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水利水电工程边坡稳定性分析

 论文栏目:水电工程论文     更新时间:2018/3/5 9:58:32   

摘要:水利水电工程的建设过程中通常需要对山体与岩体进行开挖,在开挖的过程中需要对开挖坡体的稳定性进行定量分析,以规范化水利水电工程的施工与建设,提升水利水电工程的安全性与稳定性。文章采用有限差分计算软件FLAC3D对构皮滩水电站大坝两岸边坡稳定性进行计算与评价,结果表明边坡的稳定性较好,均符合规范要求,满足整体稳定性要求。

关键词:水利水电;边坡;计算

近年来随着中国工业规模和经济体量的持续快速壮大,人们的生产生活对电力的需求也产生了巨大的增长。中国水资源蕴藏量总量丰富,所能开发的水能资源位居世界第一,在一次能源日益紧缺以及环境生态可持续发展的时代背景下,水能资源作为一种丰富且清洁的能源,水利水电工程建设可有效缓解电力供应紧张的局面,满足经济持续发展带来的电力巨大需求,推动中国国民经济再上新的台阶。

1边坡稳定性分析意义

水利水电工程的建设过程中通常需要对山体与岩体进行开挖,会改变原有地表结构与岩土体结构,形成一些表面倾斜的人工边坡,边坡在土体自重以及外力作用下,坡体被将产生一定大小的切向应力,一旦坡体内的切应力大于边坡的抗剪强度时,坡体就会产生剪切破坏,若是坡体所承受的外力作用过强,坡体内的切应力就会使得坡体本身发生剪切破坏,在剪切作用下,部分岩土体就会离开其原本所在的坡体位置而发生滑动,在一定程度上产生一些不良地质的斜坡,不良地质的斜坡是孕育滑坡、泥石流等地质灾害的重要发源地。水电站枢纽的建设过程会有很多坡体开挖、填土工程,这些建设工程或多或少会形成一定量的边坡,水电站枢纽附近的边坡在强降水或者突发地震灾害的情况下会发生失稳,边坡上方的岩土体脱离边坡系统,沿着边坡的倾斜面快速下滑,诱发滑坡、泥石流,岩土体冲击到边坡的坡脚及其周边地区,岩土体的快速移动大大增加了岩土体所带来的破坏力,会冲垮坡脚的房屋、道路、公共基础设施,淹没良田、堵塞河流、破坏水电站枢纽基本建设,会严重危害边坡附近的自然生态环境与人文景观,更对人们的生命财产安全产生极大的威胁。而对于水利水电工程而言,边坡的稳定性直接关系到水利水电工程能否发挥其实际的经济效益与生态效益,为社会经济的发展与人民生活水平的提高贡献更多的电能资源,实现其经济效益、社会效益、生态效益的最大化。因此,在水利水电工程开挖与建设的时候,需要对水利水电工程的边坡稳定性进行深入探析,针对单个坡体定量化计算边坡岩土体的稳定性与稳固性,以便及时预估边坡失稳现象,并及时采取有效的边坡失稳防护措施,维持边坡的稳定性,保证水利水电工程的顺利开展,降低施工过程中的安全隐患,提升水利水电工程的总体价值。

2边坡岩体的地质特征

坝址处为坚硬灰岩形成的“V”型对称峡谷,两岸山体雄厚,临江峰顶高722-837m。河谷狭窄,岸坡陡峻,两岸高程550m以上,岸坡坡度30-40°,以下为55-65°,部分近直立。河床枯水位430-432m,相应水面宽35-60m,水深一般6-12m,局部可达20m。坝址以下为较软弱砂、页岩展布的河段,河谷开阔,两岸岸坡坡度25-35°,地形相对较宽缓。水库岸坡主要由坚硬的碳酸盐岩组成,大部分库段为横向谷、斜向谷和陡倾的纵向谷,库岸稳定条件较好。左岸上游边坡走向NE81°-NE86°,边坡走向与岩层走向交角分别为41°-46°、46°-51°,为斜交逆向坡,边坡总体稳定条件较好。高程408.00m-640.00m之间单级坡为垂直边坡,640.00m高程以上边坡单级坡比为1∶0.2,开挖边坡每15m高设一级马道,马道最小宽度为3m。右岸上游边坡在拱座高程445.00m以下拱间槽边坡走向正北,岩层走向35°-40°,与边坡走向交角35°-40°,为斜交逆向坡;在高程445.00m以上边坡走向335°,岩层走向35°-40°;575m拱座以上岩层走向40°-45°,边坡走向与岩层走向交角为65°-70°,为横向坡,边坡总体稳定条件较好。高程408.00m-640.00m之间为垂直边坡,640.00m高程以上边坡单级坡比为1∶0.1,每15m高设一级宽3m的马道,在高程640.00m处设宽20m的平台与厂房进水口相应平台相接。

3边坡稳定性分析

文章根据构皮滩大坝边坡的实际情况,由于坝顶以下为临时坡,坝顶以上边坡较高,故选取坝顶以上边坡位置进行复核计算,选择左、右岸坝肩上游侧边坡进行稳定计算分析。

3.1计算方法

由地质勘查资料可知,各计算边坡岩性均以硬岩为主,基本为横向坡和斜交顺向坡,没有整体滑动的边界条件,针对计算边坡的特性及破坏型式,采用强度折减法来计算边坡稳定安全系数,利用岩土工程中常用的有限差分软件FLAC3D[1-6]进行计算。

3.2计算工况

文章采用持久设计工况下的自重和偶然设计工况下自重及地震两种工况进行计算。采用拟静力法计算地震作用,对两岸的边坡同时考虑水平向和竖向地震力作用,计算中水平地震力向坡外,竖向地震力铅直向下。

3.3稳定计算

3.3.1左岸坝肩上游侧边坡计算模型计算剖面,基于勘察的地质剖面图1(Ⅰ),建立了准三维数值分析模型,如图1(Ⅱ)所示;剖面所在面为XZ平面,Z轴正向为高程方向,模型底部高程为600m;X轴方向指向河谷为正,Y轴垂直XZ平面,遵从右手法则;边坡模型三维尺寸为:160m×1m×168m(X×Y×Z)。边坡稳定性计算的FLAC3D模型中,节点数为1710,单元数为761。3.3.2计算参数、静力稳定分析(工况1)符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律,即从边坡内部到开挖坡表,应力矢量发生偏转,最大主应力方向平行于坡面,最小主应力趋近于0。边坡总体上处于受压状态,边坡浅表层局部存在拉应力,最大拉应力为0.08MPa。采用强度折减法进行了边坡稳定分析,强度折减后,主要在P1m1-3岩层坡脚处及软弱结构面处出现了剪切屈服破坏,选择该部位剪出口附近的特征点作出位移随强度折减系数的变化曲线,可知当K=3.8时,位移曲线发生了明显的突变,剪应变率带也明显贯通,综合以上判断,在静力工况时边坡安全系数为3.8。3.3.3考虑地震作用稳定分析(工况2)对于地震作用,水平向设计地震加速度值为αh=0.062g,竖向地震取水平向地震的2/3,为αv=0.041g。应力场分布与开挖边坡比较无大的变化,边坡浅表部拉应力范围有所扩大,最大拉应力为0.09MPa。3.4右岸坝肩上游侧边坡3.4.1计算模型剖面所在面为XZ平面,Z轴正向为高程方向,模型底部高程为460m;X轴方向指向河谷为负,Y轴垂直XZ平面,遵从右手法则;边坡模型三维尺寸为:277m×1m×317m(X×Y×Z)。边坡模型中,节点数为1716,单元数为3726。3.4.2静力稳定分析(工况1)边坡的塑性区和主应力矢量图见图2所示。可以看出坡体内的应力分布总体符合自重作用下边坡应力场分布的一般规律,边坡总体上处于受压状态,边坡浅表层局部存在拉应力,最大拉应力为0.78MPa。进行强度折减后,根据剪切屈服破坏区特征点的位移随强度折减系数的变化曲线,可知当K=2.3时,位移曲线发生了明显的突变,剪应变率带也明显贯通,综合以上判断,静力工况边坡安全系数可取为2.3。3.4.3考虑地震作用稳定分析(工况2)应力场分布与静力工况比无大的变化,边坡浅表部拉应力范围有所扩大,最大拉应力为0.79MPa。进行强度折减后,根据剪切屈服破坏区特征点的位移随强度折减系数的变化曲线,可知当K=2.2时,位移曲线发生了明显的突变,剪应变率带也明显贯通,综合以上判断,地震工况下边坡安全系数可取为2.2。大坝坝肩边坡各计算边坡稳定分析结果见表1。由表1计算成果可看出,各计算边坡稳定安全系数均大于规范要求的安全标准,表明坝肩各计算边坡的稳定性较好,满足规范要求。

4结论

文章采用有限差分计算软件FLAC3D来评价大坝两岸边坡稳定性的方法是可行且合理的,在计算中取得了较好的结果并得到工程应用,根据计算结果,在大坝两岸边坡均设置系统支护措施:坡顶及各级马道顶部设2排Φ28L=9m间排距2.5m×2.0m(水平×坡面,下同)锁口锚杆,其下设Φ25L=6m间排距2.5m×2.0m系统锚杆;坡面挂钢筋网,喷10cm厚C20混凝土;坝顶以上各边坡设深3m排水孔,其余部位排水孔深1.5m。实践表明,工程开工以来,大坝各开挖边坡按设计完成支护工作后巡视及监测资料均未见异常,处于稳定状态。

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作者:王志军 单位:江西省水利投资集团有限公司

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