摘要:水利水電工程的建設過程中通常需要對山體與巖體進行開挖，在開挖的過程中需要對開挖坡體的穩(wěn)定性進行定量分析，以規(guī)范化水利水電工程的施工與建設，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對構皮灘水電站大壩兩岸邊坡穩(wěn)定性進行計算與評價，結果表明邊坡的穩(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，水利水電工程建設可有效緩解電力供應緊張的局面，滿足經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展帶來的電力巨大需求，推動中國國民經(jīng)濟再上新的臺階。
1邊坡穩(wěn)定性分析意義
水利水電工程的建設過程中通常需要對山體與巖體進行開挖，會改變原有地表結構與巖土體結構，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力，一旦坡體內的切應力大于邊坡的抗剪強度時，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，坡體內的切應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)生一些不良地質的斜坡，不良地質的斜坡是孕育滑坡、泥石流等地質災害的重要發(fā)源地。水電站樞紐的建設過程會有很多坡體開挖、填土工程，這些建設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降水或者突發(fā)地震災害的情況下會發(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、公共基礎設施，淹沒良田、堵塞河流、破壞水電站樞紐基本建設，會嚴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)定性直接關系到水利水電工程能否發(fā)揮其實際的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益，為社會經(jīng)濟的發(fā)展與人民生活水平的提高貢獻更多的電能資源，實現(xiàn)其經(jīng)濟效益、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的時候，需要對水利水電工程的邊坡穩(wěn)定性進行深入探析，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，以便及時預估邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，并及時采取有效的邊坡失穩(wěn)防護措施，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，相應水面寬35－60m，水深一般6－12m，局部可達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高設一級寬3m的馬道，在高程640.00m處設寬20m的平臺與廠房進水口相應平臺相接。
3邊坡穩(wěn)定性分析
文章根據(jù)構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行復核計算，選擇左、右岸壩肩上游側邊坡進行穩(wěn)定計算分析。
3.1計算方法
由地質勘查資料可知，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］進行計算。
3.2計算工況
文章采用持久設計工況下的自重和偶然設計工況下自重及地震兩種工況進行計算。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左岸壩肩上游側邊坡計算模型計算剖面，基于勘察的地質剖面圖1(Ⅰ)，建立了準三維數(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力場分布的一般規(guī)律，即從邊坡內部到開挖坡表，應力矢量發(fā)生偏轉，最大主應力方向平行于坡面，最小主應力趨近于0。邊坡總體上處于受壓狀態(tài)，邊坡淺表層局部存在拉應力，最大拉應力為0.08MPa。采用強度折減法進行了邊坡穩(wěn)定分析，強度折減后，主要在P1m1－3巖層坡腳處及軟弱結構面處出現(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度折減系數(shù)的變化曲線，可知當K=3.8時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應變率帶也明顯貫通，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。應力場分布與開挖邊坡比較無大的變化，邊坡淺表部拉應力范圍有所擴大，最大拉應力為0.09MPa。3.4右岸壩肩上游側邊坡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，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)和主應力矢量圖見圖2所示�？梢钥闯銎麦w內的應力分布總體符合自重作用下邊坡應力場分布的一般規(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力，最大拉應力為0.78MPa。進行強度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點的位移隨強度折減系數(shù)的變化曲線，可知當K=2.3時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應變率帶也明顯貫通，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)應力場分布與靜力工況比無大的變化，邊坡淺表部拉應力范圍有所擴大，最大拉應力為0.79MPa。進行強度折減后，根據(jù)剪切屈服破壞區(qū)特征點的位移隨強度折減系數(shù)的變化曲線，可知當K=2.2時，位移曲線發(fā)生了明顯的突變，剪應變率帶也明顯貫通，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)范要求的安全標準，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果并得到工程應用，根據(jù)計算結果，在大壩兩岸邊坡均設置系統(tǒng)支護措施:坡頂及各級馬道頂部設2排Φ28L=9m間排距2.5m×2.0m(水平×坡面，下同)鎖口錨桿，其下設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計完成支護工作后巡視及監(jiān)測資料均未見異常，處于穩(wěn)定狀態(tài)。
參考文獻:
［1］王金安.巖土工程數(shù)值計算方法實用教程［M］.北京:科學出版社，2010:43－51.
［2］文鋒.混凝土拱壩位移監(jiān)控模型及監(jiān)控指標研究［D］.武漢:長江科學院，2008.
［3］鄭師春，黃莉菁.福建安砂水電站大壩左岸邊坡穩(wěn)定性分析［J］.中國地質災害與防治學報，2004，15(04):40－43.
［4］陳樊建.樂昌峽大壩壩肩邊坡開挖方案優(yōu)選及邊坡穩(wěn)定分析［J］.廣東水利水電，2012(01):78－79.
［5］柳群義.構皮灘水電站邊坡巖體結構面概率模型與巖體質量分級研究及應用［D］.長沙:中南大學，2005.
