面关键点的位移有影响，使得关键点朝坡外的位移变小，但影响不大。当前开挖加固后，水平向坡外的位移在之后的3个开挖步内会持续变小，这有利于开挖面的稳定。从整体趋势来看，关键点的位移随着加固的进行逐渐变小，K1、K2位移相对于其他高程关键点小，说明前2步开挖岩体变形较小，而K3～K10变形均较大，为重点加固区域。

加固前后关键点水平位移见表4。从表4可知，随着锚索倾角的增大，所有关键点的Δμ不断减小，向坡外的位移不断减小，说明锚索倾角为5°时，加固效果最好；第2步开挖由于靠近断层，故加固之后甚至出现向坡外位移增大的现象，说明断层的存在对加固效果有负面的影响；第1～9步开挖加固效果明显；第10、11步相对位移有变小趋势，原因在于这2步开挖高度大、方量大，加固的效果有变小的趋势。但总体而言，锚索的最优加固方案应选锚索倾角为5°的加固方式。

5 结 语

本文通过二维有限元法对某水电站深孔泄洪洞进水口边坡典型坡面进行了变形稳定性分析计算，并在此基础上对锚固方案进行了优化，得出以下结论：

(1)坡面卸荷工况水平向坡外的位移大于开挖工况位移，说明卸荷导致岩体质量劣化，卸荷效应比较明显。开挖后，边坡经过加固，水平向坡外的位移减小，表明加固效果明显。

(2)除复合工况外，地震工况产生的位移最大；库水骤降对边坡变形的影响仅次于地震作用。地震作用对边坡塑形区分布影响明显，水平相对位移都有所增大，施工及运行期应重点监测塑性区集中的断层处。

(3)比较不同锚索倾角下的加固效果，锚索倾角为5°的加固方案最优。在实际施工中，可通过增大锚索参数或其他加固措施，以减小断层带来的负面影响。

图5 关键点水平位移

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(责任编辑 杨 健)

Reinforcement Optimization Analysis for the Intake Slope of a Deep Discharge Tunnel

HUANG Yisheng, LUO Haoran, HUANG Qiang

(College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The intake slope of deep discharge tunnel in a hydropower station is a typical high rock excavation slope. The deformation and stability of slope in construction and operation periods will influence the security and benefit of whole project. A 2-D finite element model is established to conduct deformation analyses of the slope. The model introduces 11 kinds of conditions which may be happened during either the construction period or the operation period. Based on analysis results, the reinforcement measures of slope are optimized. The calculation and analysis results show that the slope deformation meets the requirements of whole stability, and the optimal scheme of anchor cable is with a angle of 5 degree.

slope; deformation; finite element; reinforcement measure; optimization analysis

2016-07-13

湖北省自然科学基金面上项目(2015CFB545)；水利部公益性行业科研专项(201401029)；国家自然科学基金重点项目(51439003)

黄宜胜(1978—)，男，安徽安庆人，副教授，博士，主要从事岩体力学研究.

TU457

A

0559-9342(2016)12-0033-05