双江口水电站双曲拱坝方案右岸拱肩槽边坡稳定性分析*

朱自强，祁 玲，张 林，杨宝全

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.四川大学水利水电学院，成都，610065)

前言

随着西部大开发战略的实施，西部地区资源的开发和基础设施的建设正在快速开展。在这一地区开展的工程中，往往需要开挖大量岩体，形成高陡边坡。而边坡的稳定性状况，关系到工程建设的安全，并在很大程度上影响着工程建设的投资和使用效益，如果处理不当，往往导致边坡失稳，形成滑坡和崩塌[1]。如天生桥二级水电站进口右岸边坡开挖导致滑坡，致使48人丧生；小浪底水电站工程的进场公路开挖，发生30万m3的滑坡；澜沧江漫湾水电站左岸缆机平台边坡失稳的治理工程耗资1.2亿元，耗费大量人力和财力，并使延误工期1年。

因此，对边坡特别是高边坡的稳定性研究显得尤为重要。边坡稳定性的分析研究始于上世纪20年代，早期的边坡研究有两种方法：一是分析边坡所处的地质条件以及滑坡和滑坡发生的环境与机制的影响[2]；二是根据三个静力平衡理论以及刚体平衡条件最终计算边坡极限平衡状态下的总稳定性。上世纪80年代开始，随着计算机理论及其科学的发展，在数值模拟技术的帮助下，边坡研究不断取得新成果，以有限元法为代表的数值分析法也开始大量应用于边坡稳定性分析中[3]。

双江口水电站边坡达到300m以上，稳定性是控制工程安全性的关键问题之一。本文在实地考察基础上，重点研究双江口水电站右岸拱肩槽边坡稳定性，利用现场收集的数据和资料，采用刚体极限平衡法与有限元法两种方法进行分析计算，对前期拟选混凝土双曲拱坝方案进行拱肩槽边坡的稳定性分析和探讨，并给出总体评价和支护建议。研究成果为该水电站双曲拱坝方案稳定性分析与鉴定提供重要参考。

1 工程概况

双江口水电站地理位置[4]处于四川省阿坝州马尔康县与金川县交界处，位于大渡河上游段，大金川主干水系绰斯甲河及重要支流足木足河交汇处双江口(可尔因)下游段，坝段位于阿坝州马尔康县境内的大渡河上源河流足木足河与绰斯甲河汇口以下2km处，是大渡河干流开发的上游控制性工程。天然边坡与工程边坡高度达到300m以上。该水电站设计坝高318m，正常蓄水位2550m，是大渡河流域规划拟建的最大库容水电站之一。

该段河谷呈典型的深切“v”型谷，两岸岸坡陡峻，相对高差达1000m以上，自然坡度左岸35°～50°、右岸45°～60°，谷底宽100m～200m。右坝肩属于天然边坡，基本为岩质边坡，在坡脚存在较厚的覆盖层，其余基本为基岩裸露，其剖面形态为“V”字形一边，天然边坡坡度约52°，属于峻坡，右坝肩垂直落差约523m，属于超高边坡。该段河谷典型地质剖面图如图1所示。

图1 典型地质横剖面

右岸岸岩体向河谷临空方向卸荷强烈。勘探平硐揭露，岩体卸荷方向为顺坡的NW向中陡倾角裂隙方向，并且局部追踪裂隙密集部位发现卸荷比较明显，其卸荷强度一般随水平深度增加而减弱。坝址区右岸2250m～2275m高程强卸荷水平深度为6.5m～19m，弱卸荷水平深度为20m～45m；2400m高程左右强卸荷水平深度为3m～10.5m，弱卸荷水平深度为23m～29m。强卸荷带和弱卸荷带基本上分别与弱风化带上段和下段相对应。强卸荷带内岩体松弛严重，卸荷裂隙较发育，裂隙普遍松弛张开0.5cm～5cm、最大达10cm以上，充填碎屑及次生泥，多浸、滴水。

该水电站拱肩槽部位，谷坡高陡，设计坝高达318m，其规模之巨大，如果出现失稳，将对水电站的施工、运行产生重大影响，由此产生巨大的经济损失和社会影响是不可估量的。

2 极限平衡法分析边坡稳定性

2.1 极限平衡法计算理论

极限平衡法属于经典的确定性分析方法之一[5]，包括如瑞典法、比肖普法、摩根斯坦法等，由彼得森(瑞典)于1912年提出，最大的特点是公式简捷、模型简单、各种复杂剖面以及各种加载形式都可以解决。

极限平衡法的基本原理是：

(1)假定边坡构成的介质是完全均匀的，同时抗剪强度τf满足库仑定理：

τf=c+σtanφ

(1)

其中：c——粘结力，φ——内摩擦角，σ——法向应力。

(2)假设破坏面为圆弧形，在对所有圆弧的安全系数计算中最危险滑动面为安全系数最小的。

(3)将每个滑动体划分为N个条块并且假定条块间无作用力。

(4)安全系数K的计算方法(各圆弧面上的)为：

(2)

2.2 计算参数

在计算中岩体天然重度取26.8kN/m3，饱和重度取28.5kN/m3，浮重度取16.8kN/m3。地震基本烈度Ⅶ级，水平地震系数EQH=0.204。

据统计资料得出计算参数如表1所示。

表1 计算参数

2.3 稳定性计算结果分析

计算拱肩槽边坡稳定性，首先对横剖面线横Ⅰ、横Ⅱ、横Ⅲ，三条剖面线在未开挖前的稳定性进行极限平衡计算。计算结果如表2所示。

表2 天然边坡极限平衡法计算结果

(1)结果显示，稳定性受地震的影响不大，暴雨对稳定性的影响较大。

(2)横III剖面的方案1，存在不稳定的可能，其得出的数值趋近于极限平衡状态，在部分工况下可能会对工程构成威胁，在条件允许的情况下可以考虑对其进行锚索加固处理。

(3)其他方案均处于稳定状态。

总体来说，右岸拱肩槽天然边坡稳定性良好，只有极少数出现不稳定的情况，少数计算方案得出的安全系数数值较低，可考虑进行相应的加固处理。

3 有限元法分析边坡稳定性

3.1 有限元法计算理论

有限元强度折减法[3]就是不断调整边坡岩土体抗剪强度参数，将粘结力c和内摩擦角φ的正切值tanφ，同除以一个强度折减系数F，得到新的岩土体抗剪强度参数c′、φ′。

(3)

然后根据新的岩土体抗剪强度参数c′、φ′，采用有限元法计算。随着强度折减系数F的增大，边坡岩体强度逐渐降低，变形逐渐增大，边坡应力分布发生变化，边坡逐渐由安全状态转变到极限平衡状态，进而失稳发生破坏。若边坡强度折减系数F刚好使边坡处于临界失稳的极限平衡状态，则此时的强度折减系数F就是边坡的稳定性安全系数。有限元强度折减法的任务就是要找出这个使边坡处于极限平衡状态的安全系数。

3.2 计算依据与计算参数用ANSYS软件分析右岸拱肩槽边坡稳定性，本文选取了横I剖面在天然工况下采用降强法进行计算。结构面计算参数见表1，计算剖面见图1。

本文为计算天然状态下的结构变形和破坏过程，因此，在ANSYS软件中为模型左端下端和右端分别设置法向约束，模拟选取单元与其余岩体的连接，并模拟自然条件下加载重力场(见图2、图3)。模型计算采用的是理想的弹塑性模型，屈服准则采用D-P准则。

图2 ANSYS模型

图3 建立法向约束并加载重力场

3.3 采用降强法计算

在天然工况下，不增加荷载大小，通过降低结构面强度进行计算，直至计算不收敛。

每次将结构面强度降低10%，通过计算，当结构面强度降低40%时计算结果不收敛，停止计算。

计算结果如图4-图7。

图4 天然状态S1主应力图形

图5 天然状态S3主应力图形

图6 天然状态X方向(水平)位移图形

图7 天然状态Y方向(纵向)位移图形

根据库伦定力τfF=CF+σtanφF与计算结果，将第一主应力S1和第三主应力S3，以及最大x方向位移ux和最大y方向位移uy，计算结果如表3所示。

表3 计算结果

由此绘制相应曲线图8-图9。

图8 横坐标为ux，纵坐标为τ

图9 横坐标为uy，纵坐标为τ

3.4 有限元法结果分析

通过选取典型剖面1-1，在天然状态下进行降强法计算，计算结果发现如下规律：

(1)结构面强度降低10%到20%初始降强边坡的变形基本上为线性变化，当强度降低为30%时，应力与位移速度开始加快。当强度降低为原来的40%时，计算结果不收敛。

(2)根据计算结果及图8、图9，得出该曲线计算拐点为2.71，根据计算公式得到该剖面安全系数为3.76/2.71=1.3874。

(3)右岸边坡岩体整体性较好，不存在发生大规模滑移失稳边界条件。

(4)边坡位移较大值出现的位置主要存在于高程为2300m左右的f2断层临空面边缘，随着强度的降低，位移有增大的趋势。

(5)天然状态下，主应力服从一般应力分布方式。最大主应力位于模型的底部，最大值为3.52MPa，最小主应力位于断层端部。

4 结论

(1)通过刚体极限平衡法分析得到：天然边坡总体稳定性良好，只有极少数出现不稳定的情况，少数计算方案得出的数值较低，可考虑进行相应的加固处理。然而工程边坡中低高程稳定性相对较差，部分块体可能会影响到工程边坡的开挖，其主要的失稳方式为滑落失稳，可以考虑对其进行相应的加固措施，对于岩体质量较差的可考虑开挖去掉。

(2)为了全面分析双江口水电站双曲拱坝方案拱肩槽边坡的稳定性，运用ANSYS软件对边坡典型的1-1剖面开展了有限元强度折减法计算，通过计算获得了该坡面在天然工况下的应力场、位移场，并通过强度折减计算获得其失稳破坏区域、破坏机理和稳定安全系数。

(3)对刚体极限平衡法和有限元强度折减法两种方法获得的双江口水电站双曲拱坝方案右岸拱肩槽边坡的失稳破坏模式、各滑移块体的安全系数、破坏机理、位移场、应力场等结果进行综合分析表明：右岸拱肩槽边坡存在部分不稳定的情况，特别是一些长大的结构面对工程边坡的开挖存在一定的威胁，建议对局部不稳定的块体做加固处理，以保证边坡的稳定和工程的顺利进行。