湖南涔天河水电站工程导流洞出口边坡稳定性分析

万克诚，李洋，李超

湖南涔天河水电站工程导流洞出口边坡稳定性分析

万克诚，李洋，李超

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065）

以湖南涔天河水电站导流洞出口边坡为研究对象，采用平面有限元法对边坡开挖、加固过程进行模拟，并计算边坡在正常运行工况、降雨饱和工况及地震工况下坡表关键位置的位移，采用新的安全系数计算方法评价坡体整体安全，对比分析两种加固方案下坡体的稳定性。

水电工程；边坡；有限元；安全系数；坡表位移

1 概况

涔天河水电站水库扩建工程位于永州市江华瑶族自治县东田镇境内湘水支流潇水上游雾江段，是一座以灌溉为主，兼顾发电、过木航运、防洪等综合效益的大型水利水电工程。面板堆石坝坝高114 m，水库设计库容151亿m3。水电站导流洞出口边坡位于右岸（16）、（17）冲沟之间，2#导流泄洪洞出口处。滑坡体前缘顺河长215 m，滑舌前缘伸至河床，高程213 m～215 m，滑坡体后缘见有陡立光面，高程325 m，前缘前、后缘高差约107 m，纵向长192 m，平均坡度39°，局部可达45°～50°，滑坡体积约20万m3。

根据勘察资料，滑坡体厚度6 m～17 m，滑坡体堆积物为含粘土碎块石，结构较松散。滑带为砾质粘土，土层厚约0.5 m，呈可塑状，分布于滑坡与基岩的接触面上。滑床基岩为D16岩组的砂岩、石英砂岩、细砂岩夹粉砂岩、页岩，浅部呈强风化状态，岩体破碎，发育破碎夹泥层。滑坡区岩层单斜构造，产状为N48°E.NW∠60°，岩层倾向坡外，近于顺层坡。地下水位埋深大多位于滑带以下。

2 边坡稳定有限元评价方法

2.1 最危险滑动面的确定

本文中滑动面的确定是在借鉴瑞典圆弧法最危险滑动面方法的基础上，结合工程经验，并参考有关类似工程综合确定。

2.2 基于渐进破坏思想的传统滑面安全系数有限元评价方法

本文采用一种符合边坡的渐进破坏特征的边坡稳定性有限元评价方法[3]，该方法仍采用“材料安全储备”系数的概念，并且仍基于安全系数为：整个滑动面的总抗滑力与滑动力比值。在平面直线型滑坡中，滑动面上的滑动力和抗滑力是同直线反方向上的，可以进行矢量叠加，因而通过滑动力与抗滑力的平衡方程得到整体安全系数的评价公式：

式中：K为安全系数；li为第i个滑动界面单元的长度；σni为第i个接触面单元的正应力；τni为第i个接触面单元的剪应力；Ci为第i个滑动面的粘聚力；φi为第i个滑动面的内摩擦角。

式中：Fs为安全系数；σi为第i个未破坏界面单元正应力；σ'j为第j个破坏界面单元正应力；τi为第i个未破坏界面单元剪应力；τ'j为第j个破坏界面单元剪应力；ci为第i个未破坏界面单元峰值粘聚力；c'j为第j个破坏界面单元残余粘聚力；

φi为第i个未破坏界面单元峰值内摩擦角；φ'j为第j个破坏界面单元残余内摩擦角；si第i个未破坏界面单元的面积；s'j第j个破坏界面单元的面积；

一般来说，残余c，φ值需要通过实测获得[4]，通常而言，残余粘聚力相对于峰值粘聚力在峰值之后衰减的很快，而残余内摩擦角相对其峰值的变化并不太剧烈。通过对有限元的精确求解，可以得到的各施工开挖阶段、运行阶段滑动接触界面单元的正应力、剪应力。整体安全系数的评价：

3 二维有限元分析计算

3.1 参数选取及加固方案

本工程地质条件复杂，结合已有岩体力学参数及反演计算所得参数，对边坡稳定性进行分析评价，计算采用的岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数

计算采取的加固方案如下：

（1）原设计加固方案：在281 m～225 m高程之间按4 m间距设置了5排100吨级预应力锚索。

（2）优化加固方案：在原设计支护方案的基础上，取消236m、225 m高程的两排100吨级预应力锚索，在高程251m、255 m、266 m、270 m和281 m位置，按4m间距设置5排100吨级预应力锚索。并在235m高程设置抗滑桩，抗滑桩直径3m，间距6m，共10根，单根抗滑桩可提供1000t阻滑力。

3.2 计算剖面稳定性分析

边坡从坡面至基岩分别为Ⅴ类岩体、Ⅳ类岩体，滑坡体为Ⅴ类岩体，滑面以下为Ⅳ类岩体。计算模型范围选取为：底部宽165.5 m，底部高程191 m，顶部高程330 m。采用三角形六节点实体单元剖分网格。模型底面在X、Y方向施加约束，两个侧面施加X方向约束，坡面为自由面。在边坡顶部、中部及坡脚底部设置关键位置点，用以监测计算过程中坡体不同位置处位移情况。

（1）自重应力及开挖工况下计算结果

取边坡天然自重应力场作为仿真分析的地应力条件。初始地应力基本上为自重应力场为主的情况下，铅直应力σv可按上覆岩层的厚度计算，并且随着深度按线性分布；同时通过侧压力系数K0可求得水平方向应力。铅直方向为σv=γH，水平方向为σH=K0σv。

其中，K0=μ/(1-μ)；μ为泊松比，H为埋深，γ为岩体的平均容重，σv为自重应力场下的竖直向应力；σH为自重应力场下的水平应力。

施工荷载为初始地应力+开挖地应力释放荷载，边坡的开挖过程即地应力的释放过程。通常用减小开挖部分岩体单元的弹性模量、转移开挖单元应力并生成等效开挖节点力{f}ex替代，即可模拟开挖释放荷载。

计算过程如下：进行开挖计算，释放的荷载按照弹性应力计算，由岩体独立承担，随后激活锚索单元，模拟施加锚索对边坡的加固作用，分层台阶式开挖分7步进行，每一步开挖后激活相应开挖层的锚索单元，开挖与锚固交替进行，开挖后，在开挖面上施做预应力锚索。锚固力为100 t/根，排间距4×4 m2，最大长度40 m，与水平线夹角20°，满足规范[5]要求。两种加固方案下施工期开挖至各高程时边坡最小安全系数及开挖引起的位移见表2。

由以上计算结果可以看出：

①原加固方案及优化加固方案下施工期最小安全系数均为1.12，坡表最大位移均为1.77 mm。

②两种加固方案下，随着坡表台阶式开挖的进行，各个关键位置位移均有所增长，最大位移发生在临近坡脚的关键位置3处，且在最后一步开挖后，坡体安全系数有所下降，说明坡脚处的加固措施对整个坡体的稳定性起到了关键的作用。

表2 计算剖面两种加固方案下各步施工引起坡表关键位置位移（/mm）

表3 计算剖面各加固方案下强降雨工况、地震工况关键位置位移（/mm）

③在关键位置2处，优化加固方案开挖引起的位移略小于原加固方案开挖引起的位移。安全系数均随着分步开挖的进行而有所上升，且优化加固方案下施工期边坡的安全系数整体上略高于原加固方案，在优化方案考虑减少锚索、降低施工难度的条件下，优化方案较原方案有更好的效果以及较好的可执行性。

（2）运行期计算结果

运行期考虑考虑正常运行工况、强降雨饱和工况及地震工况。边坡运行期遭遇连续强降雨时，边坡表层岩体由非饱和态转为饱和状态，假定地下水位线位于坡表，滑动面抗剪强度降低，所有分析采用参数均取饱和参数。

根据相关工程场地地震安全性报告及本阶段区域调查分析成果，地震分析采用拟静力法计算，选取100年发生概率为1%的设计基岩峰值加速度a=172 gal进行计算，仅考虑水平向的地震惯性力作用，方向指向坡外侧。

采用两种加固方案对计算剖面进行有限元数值分析，计算边坡的安全系数及各个关键位置在不同工况下的位移，结果如表3所示。

由上述计算结果可以看出：

①降雨饱和工况下，最大位移出现在坡表顶部，位移值为0.35 mm，沿坡面向下。各关键位置位移在优化方案及原加固方案中相差无几，但优化方案下安全系数较原加固方案高，优化方案的加固作用明显。

②地震工况下，坡表关键点位移最大值为1.71 mm，方向为沿坡表向上，坡表中部位移最大。优化方案的关键位置位移略小于原加固方案，同时安全系数较原加固方案高，同样说明优化方案较好。

4 结论

（1）施工工况下，两种加固方案在最小安全系数和最大坡表位移上相差无几，但优化加固方案在施工期的安全系数较原加固方案高，坡脚抗滑桩的加固作用明显。

（2）在运行期，正常运行工况下，优化加固方案表现出了较好的加固作用，从整体上来看，坡表位移差异不大的情况下，优化方案下边坡稳定性较好。

（3）强降雨工况及地震工况降下采用原加固方案加固效果不佳，坡体失稳，而优化方案加强了坡脚的加固，坡体安全系数满足规范要求。

（4）因考虑施工难度及经济技术比较，优化方案减少了锚索，并在坡脚处增加了抗滑桩，从计算结果来看，优化方案表现出了较好的加固效果。

[1]李宁，张鹏.岩质边坡稳定分析与设计中的几个基本问题[J].中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集，中国西安，2009，395-398.

[2]崔政权，李宁.边坡工程—理论与实践最新发展[M].北京，中国水利水电出版社.

[3]李宁，钱七虎.岩质高边坡稳定性分析与评价中的四个准则[J].岩石力学与工程学报，2010，29（9）：1754-1759.

[4]佘成学，崔旋.长河坝水电站右岸导流隧洞进口高边坡稳定性有限元计算分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（增2）：3686-3691.

[5]SL386-2007.水利水电工程边坡设计规范[S]．北京：中国标准出版社，2007.

TV221.2

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1673-9000（2017）02-0072-03

2016-12-05

万克诚（1987-），男，甘肃会宁人，助理工程师，主要从事水电站设计、水工结构设计工作。