水电站边坡稳定性及桩基托梁结构优化分析

郭 翔 李安琪

(水发规划设计有限公司，山东 济南 250000)

在水电站建设过程中不可避免地会遇到边坡稳定性问题，诸多学者对各种边坡工程进行了卓有成效的研究[1-4]。胡瀚等[5]通过介绍无黏结预应力锚索在水电站崩塌体边坡支护工程中的工作机理及应用、施工特点、施工方法及要点、施工工艺、应用前景等内容，分析无黏结预应力锚索在崩塌体边坡支护工程中抗滑支挡的功能及效益，研究无黏结预应力锚索这种新型抗滑支挡结构的理论设计方法，从锚索材料结构、施工方法工艺和经济效益等方面论证水电站崩塌体边坡采用无黏结预应力锚索支护的可行性和必要性。邱茂星等[6]以锦屏一级水电站为依托，对边坡变形进行流变反演计算，并通过正向计算预测了边坡的长期变形情况，研究了在上游正常蓄水位1880m和死水位1800m两种水位条件下，及不同边坡变形情况下拱坝的变形和应力分布情况。结果表明：2012年蓄水后至2020年7月，拱坝整体变形较小，右岸1800m高程以上坝肩拉应力区明显减小，拱坝受力状态有局部改善;2020年7月至边坡长期变形收敛阶段，拱肩槽边坡变形较小，左拱端下游侧横河向变形增量小于1.2mm，拱坝拉应力值和分布范围改变不明显。于柏强[7]以吉林省抚松县小山水电站为例，介绍了前方交会法在电站厂房后边坡监测中的应用，涉及监测控制网布置以及观测精度分析。实践表明：监测分析与历年监测成果较为吻合，测值基本能反映边坡的表面位移，精度满足案例监测要求。梁靖等[8]基于现场调查与最新监测结果数据，从监测反馈和地质角度揭示了边坡变形破坏特征及机制，并以此分析边坡稳定性。分析结果表明：锦屏一级水电站左岸边坡的表观与深部累计位移变形仍呈现缓慢增长趋势，但历经变形调整后速率有一定减缓，可将变形机制归纳为“上部持续倾倒—深部张裂—表部锁固体松弛—下部与坝体协调”。虽然对于水电站边坡问题已有相关研究，但对于水电站高填方边坡采用桩基托梁加固研究不足[9-10]，亟待进一步补充研究，因此本文以大华桥水电站5号公路桩基托梁支挡边坡为例，通过有限元数值模拟方法对其进行了稳定性计算及桩长优化分析，以期为类似工程提供参考。

1 工程简介

大华桥水电站5号公路K0+320～K0+630段主要为路堤型式，基底为斜坡，靠河一侧拟采用桩基托梁进行支挡，由于填方较高加之洪水季节的洪水位骤降等可能对边坡稳定性造成不利影响，因此采用数值分析方法进行计算，对边坡的稳定性以及桩基托梁结构的安全性进行复核优化。沿线地形地貌见图1。

图1 5号公路沿线地形地貌

沿线出露的地层主要有侏罗系、白垩系及第四系覆盖层。

桩号K0+000～K0+586段主要由侏罗系上统坝注路组(J3b)含铁绢云母板岩、粉砂岩组成，岩层走向近南北，陡倾角展布，薄层状结构，强度较低，完整性较差。

桩号K0+586～K1+007段为白垩系下统景星组下段(K1j1)灰白、灰绿色中—粗粒石英砂岩与紫红色含砾含绿泥石绢云母板岩不等厚互层。

工程区地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度为Ⅶ度，属于中硬较稳定场地。

工程区内出露岩层为侏罗系及白垩系绢云母板岩、粉砂质板岩、石英砂岩等，其中绢云母板岩单层厚度小于20cm，岩层破碎，节理裂隙发育，单轴饱和抗压强度小于30MPa，属软石；而粉砂质板岩、石英砂岩为互层状或薄层状，岩体较完整，其单轴饱和抗压强度大于30MPa，属次坚岩—坚石。

工程区第四系松散堆积层主要包括全新统崩积层、坡崩坡积层及残坡积层等，堆积厚度一般较小，分选性差，充填杂乱，承载力容许值介于200～400kPa，属中软～中硬土。

2 计算有限元模型及说明

2.1 计算模型

选取桩号K0+500横剖面作为计算断面，由此建立数值模型(见图2)。共划分为2040个单元，4229个节点，见图3。本构模型服从莫尔—库仑屈服准则。

图2 三维数值计算模型

图3 网格划分

2.2 参数选择及桩长工况

加筋与无筋时相比土体的抗剪强度增加了(即附加黏聚力)Δc：

(3)

式中Rf——筋材单宽抗拉强度；

Sv——筋材的垂直间距；

Kp——被动土压力系数，即Kp=tan2(45°+φ/2)。

本项研究中取筋材单宽抗拉强度为50kN/m，筋材垂直间距为0.5m(相关材料参数见表1)。

表1 材料参数

桩基长度按20m、18m、16m、14m、12m、10m、8m考虑，边坡安全系数采用有限元强度折减法计算，路堤上考虑20kPa的交通荷载。

3 边坡稳定及桩基托梁桩长优化分析

3.1 计算结果

从不同桩基长度工况的计算结果图(见图4)可看出(包括强度折减至极限平衡时边坡的最大剪应变云图)，随着桩长的逐渐增加，边坡滑面的形成受到了抑制，在桩长为8m时边坡已逐渐形成稳定滑面，此时桩基可能被剪断，而当桩长为12m时可以明显看出边坡没有形成明显的滑动面，聚集的画面由此分散成宽条状，证明了桩长增加后边坡稳定性有所提高。

图4 不同桩长边坡极限平衡时最大剪应变云图

3.2 潜在滑面分析

提取出桩长为0m、10m和20m三种工况下边坡的潜在滑面位置图(见图5～图7)，对比可看出，随着桩长的增加，潜在滑面逐渐向坡体深部发展，边坡安全系数也得以提高。当桩长增加至20m后，边坡安全系数为1.65。

图5 边坡潜在滑面位置(桩长0m，FOS=1.1)

图6 边坡潜在滑面确定(桩长10m，FOS=1.19)

图7 边坡潜在滑面确定(桩长20m，FOS=1.65)

3.3 边坡安全系数分析

从桩长—安全系数曲线(见图8)可看出，桩长对边坡的稳定性有明显提高作用，从边坡安全系数1.19(桩长为8m)陡增至1.40(桩长为10m)，此后随着桩长的增加，边坡安全系数基本呈线性增长，并有足够的富裕空间。如以规范规定的稳定安全系数1.30为限值，综合考虑河流冲刷等不利因素，建议桩长取为14m。

图8 桩基长度与边坡安全系数关系曲线

3.4 桩基托梁变形分析

填土施工将引起桩基托梁发生变形，桩长越长，桩基托梁变形越小，但变化幅度不大，最大水平位移在46～59mm之间。当桩长为8m时，填土施工引起的挡墙顶部水平位移约59mm，当桩长为14m时，墙顶水平位移约53mm，桩长20m时，墙顶水平位移则为46mm。桩基托梁变形关键点位置见图9，不同桩长工况填土施工引起的桩基托梁关键点变形见图10。

图9 桩基托梁变形关键点位置示意图

图10 不同桩长工况填土施工引起的桩基托梁关键点变形

4 结 论

采用有限元方法对大华桥水电站5号公路桩基托梁支挡边坡进行了计算，主要得到以下结论：通过应用有限元强度折减法对边坡滑面进行分析，发现随着桩长的增加，潜在滑面逐渐向坡体深部发展，边坡安全系数也得以提高；从有限元计算结果来看，当桩长为20m时，对应的边坡安全系数为1.65，存在安全系数富裕空间。综合考虑边坡安全系数大于1.30并考虑到河流冲刷等不利因素，建议实际工程桩长取到14m以上。