抽水蓄能电站运行期库水位升降区倾倒变形体稳定性研究

刘 韬

(辽宁润中供水有限责任公司， 辽宁 沈阳 110166)

1 工程背景

辽宁庄河抽水蓄能电站位于大连市步云山上和桂花乡境内，为日调节抽水蓄能电站，设计装机容量1000 W。电站的主要建筑物由上水库、下水库、输水发电系统和尾水系统构成。其中，上水库位于蒲东沟的沟脑部位，为沥青混凝土面板堆石坝坝型设计，正常蓄水位390.0m，死水位356.0m，调节库容981万m3；下水库大坝为碾压混凝土重力坝，正常蓄水位151.0m，死水位139.0m，调节库容1122万m3。引水系统为一洞两机布置。尾水系统采用一洞一机布置。

庄河抽水蓄能电站上水库大坝上游左岸边坡为典型的砂岩、板岩反倾边坡。从边坡的表面特征来看，谷坡岩体向临空方向存在比较明显的卸荷回弹变形，形成浅表卸荷带。其中规模较大的软弱带有F3、F7、F12-3等断层以及SL01-2深拉裂缝。其中深拉裂缝SL01-2为边界的大块体稳定性较差，是工程建设中需要重点关注的部位。在电站建成运行之后，库区水位将呈动态变化，因此该处边坡将长期面临水-岩相互作用，岩土体的物理力学性质也将产生不同程度的劣化，从而对边坡的稳定性造成显著影响[1]。由于该处边坡的倾倒变形体体积较大，一旦发生失稳破坏，必将对电站的安全造成显著影响。

2 FLAC3D有限元模型

2.1 模型的构建

FLAC3D是岩土工程领域的一款常用有限元模拟软件，在20世纪90年代引入至今，在理论和实践应用方面均获得巨大成就[2]。在FLAC3D软件中，自带有多种不同的本构关系，可以适应不同材料的模拟计算[3]。在此次研究中利用FLAC3D进行左岸边坡模型的构建，研究水位升降区倾倒变形体稳定性，因此最适合的本构模型为M-C弹塑性模型。

由于庄河抽水蓄能电站上水库上游左岸边坡十分复杂的地形地貌特点和地质特征，直接使用FLAC3D软件进行有限元模型的构建会比较困难[4]。因此在建模过程中首先使用MIDAS-GTS 软件进行几何模型的构建[5]。在建模之前，首先根据边坡特点和模拟目的进行模型的概化和简化[6]。在模型构建过程中，对边坡卸荷的风化边界线以及断层和拉裂缝予以重点考虑[7]。在地质模型的构建过程中，采用点、线、面、体的建模流程进行自下而上的建模[8]。由于深拉裂缝SL01-2是水位升降区倾倒变形体的主要标志性边界，在建模过程中将其设定为100%的连通率[9]。

结合研究的实际需要，此次研究的模型计算范围为顺河向250m，横河向500m，垂直向350m。以N28°E为X轴的正方向，以N62°W为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。考虑模型所处部位的地形地貌条件，在模型的X、Y和Z向分别取法向位移约束。计算模型被划分为302254个网格单元，568526个计算节点，有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 计算工况与力学参数

此次模拟主要针对工程建成运行之后，库水位周期性升降变化对左岸倾倒变形体稳定性的影响。因此模拟计算的工况为工程运行期。结合工程设计和未来的运行情况，库水位由360.00m增长到385.00m再下降到360.00m为一个水位变化循环，连续进行20个水位变化循环，对倾倒变形体应力和位移特征进行计算，并对稳定性作出评价。

模型的物理力学参数对计算结果的科学性与准确性存在显著影响[10]。研究中根据工程现场的力学试验结果资料，对模拟研究中所涉及的岩体以及断层结构的物理力学参数进行综合取值，结果见表1。关于库水位升降过程岩土体干湿循环对力学参数的影响，按照相关施工规范中的折减系数进行折减计算，并代入相应的参数赋值[11]。

表1 岩土体物理力学参数

在数值模拟过程中，根据上水库左岸边坡变形体的实际特点，选择靠近深拉裂缝SL01-2的最不利剖面A-A作为代表性剖面，研究变形体的应力和应变特征，并对边坡的稳定性进行评价和分析。

3 计算结果与分析

3.1 主应力计算结果与分析

利用构建的FLAC3D三维有限元数值计算模型，对上水库左岸边坡变形体的最大主应力和最小主应力进行计算。根据计算结果，典型剖面最大主应力和最小主应力分布云图如图2—3所示。

由图2可知，在运行工况下，A-A剖面的最大主应力场分布相对比较均匀，靠近坡面的最大主应力分布与坡面基本呈现为平行状态。随着深度的增加，最大主应力的变化逐渐转变为近似水平的方向，并在坡面的坡脚部位发生方向上明显的偏转。从最大主应力的数值来看，由于受到边坡重力场的影响，呈现出与深度基本成正比的变化特征，表层的最大主应力值最小，模型底部的最大主应力值最大，最大主应力的值介于5～27.7MPa之间，均表现为拉应力。

图2 最大主应力分布云图

由图3可知，典型剖面的最小主应力分布规律和最大主应力基本一致，具体的量值呈现出随着深度的增加而增大的变化特点，最小主应力的最大值为5.72MPa，在边坡的浅表部位以及各个不同层面的分界线部位出现一定的拉应力，大小约为0～1.57MPa。

图3 最小主应力分布云图

3.2 位移计算结果与分析

利用构建的FLAC3D三维有限元数值计算模型，对上水库左岸边坡变形体的位移进行模拟计算。根据计算结果，典型剖面位移分布云图如图4所示。

由图4可以看出，在电站运行工况下，变形体所在区域的位移在方向上总体呈现出指向坡外临空方向，其最大位移值为2.0cm，相对于整个变形体而言，其变形位移量相对较小，不会对边坡的稳定性造成显著的影响，说明在蓄水运行之后边坡处于相对稳定状态。

图4 典型剖面位移云图

3.3 剪变增量计算结果与分析

利用构建的FLAC3D三维有限元数值计算模型，对上水库左岸边坡变形体的剪变增量进行模拟计算。根据计算结果，典型剖面剪变增量分布云图如图5所示。由图5可以看出，在电站蓄水运行的情况下，剪变增量带向坡脚部位发展延伸，并呈现出逐渐贯通的变化特点，因此变形体在库水位升降变化的作用下，有发生滑移的危险性。由此可见，水位的升降变化对边坡的影响比较大。

图5 剪变增量分布云图

3.4 稳定性综合分析预测

结合应力、位移和剪变增量的模拟结果，对上水库左岸边坡变形体的稳定性有如下认知；变形体目前仍处于稳定状态，在水电站建成投入运行之后，上水库的水位将呈现出波动变化的特点，变形体的岩土体将面临周期性的干湿循环变形，因此强度参数将会受到较大的影响。随着电站运行时间的逐步增加，将逐渐被弱化。由于变形体内部结构比较脆弱，存在潜在的不连续面结构，在库水位升降变化以及岩体软化的相互作用下，将会对内部的剪切面产生强烈的扰动作用，后期极有可能发生比较严重的剪断性贯通，并优化变形体的整体滑移变形，乃至垮塌。因此，建议在工程施工中关注该变形体结构的稳定性，必要时应该对其采取加固措施。

4 结语

此次研究以辽宁省新建庄河抽水蓄能电站上水库左岸边坡变形体为例，在进行详尽地质调查的基础上，利用数值模拟的方法针对库水位升降变化条件下的稳定性进行研究。结果显示，在电站运行初期该边坡变形体基本稳定，但是在库水位升降变化作用下，后期有可能发生比较严重的剪断性贯通，进而引发失稳破坏。当然，边坡稳定性会受到较多因素的影响，其变形破坏机理也比较复杂，在今后的研究中还需要经过工程现场的监测试验，以验证此次研究构建的数值计算模型对工程实际的模拟效果。