天花板水电站库区堆积体三维有限差分法稳定分析

谷宏海，白闰平

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内牛栏江上，电站总装机容量180 MW，最大坝高107.0 m,主要建筑物由碾压混凝土双曲拱坝、引水发电隧洞和地面式厂房等组成，工程等别为Ⅲ等中型工程。

堆积体位于库区左岸，距离坝址最近距离约1.0 km。堆积体分布在1 020.00～1 662.00 m之间，前缘长度约1.3 km，面积约为78.96万m2。2010年12月18日电站开始正式蓄水，2011年1月17日，左岸部分村民住房地基及房屋墙体出现开裂变形。岸坡拉裂变形区位于库区左岸，距大坝约1.0～2.3 km。

2 堆积体地形地质条件

堆积体地形由高至低表现为上缓、中陡、下缓的阶梯状，顺河向地形高差变化大，区内分布2条冲沟与同向山梁构成了由山梁、台地、斜坡、冲沟组成的复杂地形。

堆积体中的地下水位埋藏较深，在下伏基岩和上覆堆积物中均有分布。堆积物透水性较下覆基岩强，地下水位线分布在破碎岩体中和基覆界线附近，堆积体前缘部分地下水位受库水位影响比较明显，随着库水位上升或下降地下水位抬高或降低。根据堆积体区内冲沟和山梁的发育过程、地表裂缝形态特征、地表变形特征、监测数据对堆积体进行分区，分区如图1所示。

图1 堆积体分区图

2.1 Ⅰ区地质概况

Ⅰ区堆积体位于田坝村岸坡的下部，平均宽度×斜长为700 m×580 m，坡面面积约40万m2，铅直厚度最大约95 m，方量约2 100万m3。

Ⅰ区堆积物分为3层，表层为碎石混合土，中部为混合土碎石，下部为碎块石。碎石混合土层成分以土为主，土含量在50%～60%，块石与碎石含量在50%左右，透水性差、土体结构松散。混合土碎石层成分以碎石为主，碎石含量在40%～70%，剩余含量为黄褐色黏土，透水性强，土体结构较密实。碎块石层成分以块石为主，块石含量在50%～60%，剩余部分为碎石和土，土含量小于10%，透水性强，土体结构密实。基岩岩性多为泥质粉砂岩和钙质砂岩，弱风化为主，局部存在全强风化层，厚度最大约21 m。

2.2 Ⅱ区地质概况

Ⅱ区地面高程在1 210.00～1 660.00 m。坡体坡面面积约20万m2，平均厚度约62 m，方量约1 180万m3，Ⅱ区堆积物分为3层，表层为碎石混合土，中部为混合土碎石，下部为碎块石。碎石混合土层成分以黄褐色黏土为主，土含量在40%～60%，碎石含量在30～40%左右，局部可见块石，透水性差、土体结构松散。混合土碎石层成分以碎石为主，碎石含量在40%～60%，块石含量在20%～40%，剩余部分为黄褐色黏土，透水性强，土体结构较密实。碎块石层成分以块石为主，块石含量在50%～80%，碎石含量在20%～40%，土含量小于10%，透水性强，土体结构密实。基岩岩性多为泥质粉砂岩，弱风化为主，局部存在全强风化层，厚度较大，性状破碎，岩体质量软弱。

2.3 (Ⅲ)区地质概况

Ⅲ区堆积体平均宽度×斜长为610 m×470 m，坡面面积约28万m2，平均厚度约30 m，方量约1 120万m3。

Ⅲ区堆积物分为3层，表层为崩积碎石混合土，中部为混合土碎石，下部为碎块石。崩积碎石混合土层厚度3～9 m，成分以土为主，部分为碎砾石，透水性差，土体结构松散。混合土碎石层厚度36～56 m，成分以碎石为主，碎石含量在40%～60%，部分为块石、砾石、土，透水性强，土体结构较密实。碎块石层厚度48～51 m，成分以块石为主，含少量碎石，透水性强，土体结构密实。基岩岩性多为砂岩，弱风化为主，岩体整体较为破碎。

3 三维有限差分法稳定分析

采用三维有限元法对堆积体进行应力应变分析。分析堆积体在正常蓄水位1 071.00 m、降雨、库水位下降工况下的变形与稳定。采用强度折减法对堆积体在三维空间上的强度储备安全度进行评价。

3.1 计算软件简介

计算采用岩土工程数值模拟大型三维程序FLAC3D，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，该计算程序非常适用于本工程的三维数值模拟计算。

3.2 计算参数选取

通过现场蓄水过程中堆积体的变形监测资料，在蓄水过程中，堆积体中出现了一部分的裂缝，并且在Ⅰ区出现较大的变形，为了在计算中得到的变形规律能较为符合实际情况，参考地质资料描述和分析，对堆积体的变形与强度参数空间分布在可能变化范围内进行反演和调整分析，最后得到所采用的计算参数见表1。

表1 材料物理力学参数表

3.3 计算模型

模型Y坐标轴正方向方位角为19°，X坐标轴正方向方位角为109°，竖直向上方向为Z正向，坐标系符合右手定则，如图2所示。模型X轴方向长度为1 749 m，Y轴方向长度为1 520 m，模型底部模拟到600 m高程。

图2 三维计算模型图

模型范围满足了数值分析要求的研究范围。三维模型详细模拟了堆积体的基覆面，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个变形区以及Ⅰ区的4个亚区(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4)和Ⅱ区的3个亚区(Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3)的空间分布性特征，以及变形区中的材料特性分界面和库区河床的覆盖层。

网格类型全部采用四面体单元。在3个变形区，网格进行了适当加密，网格尺寸采用15 m网格，下覆基岩采用网格尺寸为50 m网格。计算模型侧向边界为法向约束，底部为三向(X/Y/Z)固定约束。岩体应力应变模型为理想弹塑性模型，强度准则为摩尔库伦屈服准则。

3.4 正常蓄水位1 071.00 m变形与稳定分析

3.4.1变形分析

采用计算参数的变化以及坡体中库水位下坡体表面的水压力施加，来模拟水库蓄水的作用。

计算结果表明，水库蓄水后，Ⅰ区最大位移约140 cm，Ⅰ-1 区、Ⅰ-4区较Ⅰ-2区、Ⅰ-3区的位移大，在高程上表现为靠近河床部位的低高程位移较大，高高程位移较小，与监测资料基本一致。

3.4.2Ⅰ-1区强度折减分析

取在极限状态时坡表位移最大的一点作为特征点，通过分析，水库蓄水至1 071.00 m，当折减系数值达到1.10时，各向位移出现明显偏离；当折减系数值达到1.25时，各向位移计算趋于发散。根据位移突变判断准则得出堆积体强度折减法稳定系数为1.10，计算结果见图3。

图3 累积位移与折减系数关系曲线图

3.4.3Ⅰ-4区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.10时，各向位移明显偏离，达到1.50时，位移计算趋于发散。故堆积体强度折减法稳定系数为1.10，计算结果见图4。

图4 累积位移与折减系数关系曲线图

3.4.4Ⅱ-3区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.10时，各向位移明显偏离，达到1.40时，位移计算趋于发散。故堆积体强度折减法稳定系数为1.10，累积位移与折减系数关系曲线见图5。

图5 累积位移与折减系数关系曲线图

3.5 降雨工况变形与稳定分析

3.5.1变形分析

田坝村堆积体属于强透水体，在已知条件下长降雨历时中，降雨入渗深度都基本在基岩面以上，堆积体不会出现全部饱和。因此，降雨工况下，不考虑堆积体中空隙水压力，堆积体容重按部分饱和考虑。

在降雨条件下，堆积体发生最大位移约为3 cm，主要出现在各区的中部高程。Ⅱ-1区，Ⅱ-2区位移约为1.5 cm，Ⅱ-3区，最大位移约为2.7 cm，Ⅲ区最大位移约为0.7 cm，影响较小。从中看出降雨条件下，对堆积体的Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3，Ⅱ-1、Ⅱ-3区影响较为显著，对Ⅱ-2区影响次之，对Ⅰ-4区和Ⅲ区影响相对较小。

3.5.2Ⅰ区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.20时，各向位移明显偏离；达到1.70时，位移计算趋于发散，故堆积体强度折减法稳定系数为1.20，计算结果见图6。

图6 累积位移与折减系数关系曲线图

3.5.3(Ⅱ)区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.40时，各向位移明显偏离；达到2.0时，位移计算趋于发散，故堆积体强度折减法稳定系数为1.40，累积位移与折减系数关系曲线见图7。

图7 累积位移与折减系数关系曲线图

3.6 库水位下降工况变形与稳定分析

3.6.1变形分析

分析正常蓄水位1 071.00 m下降至排沙限制水位1 053.00 m的工况。堆积体属强透水，地下水位线随着库水位的降低而快速降低，堆积体内基本不存在超空隙水压力，库水位下降对堆积体的外部作用主要为堆积体内孔压减小产生的固结。计算结果表明，在库水位下降作用下，Ⅰ区最大位移约130 cm，Ⅰ-1区、Ⅰ-4区的最大位移分别为130、90 cm，在高程上表现为，靠近河床部位的低高程位移较大，高高程位移较小，由低至高逐步递减。

3.6.2Ⅰ-1区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.05时，各向位移明显偏离；达到1.30时，位移计算趋于发散，故堆积体强度折减法稳定系数为1.05，累积位移与折减系数关系曲线见图8。

图8 累积位移与折减系数关系曲线图

3.6.3Ⅰ-4区强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.0时，各向位移明显偏离；达到1.20时，位移计算趋于发散，故堆积体强度折减法稳定系数为1.0，累积位移与折减系数关系曲线见图9。

图9 累积位移与折减系数关系曲线图

3.6.4Ⅱ-3强度折减分析

通过计算分析，当折减系数值达到1.05时，各向位移明显偏离；达到1.35时，位移计算趋于发散，故堆积体强度折减法稳定系数为1.05，累积位移与折减系数关系曲线见图10。

图10 累积位移与折减系数关系曲线图

4 结 论

(1) 水库蓄水和库水位下降工况变形分析表明：对Ⅰ-1区和Ⅰ-4区的坡体变形影响较为显著，Ⅰ-1区和Ⅰ-4区的位移较大，Ⅰ-2区和Ⅰ-3区的位移较小；从高程分布上看，低部高程，即靠近河床部位位移较大，高高程位移较小。说明在蓄水过程中，堆积体的潜在失稳滑动机制为牵引式滑动类型。

(2) 降雨对堆积体的Ⅰ区影响较为显著，对Ⅱ-2区影响次之，对Ⅰ-4区和Ⅲ区影响相对较小Ⅰ区位移分布随高程降低，位移随之减小，潜在可能失稳部分主要分布在Ⅰ-2和Ⅰ-3区，在Ⅰ-1和Ⅰ-4区潜在失稳可能性较低。

(3) 与水库蓄水及库水位因素引起堆积体变形程度相比，降雨引起的堆积体位移要远小于库水位变化因素，说明降雨促发堆积体发生较大变形的可能性较小。

(4) 强度折减分析表明：蓄水工况Ⅰ-1 、Ⅰ-4和Ⅱ-3区的强度储备安全系数为1.1，基本上都处于临界状态；降雨工况Ⅰ区总体的强度储备安全系数约为1.20左右，满足规范要求；Ⅱ区堆积体， Ⅱ-1区和Ⅱ-3区的强度储备要小于Ⅱ-2区，Ⅱ区总体的强度储备安全系数约为1.40左右，满足规范要求；库水位下降工况Ⅰ-1区和Ⅰ-4区的强度储备安全系数在1.15左右，满足规范要求，Ⅰ-1区和Ⅰ-4区的强度储备安全系数在1.0左右，处于临界状态；Ⅱ-4区的强度储备安全系数在1.05左右，基本上都处于临界状态。