大渡河某水电站左岸边坡开挖的稳定性分析

钱洪建 黄梦婷 李 彪

(1.国家能源集团金沙江旭龙水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

0 引言

在“碳达峰、碳中和”背景下，水利能源作为一种清洁能源越来越被重视，水电站建设也受到越来越多人的关注。目前我国西南地区有一大批规划和在建的水电站，但是西南地区高山峡谷众多，地势险峻复杂，地貌十分特殊，其高陡岩石边坡的开挖存在许多不容忽视的问题[1]。

近年来，关于岩质边坡稳定性研究的方法大致有以下几种：数值模拟法、工程类比法和极限平衡法。其中极限平衡法的原理比较简单，使用也较为广泛，但是其缺点也同样明显，对边坡开挖引起的应力变化和位移变化的分析不够准确，存在局限性[2]。工程类比法即综合分析与实际工程相似的工程案例，但是不可能有完全相同的两个工程，各个工程的地质情况也各不相同，从而可能导致分析产生一定的误差，因此并未被广泛应用于工程中[3]。而数值模拟法能够对边坡分步开挖引起的应力和位移变化进行模拟分析，优越性突出，被研究者广泛应用于各类边坡工程稳定性研究工作当中。

随着学科的发展和计算理论的不断完善，数值模拟技术的使用越来越广泛。数值模拟法大致可以分为以下几类：有限元方法、离散元方法、有限差分方法、边界元方法和多场耦合法等。国内外研究者也基于各种方法对边坡稳定性的研究取得了许多成果。Griffiths等[4]采用有限元（FE）方法对一些边坡案例的稳定性进行研究分析；Dawson等[5]基于强度折减法对边坡稳定安全系数进行了分析与对比研究；孙超伟等[6]基于霍克-布朗有限元强度折减法，为评价边坡稳定性建立了岩质边坡的稳定性图表，并且通过算例来佐证了图表的合理性；张辉等[7]依托于含有软弱夹层的岩质边坡，采用强度折减法对岩质边坡稳定性进行了研究分析。

本文基于上述研究，依托于大渡河某水电站，采用数值模拟与经验分析结合的方法对坝轴线左岸坝肩稳定性分析以及结构面对高陡岩石边坡破坏失稳机制及稳定性研究，以期为支护及开挖施工提供理论参考，也为类似结构面环绕开挖部分的岩质边坡的稳定性分析研究提供一些思路。

1 工程地质概况

1.1 工程地质条件

大渡河某水电站位于金川县城以北约13km、大渡河与右岸支流新扎沟河汇合口以上长约1km的河段上，河谷平面上呈反“S”型。河谷呈“V”型，枯水期河水位高程约2153m，水面宽约50～90m，正常蓄水位2253m高程相应谷宽约245～310m。坝址区两岸多基岩裸露，谷坡陡峻，为横向谷。大渡河某水电站边坡坝轴线左岸剖面及开挖区域和层间结构面如图1所示。

图1 边坡坝轴线左岸剖面图

1.2 岩土体物理力学性质

左岸边坡高程2030～2450m，坝基岩性为T32

2(5)-T32

2(6)的细砂岩，为顺向坡岩层结构，其中断层、错动带、裂隙有许多，但考虑到其对开挖的稳定性影响，因此在模拟中仅考虑结构面g15（PD3）以及断层f20和f28。

左岸边坡第一主应力大小为6MPa左右，方向为NNW向，其倾角在浅部与地表近于平行，在深部则逐步转为垂直；第二主应力大小为3MPa左右，方向为N-NW向，其倾角在浅部与地表近于垂直，在深部则逐步转为水平；第三主应力大小为1MPa左右，方向为N-E向，其倾角在浅部与地表近于垂直，在深部则逐步转为水平，整体应力水平较低。

2 有限差分法数值模拟

2.1 FLAC3D基本原理

FLAC3D属于有限差分软件，其在求解偏微分方程时用有限差分公式对导数进行替换，将复杂的偏微分方程转化为更易求解的代数方程[8]。

模拟过程中，首先需要将求解区域的网格细分为有限差分网格，网格建立完成后需选择与工程对应的本构关系并根据材料性质进行赋值，同时还需定义模型的边界条件及初始受力情况，定义完成后需进行第一次初始力学平衡。第一次平衡完成后若结果能够接受，需清零位移及速度场，再进行后续诸如开挖等静力计算分析。

2.2 模型的建立

根据水电站左岸边坡轴线工程地质剖面图在FLAC3D中建立左岸边坡三维开挖模型，如图2所示。模型横河向取230m，底部高程为2050m，最高点高程为2450m。模型x轴为逆河向，y轴为横河指向河谷，z轴垂直向上。模型底面采用x、y、z三个方向固定约束，前后左右四个面采用法向约束，坡面为自由表面未添加约束。边坡模型厚度为35m，水平距离为230m，垂直距离约230m，共生成网格1190个，单元4344个。并且在模拟中选用了摩尔-库伦弹塑性本构模型，在不考虑支护的情况下对边坡开挖卸荷过程进行数值模拟，并进行稳定性分析。

图2 边坡数值模型

模型开挖区域每隔20m进行划分，分为6个阶段从上至下开挖。同样不考虑支护情况下对边坡开挖卸荷过程进行数值模拟，并进行边坡开挖稳定性评价分析。

3 模拟结果分析

3.1 参数确定

强度折减法[9]的原理大致就是通过将岩土体的抗剪强度系数进行折减，来代替原始的黏聚力和内摩擦角。并且通过增大折减系数来迭代计算，直至土体达到临界破坏状态。

本文在结构面参数选取上采用了强度折减计算。根据勘察资料及室内试验数据，可以得知结构面强度参数较低，所以可以把岩体当作受结构面控制的刚性体，在计算中仅对结构面强度参数进行折减，经过折减后的参数如表1所示。

表1 折减后强度参数

3.2 FLAC3D模拟分析

左岸坝基边坡分步开挖中，由于最大主应力场在第二、三次开挖，第五次开挖与前开挖情况相比没有明显变化，故仅选取第一、四、六次开挖后最大主应力场图。如图3所示，随着边坡开挖高程的降低，边坡表层应力不断释放并调整，深部应力变化不大，边坡岩体应力有一定程度的降低趋势，并且随着应力调整和岩体松弛，出现了部分拉应力区，但是这些拉应力区域的量值普遍不高，在0～8×105Pa之间。同时也可以看出模型由于边缘效应在左上和右下也形成了量值较小的拉应力区域。

图3 开挖过程最大主应力场图

同理，左岸边坡开挖的过程中对应的累计位移也仅选取第一、四、六次开挖总位移云图。如图4所示，随着开挖高程降低，边坡位移总体以回弹变形为主，并且总体位移很小，在3～4mm左右。可以看出边坡岩体深部总位移基本没有变化，变化主要集中于边坡开挖部位到断层f20之间。

图4 开挖过程总位移变化图

4 结束语

本文主要结合实际勘察资料，对大渡河某水电站左岸坝肩边坡分步开挖过程进行了数值模拟，并对其进行了稳定性分析，主要结论如下：

（1）边坡受从上至下开挖卸荷的影响，浅层部位总体应力逐渐降低。并且随着应力松弛，在边坡表层部分区域出现了量值不高的拉应力。

（2）分步开挖的卸荷作用对该岩石边坡位移变化影响较小，岩体深部位移基本没有变化，开挖部位岩体位移总体较小，说明该边坡在分步开挖作用下稳定性较好。

（3）考虑边坡开挖工程中其他不利因素的影响，仍需结合后续施工过程中的监测来评价边坡开挖的稳定性。