中洞抽水蓄能电站上水库高边坡稳定分析

◎ 徐驰 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司

边坡稳定性受诸多因素影响，主要包括：边坡岩土体的强度参数（内摩擦角和粘聚力）、地下水、节理、边坡的坡高及坡度等[1-2]。不同的土质和岩石具有不同的强度和变形特性，因此会对边坡的稳定性产生影响，一般来说，较强的土质和岩石具有更好的稳定性。当地下水位上升时，边坡内部水压力增大，导致岩体有效应力降低，从而减小岩体的抗剪强度，地下水的存在也会增加岩体的饱和度，使岩体中的孔隙充满水分，增加岩体的可塑性和变形性，可能导致边坡的变形和滑动[3-4]。对于节理岩体边坡来说，软弱结构面（节理）是主要的控制因素之一，节理是岩石中的裂隙或面状结构，具有较低的强度和较高的滑动倾向，这些节理面可以导致边坡的破坏和滑动[5]。随着坡高的增加，边坡上的应力会增加，这会增加节理面上的剪切力，如果节理面的强度较低，剪切力可能会导致边坡的破坏和滑动，此外，随着坡角的增加，节理面的倾向性也会增加，这会进一步降低边坡的稳定性[6-7]。

1.工程概况

惠州中洞抽水蓄能电站站址位于广东省惠州市惠东县高潭镇中洞村，距离惠东县城直线距离约68km。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成。上水库坝址位于杨梅水上游，位于海丰、紫金、惠东、陆河四县交界处五马归槽山惠东县一侧，集水面积0.72km2。库区地面高程917m以上，分水岭高程990m～1050m，基本无人类活动。上水库校核洪水位（P=0.05%）972.3m，设计洪水位（P=0.5%）971.5m，正常蓄水位969.0m，死水位941.0m，总库容917.6万m3，调节库容729.1万m3，死库容84.5万m3，由于上水库库盆开挖，最终形成最高为135m的岩质高边坡（上水库库盆开挖示意见图1）。

图1 上水库库盆开挖示意图

2.地形地质条件

上水库地层岩性单一，主要出露的地层有第四系冲洪积层（Qal）、第四系坡积层（Qdl）及晚侏罗世侵入的燕山三期（γ52(3)）粗中粒黑云母二长花岗岩。第四系冲洪积层（Qal）：主要发育于库盆底，以砂、砾、砂砾质粉质黏土、卵石、漂石为主，松散～稍密状，厚约1m～8m，分布不均。第四系坡积层（Qdl）：由砂质黏土、砾质黏土等组成，局部含有块石，土质较均。燕山三期花岗岩（γ52(3)）：主要为灰白色粗中粒黑云母二长花岗岩，主要矿物成分为石英、钾长石、斜长石，次要矿物成分为黑云母、绿帘石等。

库区基岩全风化带分布不均，厚度变化较大，上库揭露厚度0.5m～27.3m；强风化带岩体破碎，揭露厚度0.1m～14.1m；弱风化上带具花岗结构，块状构造，揭露厚度为2.0m～17.6m；弱风化下带具花岗结构，揭露厚度为6.3m～20.8m，局部未揭穿；微风化带具花岗结构，块状～整体状，岩石新鲜，岩质坚硬，岩面最小埋深为10.1m，一般埋深在10～60m间。

工程场区位于山区，未见厚度大于5m的砂土、粉土层、淤泥等软弱土层发育，冲沟均切割基岩，沟谷内没有阶地堆积物，大坝等建筑物均建于基岩上。因此，场址区内不存在地震砂土液化和软土震陷等地震地质灾害问题。本工程场地水库区范围内未发现较大规模滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地质现象。场址区内构造较简单，断层规模较小，场址区内无历史破坏性地震活动记录，地震活动性较弱，不具备因断裂错动直接造成本工程水工建(构)筑物发生破坏的条件。

3.边坡稳定分析

3.1 模型建立

本文使用Midas GTS/NX软件进行有限元分析，边坡使用二维模型，断面高度取193m，宽度取200m，最高岩质边坡计算断面详见图2。

边坡地质岩层由上而下分为强风化层、弱风化层上带、弱风化层下带和微风化带，各岩层采用2D平面应变单元进行模拟，材料模型均采用摩尔— 库伦本构模型，在边坡坡面位置对网格进行适当加密处理，重力方向为Y方向。结构面f7倾向与边坡倾向相反，较为稳定，结构面f108倾向与边坡倾向相同，为边坡稳定分析的控制结构面，结构面采用平面应变单元摩尔— 库伦本构模型模拟，各岩层之间、结构面与岩层之间的接触采用接触单元模拟[8]。边坡有限元模型及网格划分见图3，各岩土层物理力学参数见表1，结构面参数见表2。

表1 各岩土层物理力学参数

表2 结构面物理力学参数

图3 边坡有限元模型及网格划分示意图

3.2 计算方法和分析工况

本文采用强度折减法（SRM）[9]进行边坡在自然工况下和暴雨工况下的稳定分析。自然工况下，模型边界条件约束使用自动约束，设置初始水位条件，仅考虑自重作用忽略其他因素影响；暴雨工况是在自然工况基础上，由于暴雨过后部分雨水下渗，当超过岩土材料渗透能力之后，整个边坡体达到饱和状态[10]，多出的雨水将会沿坡面流走，最终的水位变化为地表面，直接将水位设定为地表，重新进行稳定性分析。

3.3 计算结果分析

1）安全系数。计算分析得到自然工况下，边坡安全系数为1.56，大于水电工程边坡设计规范[11]要求的边坡安全系数限值1.25；暴雨工况下，边坡安全系数为1.33，大于规范要求的边坡安全系数限值1.15，均满足规范要求。

2）应力应变分析。自然工况、暴雨工况下边坡最大剪应力云图见图4、图5。由图可知，边坡开挖区域内，最大剪应力集中出现在坡脚处，自然工况下坡脚处最大剪应力为1.99MPa，小于岩体承载力特征值3.0MPa，不易遭受破坏；暴雨工况下坡脚处最大剪应力为3.08MPa，大于岩体承载力特征值3.0MPa，产生破坏。

图4 自然工况下边坡最大剪应力云图（临界破坏状态K=1.56）

图5 暴雨工况下边坡最大剪应力云图（临界破坏状态K=1.33）

自然工况、暴雨工况下边坡等效塑性应变云图见图6、图7。根据计算结果可知：自然工况和暴雨工况下，边坡最大应变均集中在f108和f7结构面，结构面f108倾向与边坡倾向一致，边坡可能沿结构面f108发生滑动破坏。

图6 自然工况下边坡等效塑性应变云图（临界破坏状态K=1.56）

图7 暴雨工况下边坡等效塑性应变云图（临界破坏状态K=1.33）

3）边坡水平位移分析。自然工况、暴雨工况下边坡水平位移云图见图8、图9，总位移云图见图10、图11。两种工况下，边坡水平位移均很小；自然工况下最大总位移2.31mm，暴雨工况下最大总位移为2.41mm，集中出现在坡脚处及结构面f108上侧。

图8 自然工况下边坡水平位移云图（临界破坏状态K=1.56）

图9 暴雨工况下边坡水平位移云图（临界破坏状态K=1.33）

图10 自然工况下边坡总位移云图（临界破坏状态K=1.56）

图11 暴雨工况下边坡总位移云图（临界破坏状态K=1.33）

4.边坡支护措施

根据工程场地水库区结构面走向及有限法分析结果可知：在天然工况及暴雨工况下，高边坡处于稳定状态，因此边坡支护设计原则遵循“自稳为主，支护为辅”，库区边坡支护主要是针对断层破碎带的处理，及边坡开挖过程中坡面稳定安全。

根据工程实际，永久边坡坡比为1：0.5，采用挂网喷锚支护方式，喷C 2 0 砼厚10 0 m m，钢筋网A8@200mm×200mm，系统砂浆锚杆C25@2000mm×2000mm，长6m；永久边坡坡比1:1.6采用植草护坡方式支护；断层及破碎带采用随机砂浆锚杆（长6m或9m，C25间距2000mm×2000mm）方式处理；边坡开挖时严格按照从上而下分台阶开挖，岩坡采取预裂爆破，在开挖边坡边缘设置被动防护网，防止开挖爆破过程中造成的块石坠落，确保安全。

5.总结

（1）分析了高边坡在自然工况及暴雨工况下的稳定性，边坡安全系数分别为1.56、1.33，均大于规范要求的边坡安全系数限值，满足规范要求，边坡处于稳定状态。

（2）高边坡在两个工况下水平位移和总位移较小，最大总位移主要集中在坡脚及结构面上侧，安全裕度较大。

（3）暴雨工况下，坡脚处最大剪应力略大于岩体承载能力特征值，因此坡脚是边坡失稳关键，当与结构面贯通时，可能发生滑动破坏，因此边坡开挖过程中应加强坡脚位移监测和防护，及时处理断层和破碎带。

（4）根据计算结果，边坡整体处于稳定状态，采取的支护措施能够确保边坡稳定安全。