构皮滩水电站枢纽边坡稳定性分析

张晓飞

（辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

构皮滩水电站位于我国西南地区，是乌江干流梯级开发的控制性工程，其正常的运营对周边城市具有重要战略意义。由于坝址处为坚硬灰岩形成的“V”型对称峡谷，两岸山体雄厚，河谷狭窄，岸坡陡峻。坝址以下为较软弱砂、页岩展布的河段，河谷开阔，地形相对较宽缓。因此，有必要对构皮滩水电站枢纽边坡稳定性进行分析。

1 边坡稳定性分析

根据构皮滩大坝边坡的实际情况，由于坝顶以下为临时坡，坝顶以上边坡较高，故选取坝顶以上边坡位置进行复核计算，选择左、右岸坝肩上游侧边坡进行稳定计算分析。

1.1 计算方法

由地质勘查资料可知，各计算边坡岩性均以硬岩为主，基本为横向坡和斜交顺向坡，没有整体滑动的边界条件，针对计算边坡的特性及破坏型式，采用强度折减法来计算边坡稳定安全系数，利用岩土工程中常用的有限差分软件FLAC3D[1-6]进行计算。

1.2 计算工况

采用持久设计工况下的自重和偶然设计工况下自重及地震两种工况进行计算。采用拟静力法计算地震作用，对两岸的边坡同时考虑水平向和竖向地震力作用，计算中水平地震力向坡外，竖向地震力铅直向下。

1.3 稳定计算

1.3.1 左岸坝肩上游侧边坡

（1）计算模型

计算剖面为图1（a）的1-1剖面，基于勘察的地质剖面图1（b），建立了准三维数值分析模型，如图1（c）所示；剖面所在面为XZ平面，Z轴正向为高程方向，模型底部高程为600 m；X轴方向指向河谷为正，Y轴垂直XZ平面，遵从右手法则；边坡模型三维尺寸为：160 m×1 m×168 m（X×Y×Z）。边坡稳定性计算的FLAC3D模型中，节点数为1710，单元数为761。

图1 左岸坝肩上游侧边坡计算模型

（2）计算参数

计算选用的岩体力学物理参数见表1。

（3）静力稳定分析（工况1）

图2为边坡开挖后的塑性区和主应力矢量图。可以看出坡体内的应力分布总体符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律，即从边坡内部到开挖坡表，应力矢量发生偏转，最大主应力方向平行于坡面，最小主应力趋近于0。边坡总体上处于受压状态，边坡浅表层局部存在拉应力，最大拉应力为0.08 MPa。

图2 边坡塑性区与主应力矢量图

表1 构皮滩水电站坝址区地质

采用强度折减法进行了边坡稳定分析，强度折减后，主要在P1m1-3岩层坡脚处及软弱结构面处出现了剪切屈服破坏，选择该部位剪出口附近的特征点作出位移随强度折减系数的变化曲线，可知当K=3.8时，位移曲线发生了明显的突变，剪应变率带也明显贯通（见图3所示），综合以上判断，在静力工况时边坡安全系数为3.8。化，边坡浅表部拉应力范围有所扩大，最大拉应力为0.09 MPa。

图3 边坡安全系数判断图与失稳时剪应变率图

图4 边坡塑性区与主应力矢量图

（4）考虑地震作用稳定分析（工况2）

对于地震作用，水平向设计地震加速度值为αh=0.062 g，竖向地震取水平向地震的2/3，为αv=0.041 g。图4为边坡的塑性区和主应力矢量图。应力场分布与开挖边坡比较无大的变

1.3.2 右岸坝肩上游侧边坡

（1）计算模型

计算剖面为图5（a）的1-1剖面，基于地质剖面图5（b），建立了准三维数值分析模型（图5（c））；剖面所在面为XZ 平面，Z轴正向为高程方向，模型底部高程为460 m；X轴方向指向河谷为负，Y轴垂直XZ平面，遵从右手法则；边坡模型三维尺寸为：277 m×1 m×317 m（X×Y×Z）。边坡模型中，节点数为 1716，单元数为3726。

图5 水库右岸边坡数值分析模型

（2）计算参数

本文计算选用的岩体力学物理参数见表1。

（3）静力稳定分析（工况1）

图6为边坡的塑性区和主应力矢量图。可以看出坡体内的应力分布总体符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律，边坡总体上处于受压状态，边坡浅表层局部存在拉应力，最大拉应力为0.78 MPa。

图6 边坡塑性区与主应力矢量图

进行强度折减后，根据剪切屈服破坏区特征点的位移随强度折减系数的变化曲线，可知当K=2.3时，位移曲线发生了明显的突变，剪应变率带也明显贯通（见图7），综合以上判断，静力工况边坡安全系数可取为2.3。

图7 边坡塑性区与主应力矢量图

（4）考虑地震作用稳定分析（工况2）

图8 边坡开挖后塑性区与主应力矢量图

图8 为边坡的塑性区和主应力矢量图。应力场分布与静力工况比无大的变化，边坡浅表部拉应力范围有所扩大，最大拉应力为0.79 MPa。

进行强度折减后，根据剪切屈服破坏区特征点的位移随强度折减系数的变化曲线，可知当K=2.2时，位移曲线发生了明显的突变，剪应变率带也明显贯通（见图9），综合以上判断，地震工况下边坡安全系数可取为2.2。

图9 边坡安全系数判断图与失稳时剪应变率图

大坝坝肩边坡各计算边坡稳定分析结果见表3所示。

表3 各工况计算成果

由表3计算成果可看出，各计算边坡稳定安全系数均大于规范要求的安全标准,表明坝肩各计算边坡的稳定性较好，满足规范要求。

2 结论

（1）本文采用有限差分计算软件FLAC3D来评价大坝两岸边坡稳定性的方法是可行且合理的，在计算中取得了较好的结果并得到工程应用。

（2）在各工况的计算条件下，构皮滩水电站大坝两岸边坡均符合规范要求，满足整体稳定性要求。

（3）根据计算结果，在大坝两岸边坡均设置系统支护措施：坡顶及各级马道顶部设2排Φ28 L=9 m间排距2.5 m×2.0 m（水平×坡面，下同）锁口锚杆，其下设Φ25 L=6 m间排距2.5 m×2.0 m系统锚杆；坡面挂φ6@20 cm×20 cm钢筋网，喷10 cm厚C20混凝土；坝顶以上各边坡设φ56@4 m×3 m深3 m排水孔，其余部位排水孔深1.5 m。实践表明，工程开工以来，大坝各开挖边坡按设计完成支护工作后巡视及监测资料均未见异常，处于稳定状态。

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