开挖扰动下石桥水电站右坝肩蚀变岩边坡稳定性研究

任起峰

（辽宁省汤河水库管理局有限责任公司，辽宁辽阳111000）

1 工程背景

石桥水电站是辽宁丹东凤城市东汤镇石桥村红旗沟境内爱河下游干流上的重要水利枢纽工程，也是凤城市进行农村水电电气化县建设的重要项目[1]。根据规划设计，石桥水电站是一座以发电为主的综合性小型径流式水电站，设计库容3 664 万m3，装机容量9 600 kW，为凤城市投资额最大的水利水电项目[2]。电站大坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高为34.35 m，坝顶宽7.00 m，坡比为1∶0.7。大坝右岸分布有发育比较广泛的小断层、韧性剪切带和6 条主要的蚀变带。根据地质调查结果，蚀变带主要表现为风化蚀变，结构松散、强度明显降低，在右岸坝肩边坡开挖过程中，必须对其稳定性进行评价，为开挖施工设计提供必要的支撑。

2 数值计算模型的构建

2.1 模型的构建

选择ANSYS 建立有限元边坡模型的构建[3]。为了使边界效应对研究结果的影响降到最低，同时尽量减少模型的计算量，研究中选择大坝轴线上游40.00 m 为西侧边界，将9 号冲沟以下50.00 m作为东侧边界，北侧边界为左岸岸坡，南侧边界为大坝右岸最高山脊部位[4]。模型构建过程中按照坡比1∶1.0 选择计算范围，边坡的高度为80.00 m，长度为160.00 m。以顺河方向为X轴正方向，以坝轴线指向右侧的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。利用Mohr-Coulumb 模型对岩土体的弹塑性变形特征进行模拟[5]。对构建的模型采用六面体8 节点等参单元进行模型的网格剖分，对岸坡局部网格单元进行网格加密，最终生成534 567 个网格单元，101 876 个计算节点[6]。模型的网格划分示意图如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件与计算参数

在ANSYS 有限元软件中，提供了涵盖压力、温度、速度、位移等不同形式的模型边界条件，可以充分满足不同用户的研究需要[7]。结合此次研究的目的及研究对象的特点，选择位移和应力边界条件。有限元模型的边界位移约束施加于各个计算节点：在模型的底部节点施加全位移约束；在模型的左边界以及右边界缆机以下部位施加X向位移约束；其余部位为自由边界条件[8]。研究断面部位的山体坡度较大，地表被厚度不等的残积砾石土覆盖，上覆植被，边坡内部存在数条宽度不等的断层破碎带，山体的岩性以安山玢岩为主。结合相关资料和试验结果，采用表1 所示的计算材料物理力学参数。

3 计算结果分析

利用构建的数值计算模型，对天然状态和边坡开挖之后的最大主应力、剪应力、位移量、塑性区进行模拟计算，由计算结果可知：

1）应力场。大坝右岸坝肩边坡的最大主应力主要表现为压应力，仅在坡表面的部分区域表现为拉应力。其中，坡表的最大主应力值为0.15 MPa，边坡岩体深部的最大主应力值为-14.1 MPa。从最大主应力的分布特征来看，呈现出条带化增加的态势，并在河谷底部的部位呈现出明显的应力集中现象；边坡开挖后，最大主应力的分布和变化特征与天然状态接近，主要表现为随着高程的降低而不断增加，且条带化特征显著。由于边坡开挖造成的卸荷作用影响，岩体应力在开挖平台的底部部位进行释放，表现为最大主应力值的减小，同时向岩体深部转移，而河谷底部出现的应力集中现象并没有随着开挖的进行有较大的变化。

边坡的剪应力主要表现为边坡顶部的应力集中和岩体深部的应力集中，而边坡深部的剪应力集中主要是受到该部位的蚀变体的影响，剪应力的值约为0.5 MPa。随着边坡开挖卸荷的作用，岩体内部应力逐步得到释放，并表现为剪应力值逐渐减小，但是剪应力的分布特征较自然状态下并无明显的变化。

2）位移。利用构建的数值计算模型，对天然状态和边坡开挖之后的边坡位移量进行模拟计算，由计算结果可知，在天然工况下，边坡的位移量较大，特别是边坡内部的蚀变体附近，位移量可达20 mm左右，其坡表的出露部位也达到10 cm 左右。随着边坡开挖的进行，由于开挖卸荷的作用，岩体发生一定的回弹变形。同时，在开挖平台和坡面交接的部位，分布有圈状位移区，最大位移量约1.73 mm。从位移量的绝对数值来看，并不会对边坡稳定性造成显著的影响。

3）塑性区。大坝右坝肩边坡的塑性区主要表现为剪切破坏，主要分布在蚀变体周围。此外，在强弱卸荷界面的部分部位有拉-剪破坏塑性区分布。从塑性区的分布特征上看，由于其分布并没有贯穿前缘坡体，因此边坡在天然状态下处于相对稳定的状态，仅有蚀变体与坡表的交接部位可能会出现小范围的变形破坏现象。边坡上部的岩体由于开挖卸荷的回弹作用影响，该部位的塑性区范围有所减小，在开挖平台底部出现了新的剪切破坏塑性区，且塑性区已经和该部位的蚀变体贯通，造成局部岩体的稳定性大幅降低，中上部的岩体极有可能沿着强弱卸荷界面在该部位剪出，进而造成边坡的失稳破坏。建议在开挖完毕之后，对开挖段的岩体实施必要的支护措施后再进入下一步开挖施工。

表1 岩土体物理力学参数

4 结论

坝肩边坡的稳定是坝体整体稳定的关键因素。辽宁省石桥水电站右岸坝肩边坡存在工程性质较差的蚀变岩体，对坝肩边坡的稳定性存在重要影响。此次研究，通过构建三维有限元模型，利用数值模拟的方法对该处蚀变岩体边坡开挖条件下的稳定进行研究。结果显示，开挖施工之后，边坡整体稳定，但是在开挖平台底部出现了新的剪切破坏塑性区，且和该部位的蚀变体贯通，容易造成边坡的失稳破坏，建议强化对该部位的支护措施，保证施工的安全进行。