摘要:水利水電工程的建設(shè)過程中通常需要對山體與巖體進(jìn)行開挖，在開挖的過程中需要對開挖坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，以規(guī)范化水利水電工程的施工與建設(shè)，提升水利水電工程的安全性與穩(wěn)定性。文章采用有限差分計算軟件FLAC3D對構(gòu)皮灘水電站大壩兩岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算與評價，結(jié)果表明邊坡的穩(wěn)定性較好，均符合規(guī)范要求，滿足整體穩(wěn)定性要求。
關(guān)鍵詞:水利水電;邊坡;計算
近年來隨著中國工業(yè)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)體量的持續(xù)快速壯大，人們的生產(chǎn)生活對電力的需求也產(chǎn)生了巨大的增長。中國水資源蘊(yùn)藏量總量豐富，所能開發(fā)的水能資源位居世界第一，在一次能源日益緊缺以及環(huán)境生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的時代背景下，水能資源作為一種豐富且清潔的能源，水利水電工程建設(shè)可有效緩解電力供應(yīng)緊張的局面，滿足經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶來的電力巨大需求，推動中國國民經(jīng)濟(jì)再上新的臺階。
1邊坡穩(wěn)定性分析意義
水利水電工程的建設(shè)過程中通常需要對山體與巖體進(jìn)行開挖，會改變原有地表結(jié)構(gòu)與巖土體結(jié)構(gòu)，形成一些表面傾斜的人工邊坡，邊坡在土體自重以及外力作用下，坡體被將產(chǎn)生一定大小的切向應(yīng)力，一旦坡體內(nèi)的切應(yīng)力大于邊坡的抗剪強(qiáng)度時，坡體就會產(chǎn)生剪切破壞，若是坡體所承受的外力作用過強(qiáng)，坡體內(nèi)的切應(yīng)力就會使得坡體本身發(fā)生剪切破壞，在剪切作用下，部分巖土體就會離開其原本所在的坡體位置而發(fā)生滑動，在一定程度上產(chǎn)生一些不良地質(zhì)的斜坡，不良地質(zhì)的斜坡是孕育滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重要發(fā)源地。水電站樞紐的建設(shè)過程會有很多坡體開挖、填土工程，這些建設(shè)工程或多或少會形成一定量的邊坡，水電站樞紐附近的邊坡在強(qiáng)降水或者突發(fā)地震災(zāi)害的情況下會發(fā)生失穩(wěn)，邊坡上方的巖土體脫離邊坡系統(tǒng)，沿著邊坡的傾斜面快速下滑，誘發(fā)滑坡、泥石流，巖土體沖擊到邊坡的坡腳及其周邊地區(qū)，巖土體的快速移動大大增加了巖土體所帶來的破壞力，會沖垮坡腳的房屋、道路、公共基礎(chǔ)設(shè)施，淹沒良田、堵塞河流、破壞水電站樞紐基本建設(shè)，會嚴(yán)重危害邊坡附近的自然生態(tài)環(huán)境與人文景觀，更對人們的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅。而對于水利水電工程而言，邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到水利水電工程能否發(fā)揮其實際的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的提高貢獻(xiàn)更多的電能資源，實現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益的最大化。因此，在水利水電工程開挖與建設(shè)的時候，需要對水利水電工程的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入探析，針對單個坡體定量化計算邊坡巖土體的穩(wěn)定性與穩(wěn)固性，以便及時預(yù)估邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，并及時采取有效的邊坡失穩(wěn)防護(hù)措施，維持邊坡的穩(wěn)定性，保證水利水電工程的順利開展，降低施工過程中的安全隱患，提升水利水電工程的總體價值。
2邊坡巖體的地質(zhì)特征
壩址處為堅硬灰?guī)r形成的“V”型對稱峽谷，兩岸山體雄厚，臨江峰頂高722－837m。河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸高程550m以上，岸坡坡度30－40°，以下為55－65°，部分近直立。河床枯水位430－432m，相應(yīng)水面寬35－60m，水深一般6－12m，局部可達(dá)20m。壩址以下為較軟弱砂、頁巖展布的河段，河谷開闊，兩岸岸坡坡度25－35°，地形相對較寬緩。水庫岸坡主要由堅硬的碳酸鹽巖組成，大部分庫段為橫向谷、斜向谷和陡傾的縱向谷，庫岸穩(wěn)定條件較好。左岸上游邊坡走向NE81°－NE86°，邊坡走向與巖層走向交角分別為41°－46°、46°－51°，為斜交逆向坡，邊坡總體穩(wěn)定條件較好。高程408.00m－640.00m之間單級坡為垂直邊坡，640.00m高程以上邊坡單級坡比為1∶0.2，開挖邊坡每15m高設(shè)一級馬道，馬道最小寬度為3m。右岸上游邊坡在拱座高程445.00m以下拱間槽邊坡走向正北，巖層走向35°－40°，與邊坡走向交角35°－40°，為斜交逆向坡;在高程445.00m以上邊坡走向335°，巖層走向35°－40°;575m拱座以上巖層走向40°－45°，邊坡走向與巖層走向交角為65°－70°，為橫向坡，邊坡總體穩(wěn)定條件較好。高程408.00m－640.00m之間為垂直邊坡，640.00m高程以上邊坡單級坡比為1∶0.1，每15m高設(shè)一級寬3m的馬道，在高程640.00m處設(shè)寬20m的平臺與廠房進(jìn)水口相應(yīng)平臺相接。
3邊坡穩(wěn)定性分析
文章根據(jù)構(gòu)皮灘大壩邊坡的實際情況，由于壩頂以下為臨時坡，壩頂以上邊坡較高，故選取壩頂以上邊坡位置進(jìn)行復(fù)核計算，選擇左、右岸壩肩上游側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計算分析。
3.1計算方法
由地質(zhì)勘查資料可知，各計算邊坡巖性均以硬巖為主，基本為橫向坡和斜交順向坡，沒有整體滑動的邊界條件，針對計算邊坡的特性及破壞型式，采用強(qiáng)度折減法來計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，利用巖土工程中常用的有限差分軟件FLAC3D［1－6］進(jìn)行計算。
3.2計算工況
文章采用持久設(shè)計工況下的自重和偶然設(shè)計工況下自重及地震兩種工況進(jìn)行計算。采用擬靜力法計算地震作用，對兩岸的邊坡同時考慮水平向和豎向地震力作用，計算中水平地震力向坡外，豎向地震力鉛直向下。
3.3穩(wěn)定計算
3.3.1左岸壩肩上游側(cè)邊坡計算模型計算剖面，基于勘察的地質(zhì)剖面圖1(Ⅰ)，建立了準(zhǔn)三維數(shù)值分析模型，如圖1(Ⅱ)所示;剖面所在面為XZ平面，Z軸正向為高程方向，模型底部高程為600m;X軸方向指向河谷為正，Y軸垂直XZ平面，遵從右手法則;邊坡模型三維尺寸為:160m×1m×168m(X×Y×Z)。邊坡穩(wěn)定性計算的FLAC3D模型中，節(jié)點數(shù)為1710，單元數(shù)為761。3.3.2計算參數(shù)、靜力穩(wěn)定分析(工況1)符合自重作用下邊坡應(yīng)力場分布的一般規(guī)律，即從邊坡內(nèi)部到開挖坡表，應(yīng)力矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向平行于坡面，最小主應(yīng)力趨近于0。邊坡總體上處于受壓狀態(tài)，邊坡淺表層局部存在拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.08MPa。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定分析，強(qiáng)度折減后，主要在P1m1－3巖層坡腳處及軟弱結(jié)構(gòu)面處出現(xiàn)了剪切屈服破壞，選擇該部位剪出口附近的特征點作出位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=3.8時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通，綜合以上判斷，在靜力工況時邊坡安全系數(shù)為3.8。3.3.3考慮地震作用穩(wěn)定分析(工況2)對于地震作用，水平向設(shè)計地震加速度值為αh=0.062g，豎向地震取水平向地震的2/3，為αv=0.041g。應(yīng)力場分布與開挖邊坡比較無大的變化，邊坡淺表部拉應(yīng)力范圍有所擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力為0.09MPa。3.4右岸壩肩上游側(cè)邊坡3.4.1計算模型剖面所在面為XZ平面，Z軸正向為高程方向，模型底部高程為460m;X軸方向指向河谷為負(fù)，Y軸垂直XZ平面，遵從右手法則;邊坡模型三維尺寸為:277m×1m×317m(X×Y×Z)。邊坡模型中，節(jié)點數(shù)為1716，單元數(shù)為3726。3.4.2靜力穩(wěn)定分析(工況1)邊坡的塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量圖見圖2所示�？梢钥闯銎麦w內(nèi)的應(yīng)力分布總體符合自重作用下邊坡應(yīng)力場分布的一般規(guī)律，邊坡總體上處于受壓狀態(tài)，邊坡淺表層局部存在拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.78MPa。進(jìn)行強(qiáng)度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點的位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=2.3時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通，綜合以上判斷，靜力工況邊坡安全系數(shù)可取為2.3。3.4.3考慮地震作用穩(wěn)定分析(工況2)應(yīng)力場分布與靜力工況比無大的變化，邊坡淺表部拉應(yīng)力范圍有所擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力為0.79MPa。進(jìn)行強(qiáng)度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點的位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可知當(dāng)K=2.2時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應(yīng)變率帶也明顯貫通，綜合以上判斷，地震工況下邊坡安全系數(shù)可取為2.2。大壩壩肩邊坡各計算邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果見表1。由表1計算成果可看出，各計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全標(biāo)準(zhǔn)，表明壩肩各計算邊坡的穩(wěn)定性較好，滿足規(guī)范要求。
4結(jié)論
文章采用有限差分計算軟件FLAC3D來評價大壩兩岸邊坡穩(wěn)定性的方法是可行且合理的，在計算中取得了較好的結(jié)果并得到工程應(yīng)用，根據(jù)計算結(jié)果，在大壩兩岸邊坡均設(shè)置系統(tǒng)支護(hù)措施:坡頂及各級馬道頂部設(shè)2排Φ28L=9m間排距2.5m×2.0m(水平×坡面，下同)鎖口錨桿，其下設(shè)Φ25L=6m間排距2.5m×2.0m系統(tǒng)錨桿;坡面掛鋼筋網(wǎng)，噴10cm厚C20混凝土;壩頂以上各邊坡設(shè)深3m排水孔，其余部位排水孔深1.5m。實踐表明，工程開工以來，大壩各開挖邊坡按設(shè)計完成支護(hù)工作后巡視及監(jiān)測資料均未見異常，處于穩(wěn)定狀態(tài)。
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