新龙水电站库区倾倒变形体数值模拟分析

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(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司水工处，成都 610072;

2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 610031)

1 工程概况

新龙水电站位于四川省甘孜州新龙县境内的雅砻江上游河段干流上，是雅砻江上游梯级电站开发甘孜—新龙段4级开发中第4级，装机容量240 MW，为二等大(2)型工程。本工程初拟采用沥青混凝土心墙坝，坝顶高程3 112.00 m，地面厂房位于右岸。枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪(放空)建筑物、引水发电系统等组成。

受早期地壳抬升及岩体卸荷作用，在右岸近坝库段存在倾倒变形体，分布范围为顺河长约1.4 km，横河宽约170 m。根据倾倒变形强弱，可分为强倾倒变形和弱倾倒变形体。其中强变形岩体水平深度约30～50 m，初估方量约630万 m3；弱变形体则约1 055 万 m3；两者合计约1 685 万 m3。

在围堰形成和水库蓄水后，受地下水位升高、浸泡影响，变形体岩体的抗剪强度指标降低，极易导致变形体边坡失稳，从而对大坝、泄洪(放空)洞、电站引水口等建筑物安全构成威胁。因此基于新龙水电站上游右岸倾倒变形体现状，研究变形体变形破坏特征、地质结构特点、潜在滑面位置及失稳模式，进行边坡稳定性计算分析是非常必要的。

2 倾倒变形体基本特征

2.1 倾倒变形体地质特征

新龙坝前倾倒变形体位于雅砻江右岸(见图1)，下游侧缘位于新龙水电站坝址Ⅱ勘探线上游约90 m，上游侧缘位于相堆沟沟口；该倾倒变形体前缘位于河水面与公路之间，高程约3 060～3 070 m，紧邻泄洪(放空)洞口及右岸渣场(Ⅰ级阶地)；后缘覆于V级阶地之下，分布高程约3 360～3 370 m；该倾倒变形体大部基岩裸露，地形上具有上缓下陡的特征，前后缘高差约300～310 m，水平分布深度20～80 m，一般40～60 m。

图1 新龙右岸库区倾倒变形体

该变形体由地表及里可分为强倾倒变形和弱倾倒变形。强、弱变形的最大特点是：地表明显可见岩层倾倒变形现象，倾角变缓直至近水平(图2(a))，勘探平洞内明显可见岩层弯曲、折断现象，楔形缝发育，局部贯通(图2(b))。从倾倒角度等特征看，强变形倾倒严重，强变形区又靠近斜坡表部，其松弛更为严重，稳定性较差。

变形弯曲、折断现象变形体所在部位以砂、板岩为主，板岩板理极为发育，岩性较为软弱，岸坡岩体陡立，且河谷走向多与岩层走向小角度相交，随着雅砻江下切、地壳相应抬升，使得岸坡岩体向临空面方向发生倾倒—弯曲—拉裂—折断，折断面形逐渐形成潜在底滑面的过程。

倾倒变形体现状整体基本稳定，部分区域由于坡度较陡，后缘楔形缝普遍贯通，稳定性较差，局部存在小规模失稳可能。其稳定性还受降雨、地震等因素影响，特别是新龙水电站水库正常蓄水以及水库水位升降导致岩体及结构面物理力学参数降低，对倾倒变形体稳定性影响较大。

2.2 倾倒变形体分区

根据倾倒变形体发育特点及岸坡现状稳定性，可分为A1,A2及B三个区，详见图3。

图3 倾倒变形体分区图

A1区分布于变形体下游段，顺河长度约330 m，总体呈三角形状分布，其强变形分布于整个坡体表面，弱变形分布较少，地形相对稍缓，该区同时属于泄洪洞进口边坡开挖区；A2区分布于变形体中段，顺河长度约470 m，其强变形分布于公路以上一定高度，未分布在整个坡体表面，弱变形岩体普遍分布，地形相对较陡；B区分布于变形体上游段，顺河长度约620 m，其强变形基本分布于整个坡体表面，厚度薄，弱变形厚度普遍分布。B区表部强变形体整体稳定性良好，只是坡脚局部稳定性较差，水库蓄水后，坡脚可能会有局部小规模坍岸，且距离大坝相对较远，水库蓄水后的坍岸对大坝安全运行构成的威胁相对较小。因此，对库区倾倒变形体稳定性分析主要侧重A1和A2区。

3 倾倒变形体稳定性分析

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353—2006)规定，对于重要的或工程地质条件复杂的边坡，可假设为连续介质或非连续介质，采用数值方法计算分析边坡的变形、稳定和运动形式[1]。

通过上述倾倒变形体基本地质特征及分区，建立倾倒变形体离散元模型，反演边坡倾倒变形体破坏发展过程，进一步分析倾倒变形体的形成机制。

3.1 离散单元法模型及力学参数

3.1.1 离散单元法原理

离散单元法是分析离散介质变形和运动趋势的有力工具，可以对由不同块体构成的整体进行应力、应变的分析计算，各不同块体之间通过接触点的耦合而互相连接在一起。通常假定各不同岩石块体为刚性，结构产生的总位移仅仅是由各接触点(面)的变形所引起。三维离散元软件3DEC为美国ITASCA公司所发展的应用性程式，用离散单元法(Distinct Element Method DEM)写成的数值分析程式，可以模拟三维节理岩体的行为[2]，其最大的特点在于可以处理大量的结构面，这一特点对于分析岩质边坡是非常合适的。

3DEC数值模拟软件是将岩体视为由许多的完整的岩块所组成，各完整的岩块被岩体中的不连续面分割而成，这些不连续面被视为岩块的边界。完整的岩块可被模拟成刚体和可变形体。3DEC在模拟可变形岩块的时候，将岩块自动分割成许多次级块体，每个次级块体可配合岩体的材料和外力作用情况，计算岩块的受力及应力分布情况。在节理的模拟方面，主要根据位移-作用力法则，计算岩块在节理面上的剪应力和正应力，作为岩块的应力边界条件，因此可模拟岩块的大位移和转动情况[3]。

综上所述，采用离散元分析方法模拟新龙水电站库区倾倒变形体变形破坏机理及其其失稳变化过程是可行的[4]。通过建立边坡离散元的数值计算模型，分析岩体倾倒变形特征及其稳定性，对于指导工程开挖施工具有重要的工程实践意义。

3.1.2 计算模型及边界条件

考虑到模型的复杂性和建模的可行性，本计算模型在建立过程中对地质原模型(图4)进行了一定的简化，边坡由地表及里可分为强倾倒变形、弱倾倒变形及正常基岩。本模型的长宽分别为500 m和350 m，高程3 000～3 296 m。

图4 地质剖面图

在离散元计算中，一般将块体切割成大量的有限差分三角形网格单元，一般而言，网格单元的尺寸越小，计算精度越高，但会占用更多的内存和消耗更多的计算时间。单元尺寸的选取与模拟的目标要匹配，此次模拟主要是研究变形体变形破坏特点，因此对强倾倒、弱倾倒区域划分较细，单元尺寸均选取10.0m，而对强卸荷、正常岩层及覆盖层选取15.0 m(图5)。

图5 三维地质模型及单元网格

模型的力学边界条件采用前后(x方向)、两侧(z方向)和底面(y方向)约束。模型的计算采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服条件的弹塑性模型。对于3DEC需要的体积模量(K)和剪切模量(G)，采用下面公式计算：

式中：E为弹性模量；μ为泊松比。

3.1.3 物理力学参数

根据坝址区岩体质量分级及其配套参数，对倾倒变形体底滑面内聚力、内摩擦角取值进行反复试算，再进行因素敏感性分析，提出了针对A1和A2两个不同区域的强、弱变形体潜在底滑面综合取值。从坡面到坡内，按倾倒变形强、弱变化，岩体层理面逐渐由变形倾倒的缓倾角变陡(即趋于正常层理)，层面倾角变化在15°～80°，优势节理面倾向坡外，倾角为38°～82°。岩土体及结构面的力学参数具体见表1、表2。

表1 岩土体物理力学参数

表2 结构面力学参数

新龙水电站坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，地震设计加速度取基准期50 a内超越概率10 %，相应基岩水平峰值加速度为148 gal。

3.2 边坡稳定性分析

3.2.1 安全系数控制标准及计算工况

根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353—2006)关于边坡分级及设计安全系数的规定，结合本工程规模、特点，确定泄洪(放空)洞工程边坡及库区边坡均为二级，相对应变形体边坡安全系数取值见表3，其中A1区为工程边坡，A2区为库区边坡。

表3 变形体边坡安全系数取值

3.2.2 计算结果及分析

本次三维离散元数值模拟计算分析，选取代表性剖面(JD1剖面代表A1区，JD4剖面代表A2区)，模拟2条剖面分别在蓄水前天然、暴雨、地震及蓄水后天然、暴雨、地震、水位骤降共计7种工况下边坡的变形情况，并分析了边坡的稳定性。2条剖面在不同工况下的变形特征及稳定性如表4所示(表中y方向为竖直重力方向，z方向为垂直于水流方向)，蓄水后地震工况计算结果简图，如图6。

表4 不同工况边坡最大位移及稳定性初判

图6 蓄水后地震工况下计算位移结果

三维离散元数值模拟结果表明：倾倒变形体边坡在蓄水前天然工况下位移较小，主要为强倾倒变形体的顶部发生浅表层变形破坏，以崩塌落石为特点；在蓄水前暴雨及蓄水后所有工况下，由于水的参与作用，强倾倒变形体变形破坏为沿着强～弱倾倒体分界线蠕动，表现为滑坡性质。由于地形原因，A2区的变形较A1区大，稳定性A2区较A1区略差一些。从变形部位看，不管是A1区、还是A2区，变形均主要发生在强倾倒变形体内。

从倾倒变形体的变形特征上来看(以地震工况为例)，边坡变形体破坏主要位于强倾倒变形体中，弱倾倒变形体破坏不明显。强倾倒变形体主要表现为向临空面方向发生倾倒—弯曲—拉裂—折断的变形破坏模式，先在坡脚及顶部发生剪切破坏，中间形成锁固段，后剪切贯通整体下滑，有滑坡特性；此外，地震振动作用下岩体发生溃屈，又有崩塌特点(图7)。

图7 地震工况下边坡失稳模式

4 结 论

如上所述，就整个变形体而言，靠上游段B区整体稳定性最好，下游段A1区稳定性次之，而中部段A2区稳定性最差，需要对其重点进行边坡治理措施。考虑到下游段A1区变形体与泄洪洞开挖边坡直接相关，在工程施工时可对倾倒变形体直接清除或部分清除，对B区边坡应做好库岸防冲刷、淘蚀防护工程。

针对A2区变形体边坡治理加固设计，根据相关经验可采用削坡、压脚、锚固等方法综合治理，确保水库运行期内岸坡稳定；防治工程应选择安全可靠、经济合理、施工简便的成熟技术，便于维护和管理；防治工程应尽可能的美化生态环境，与自然景观相协调；防治工程尽可能地考虑利用边坡岩体自然强度，尽量避免或减轻扰动岩土体，导致局部应力的变化。

参考文献：

[1] DL/T5353—2006,水电水利工程边坡设计规范 [S].北京：中国电力出版社，2007.(DL/T5353—2006, Design Specification for Slope of Hydropower and Water Conservancy Project[S].Beijing：China Electric Power Press，2007.(in Chinese))

[2] 白云峰.顺层岩质边坡稳定性及工程设计研究[D].成都:西南交通大学,2005.(BAI Yun-feng.Study on Stability and Designing of Consequent Bedding Rock Cut Slope[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2005.(in Chinese))

[3] 许宝田, 钱七虎.多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析[J].岩石力学与工程学报, 2007, 28(增2): 3959-3964.(XU Bao-tian, QIAN Qi-hu.Stability and Strengthening Analyses of Slope Rock Mass Containing Multi-weak Interlayers[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，28(Sup.2)：3959-3964.(in Chinese))

[4] 谢 莉,李渝生,曹建军, 等, 澜沧江某水电站右坝肩岩体倾倒变形的数值模拟[J].中国地质，2004，36(4)：907-915.(XIE Li, LI Yu-sheng, CAO Jian-jun,etal.Numerical Simulation of Toppling Deformation Body for a Hydropower Station on Lancang River[J].Geology in China, 2004, 36(4): 907-915.(in Chinese))

[5] 施召云,张 建, 两河口水电站大型倾倒变形体滑坡处理方案研究[J].云南水力发电,2012，(2)：21-22.(SHI Zhao-yun, ZHANG Jian.The Study of Landslide Treatment for Lianghekou Hydropower Station’s Toppling Deformation Body[J].Yunnan Water Power, 2012,(2):21-22.(in Chinese))