玉门抽水蓄能电站工程厂区高边坡稳定分析

宋国栋，郭 芳

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

边坡稳定性影响因素主要有边坡岩土体的强度参数——内摩擦角φ、粘聚力c以及地下水对和边坡高度、边坡脚度(坡率)等[1-2]，其中岩土体强度和地下水对边坡稳定性的影响最大，其次为坡高、坡脚等[3-4]。对于节理岩体边坡，其稳定性主要受软弱结构面(节理)的控制，且随着坡高和破角的增加而降低[5]。其中结构面对边坡的影响主要体现在结构面的强度及结构面与边坡坡脚的倾向关系，结构面直立的边坡稳定性略大于结构面水平的边坡，反倾向结构面的边坡稳定性明显大于顺倾向结构面的边坡[6]，结构面倾角与坡脚同向时，夹角越大越稳定。此外，地下水对岩体边坡的影响也尤为重要，主要表现为两方面，一方面水的入渗，使岩体质量增大，滑体滑动力增大；同时水的润滑、软化和溶蚀以及水—岩相互作用使岩体的强度降低，边坡的安全系数降低[7-8]。

本工程地面厂房区域以岩质边坡为主，但边坡开挖前已长期存在地下水，此时根据地质勘察所得出的岩土体重度、强度等参数已是水—岩相互左右后的参数，不用再重复考虑水的影响。

1 工程概况

甘肃玉门抽水蓄能电站位于酒泉地区玉门市境内，距玉门市直线距离约40 km，距酒泉市直线距离约150 km。电站推荐装机容量为1 200 MW，按装机容量确定为一等大(1)型工程，永久性主要建筑物为1级建筑物，电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地面厂房系统等建筑物组成。

地面厂房位于下水库主坝西侧，距离下水库约500 m，采用尾部式开发方式。厂区地面高程为2 289.80 m，厂区平面尺寸为179.85 m×87.59 m(厂区总布置示意见图1)。

图1 厂区总布置示意

地面厂房布置在野马沟与阴思道沟的山坳间，厂房区地势三面高一面低(西南高东北低)，东北侧为阴思道沟，高程低于厂房区。地面厂房的建设，需开挖西南三侧山体，最终形成最高为88.25 m的开挖边坡。

2 地形地质条件

厂房区西南侧山梁段为主要开挖区，现状山体基岩出露，在沟底及斜坡上未见有大范围崩塌体堆积分布。在陡坡、陡坎处被卸荷裂隙切割，分布有稳定性较差的小块体。边坡岩土体以块裂状结构夹碎裂状结构岩体为主，完整性差，较软岩夹中硬岩，以较软岩为主，结构面发育，以断层、卸荷裂隙为主；地下水埋藏较深，地下水活动较弱。岩性有二云角闪片麻岩、条带状大理岩、黑云斜长片麻岩，断层破碎带及影响带为构造碎裂岩。基岩全风化带缺失，强风化带厚1.0～15.5 m，弱风化带埋深0.7～15.5 m。断层主要发育有走向N5°～10°W，倾角以大于80°为主的f315、f316、f317、f331断层；走向N60°～80°E，倾角以大于70°为主的f322、f329、f324断层。

3 边坡主要断面选取及工况分析

3.1 边坡开挖设计

玉门工程区厂房作为重要发电建筑物，其边坡稳定尤为重要。参照边坡工程技术规范[9]相关规定及勘探相关数据，厂区开挖边坡采用规范建议的稳定坡率进行开挖设计。厂区发电机层(2 290.0 m高程)以下的临时边坡，开挖坡比取1∶0.5，每10 m高设一级马道，马道宽度为2 m；发电机层(2 290.0 m高程)以上的永久边坡，开挖坡比取1∶0.8，每10 m高设一级马道，马道宽度2 m。

3.2 计算断面选取

为此地面厂房计算断面选择西南侧最高边坡为主要分析边坡，计算断面如图2所示。结构面f309倾向与边坡倾向相反，较为稳定，结构面f317倾向与边坡相同，为边坡稳定分析的控制结构面。

图2 计算边坡断面示意

3.3 计算工况

由于玉门工程区地震烈度高，在地震作用下边坡的稳定与否影响建筑物的安全。因此在天然状态工况的基础上，需进一步考虑地震荷载作用。边坡计算工况考虑的荷载效应见表1。

表1 计算分析工况

根据抗震设计规范[9]，厂区边坡抗震设防类别为乙类，按50 a超越概率5%作为设防标准，相应的的地震动参数为307.8 gal，采用拟静力法进行计算。此外，对于设计烈度为Ⅷ度的大跨度水工混凝土结构，应同时计入水平向和竖向地震作用，竖向地震加速度的代表值一般可取水平向地震加速度代表值的2/3。参考边坡工程技术规范[9]，经计算得到边坡综合水平地震系数为0.078 5，相应竖向地震系数为0.052 3。

4 边坡稳定性分析

4.1 计算方法及本构模型

1) 计算方法

本阶段初步采用有限元法对厂区边坡稳定进行分析。运用Midas GTS软件，建立边坡有限元模型，并采用SRM方法分别分析边坡在正常工况和地震工况下的稳定性。

2) 本构模型

本文采用Midas GTS软件中的摩尔库伦模型作为边坡岩体的本构模型。摩尔库伦模型[15]为弹塑性模型，其广泛应用于岩土体的破坏分析中，取得较好的效果，适用于普通土壤和岩石的力学行为，如边坡稳定和地下开挖等。

4.2 计算模型、边界条件及计算参数

1) 计算模型

边坡控制断面简化后有限元模型及网格划分见图3。

图3 边坡模型尺寸及网格示意

Gn2(III)与Gn2(IV)分别为弱风化和强风化岩体，采用平面应变单元的摩尔库伦模型模拟，f309、f317为结构面，结构面具有一定的厚度，采用平面应变单元的摩尔库伦模型模拟。结构面与岩体之间的接触面、不同岩体之间的接触面采用Midas GTS软件中提供的接触单元(Goodman单元)进行模拟。Goodman单元是不需要细分单元类型的细长单元，在建模过程中广泛使用，用于连接不同材料或刚度相差较大的材料[16]。

2) 边界条件

边坡模型上部为自由边界，底部为固定约束，左右边界为水平约束。

3) 计算参数

根据厂区地质勘察资料，边坡控制断面主要岩土参数及结构面参数见表2和表3。

表2 岩层参数

表3 结构面参数

4.3 计算结果及分析

采用数值模拟软件分别分析边坡控制断面在自然工况和地震工况下的稳定性，以下分别从安全系数、应力应变云图及边坡水平位移等方面对边坡稳定性进行详细分析。

1) 安全系数

天然状态工况和地震工况下边坡安全系数计算结果见表4，其中安全系数容许值参考边坡工程技术规范[9]。

表4 计算结果汇总

根据计算结果，天然工况下边坡的稳定系数为1.49，大于规范要求的边坡安全系数容许值1.35；地震工况下边坡稳定系数为1.34，大于规范要求的安全系数容许值1.15，均满足安全系数要求。

2) 应力应变分析

天然工况下边坡应力云图见图4，根据天然工况下折减前后最大剪应力云图，忽略因边界约束引起的应力集中，仅考虑边坡附近区域时，可以看到坡脚处最大剪应力相对较大。折减系数为1.0时，坡脚最大剪应力为1.10 MPa，小于岩体承载力特征值1.50 MPa；折减系数为1.49时，坡脚的最大剪应力为1.63 MPa，大于岩体承载力特征值1.50 MPa，发生破坏。

a 未折减状态(K=1.0)

天然工况下边坡塑性应变云图见图5，由图5可知在临界破坏状态坡脚滑动面与坡顶结构面贯通，形成整体破坏；而坡体强度无折减(K=1.0)时，仅坡顶结构面存在较大应变，形成背离坡面的滑动面，但背离坡面的左侧无临空面，因此不会形成整体滑动破坏。

a 未折减状态(K=1.0)

地震工况下边坡应力云图见图6，由图6可知，最大应力单元位于坡脚。边坡岩体强度参数折减前，坡脚最大剪应力为1.38 MPa，小于岩体承载力1.50 MPa；坡体强度折减1.3倍后，坡脚最大剪应力1.89 MPa，大于1.50 MPa，发生破坏。由此可见，边坡失稳的关键特征在于坡脚是否发生破坏。

a 未折减状态(K=1.0)

地震工况下边坡塑性应变云图见图7，由图7可知，边坡失效破坏时会从坡脚形成滑动面，向上延伸，依次与f317和f309结构面贯通，形成整体滑动。现状边坡在地震作用下，沿着反向结构面形成较大应变，有向左侧滑动的趋势，但左侧无边坡临空面，因此岩土体不会形成整体滑动，进一步确认在地震工况下边坡处于稳定状态。

a 未折减状态(K=1.0)

3) 边坡水平位移分析

根据边坡应力应变分析可知，边坡失稳破坏时，主要表现为坡体的滑动破坏，因此可根据边坡水平位移进一步验证边坡的稳定状况。

天然工况下边坡的水平位移云图见图8，边坡强度未折减时，坡顶结构面处的水平位移最大，最大水平位移为0.41 m，坡脚位移相对较小，为0.12 m；而强度折减后边坡处于临界状态时，坡脚位移最大，为0.86 m，坡面整体向水平方向移动。

a 非破坏时(K=1.0)

地震工况下边坡的水平位移云图见图9，边坡强度折减前后边坡的位移特征总体与天然工况一致。在边坡强度折减前，最大水平位移发生在坡顶结构面，位移为0.41 m，而坡脚水平位移为0.13 m；岩土体强度折减后，处于临界状态时，最大水平位移发生在坡脚为1.65 m。

a 非破坏时(K=1.0)

通过天然工况和地震工况下边坡的位移特征可知，天然和地震两工况下，在强度未折减时均为坡顶位移最大，随着折减系数的不断增加，坡脚位移逐渐加大，达到临界状态时，最大水平位移均发生在坡脚位置，因此坡脚为水平位移分析的关键点。

选取坡脚水平位移最大处进行研究，并绘制该点水平位移与折减系数的关系曲线(如图10所示)。在天然工况下，坡脚水平位移的转折点在折减系数在1.45附近，此时坡脚水平位移约为0.47 m，之后随着折减系数的增加，坡脚水平位移迅速增大。在地震工况下，坡脚水平位移的转折点在折减系数在1.30附近，此时坡脚水平位移约为0.68 m，之后关键点变形突然增加。根据坡脚水平位移与折减系数关系曲线的特点，结合边坡滑动的过程可知，在转折点后，坡脚岩土体位移急剧增大，坡脚失去稳定，边坡进入滑动破坏阶段。

a 天然工况

由以上分析可知，坡脚的位移变化是边坡失稳的重要特征，为此，在边坡爆破开挖的施工过程中应做好边坡坡脚的位移监测，并加强对坡脚的保护，确保边坡开挖的稳定。

4.4 边坡支护措施

根据厂区断层走向及边坡稳定的计算结果，厂区边坡处于天然稳定状态，为此边坡支护遵循“自稳为主，支护为辅”的设计原则，厂区边坡支护主要针对现有坡面上局部的不稳定块体的滑落。

地面厂房区域岩层分界线较深，锚杆支护的作用相对较弱。针对目前的情况，采取的具体支护方案以挂网+喷混为主，锚杆支护为辅的方式，具体方案为：开挖边坡进行全坡面的挂网喷锚支护，临时边坡坡比采用1∶0.5，永久边坡坡比采用1∶0.8，均采取系统锚杆方式进行永久支护，砂浆锚杆规格为Φ28 mm，长6 m，间排距2 m×2 m，挂网喷C25混凝土，厚度为150 mm。此外，由于厂区边坡采用爆破开挖的方式，开挖过程中可能会造成一定的岩石松动体，采用随挖随支、及时封闭的方式，确保坡面的稳定。对于边坡开口线外岩体完整性差，岩石破碎的区域，目前沿开挖边坡开口线边缘设置有被动防护网，防止落石伤害。

5 结语

1) 采取天然工况和地震工况两个主要工况进行边坡分析，两工况下边坡的稳定系数分别为1.49和1.38，均大于规范要求安全系数容许值，边坡处于稳定状态。

2) 根据边坡的水平位移特征可知，边坡处于临界状态时，坡脚位移最大，天然工况和地震工况下坡脚的位移分别为0.86 m、1.65 m。而边坡岩土体强度未折减时，两工况边坡坡脚位移较小，约为0.12 m，边坡稳定的安全裕度较大。

3) 根据边坡计算分析可知，坡脚发生破坏和坡脚的位移变化是边坡失稳的两个关键性特征，边坡失效破坏时会从坡脚形成滑动面，向上延伸，与结构面贯通，从而形成整体滑动。因此在施工过程中应做好坡脚的位移监测，并加强对坡脚的防护。

4) 根据边坡计算结果，边坡整体处于稳定状态，采用挂网喷混封闭护坡，可有效预防现有坡面上局部不稳定块体以及开挖过程中产生的松动体的滑落，确保边坡的稳定安全。