某电站施工期高边坡稳定性三维数值模拟评价研究

李 浩，曹运江,2

(1. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)



某电站施工期高边坡稳定性三维数值模拟评价研究

李 浩1，曹运江1,2

(1. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

边坡稳定性分析研究，一直成为岩土工程界的重大研究课题。根据对某电站施工期间工程边坡详细的野外实地调查,查阅和整理大量的资料，总结出工程区边坡工程特性,获得边坡稳定性定性评价。在建立边坡岩体稳定性研究模型的基础上，采用三维数值模拟，对高边坡开挖过程进行再现，验证所建立的地质模型或概念模型的实用性和合理性。重点分析电站施工期高边坡的稳定性，同时，也为高边坡的开挖施工及支护措施提供了许多合理的建议。

边坡; 稳定性分析;三维数值模拟;开挖

工程区位于西部岷江流域，总的地势NW高SE低，相对高差1 000～3 000 m。区内地层除下古生界普遍缺失外，元古界至第四系皆有出露，南部是以碳酸盐岩和砂岩、页岩沉积为主的碎屑岩区[1]。条形山脊向斜两翼边坡的主要受控于水坝向斜构造和层间剪切错动带。

1 条形山脊开挖高边坡数值模拟

1.1 计算模型

计算范围是取距大坝的下游侧大约500 m处为原点，Z轴正方向垂直向上，基座底面高程550 m，顶面高程750 m，条形山脊山峰最高点高程4 040 m，模型最大高差460 m，边坡高度260 m；X轴正方向沿岷江指向上游，模型范围1 000 m。在计算模型中条形山脊三面临空，地应力基本释放完毕，故模型的侧面均设为约束边界。根据工程要求、开挖情况、现场勘探及相应的工程地质条件，将整个开挖计算模型共划分为427 767个单元，89 036个节点，如图1～2所示。

1.2 岩体力学参数的确定

根据所提供的地质资料及试验结果，在赋FLAC3D材料属性时，考虑本工程开挖岩体的风化情况，经综合分析，确定边坡岩土体的力学参数的建议取值如表1所示。

图1 赋含开挖体的条形山脊模型及网格划分

图2 条形山脊开挖体模型部分及网格剖分展示

表1 条形山脊两侧边坡开挖岩体宏观物理力学综合参数建议取值

根据条形山脊的地形地貌特征，充分考虑右岸水工建筑物的布置情况。根据实际工程边坡的开挖工况，初步确定宏观的开挖顺序为：先挖进水口边坡，再挖溢洪道上段边坡，最后再挖溢洪道下段和洞出水口边坡。

1.3 主要工程开挖边坡数值模拟

1.3.1 变形与位移

从模拟结果来看，变形量值不大，最大位移为108.82 cm，EL.885平台的合位移量值达到40～50 mm，y方向位移量最大，有86.44 mm。边坡的总位移量值主要在5～10 cm，局部为10～15 cm[2]。x、y、z各方向的分位移量值范围分别为-3.0～2.93，-3.0～3.0，-14～3.13 cm。在边坡开挖时,由于受开挖程度的影响,出现了不同程度的压缩变形，变形量级表现出较大的不均匀性[3]。其位移量值随开挖步不同而发生变化，在溢洪道内侧回弹变形凸显。

1.3.2 开挖边坡的应力场

岩体开挖后，较小的压应力或较大的拉应力(第一主应力)方向在近地表处垂直坡面,深部接近水平；较大的压应力或较小的拉应力(第二主应力)方向在近地表处顺沿坡面,深部接近垂直[4]。其中，最大主应力的量级为-6.025～0.055 MPa，量值呈下大上小分布，以压应力为主；最小主应力的量级为-2.870～0.50 MPa[5-6]。当泄洪洞进水口边坡开挖后，开挖所引起的最大、最小主应力的应力场计算得出最大主应力在边坡岩体应力场中的量级变化范围为-12.27～0.15 MPa，以压应力为主，仅局部表现出拉应力；最小主应力的边坡应力场分布特征与最大主应力相似，变化范围为-6.27～0.532 MPa，同样呈下大上小分布，几乎都表现为压应力[7]。

1.3.3 塑性区

虽然开挖边坡在施工期整体是稳定的，但还是存在不稳定的区域。早期开挖边坡时EL.885平台附近受损单元就居多，塑性变形区最明显。后期溢洪道及其边坡开挖，条形山脊的塑性区主要还是在EL.885平台附近，断层出露部位则为次要的塑性变形区[8]。

2 模拟结果分析

该边坡地质特征比较复杂,增加了边坡的不稳定性 ,对边坡的原始状态进行模拟显得尤为重要。主要方法为在原始状态的基础上对边坡进行开挖,判断、分析边坡在开挖条件下的稳定性[9]。

通常情况下，系统达到平衡的标志为不平衡力趋于零、速度趋于零、位移持续为常数。然而对数值分析来说，当最大不平衡力与系统中代表单元的不平衡力相比非常小时，则可以说模型处于平衡状态[10]。

由以上分析可知，在很多工程问题中进行三维边坡稳定分析具有重要意义。但是，到目前为止，有关三维边坡稳定分析方法及其程序开发方面的工作，还远远满足不了实际工程的需要，大部分研究工作都只局限于学术领域，未见实际应用。

3 结 论

在利用切割法建模技术，成功地建立地质力学模型的基础上，通过对工程高边坡整体稳定性研究分析,可以得出以下结论。

1) 利用数值模拟对边坡的稳定性进行了分析和研究。对边坡整体稳定性进行了综合评价。

2) 基于三维地质概化模型仿真数值模拟，针对条形山脊含软岩高边坡特性，系统地分析了不同工程部位边坡施工过程中的形变——应力场和塑性变形特征。建议加强长期监测。条形山脊两侧高边坡开挖的防治重点应放在层间剪切错动带发育部位。

3) 在施工过程中，开挖面岩体周围的位移受影响程度是不均匀的。

[1] 曹运江. 含软岩高边坡稳定性的系统工程地质研究——以岷江紫坪铺水利枢纽工程为例[D]. 成都: 成都理工大学，2006.

[2] 陈健，盛谦，高峰．构皮滩工程边坡开挖数值模拟分析及稳定性评价[J]．长江科学院院报，13(9)：32-36.

[3] 陈子进, 吴斌, 梅连友. 全站仪坐标差分法在高边坡变形监测中的应用[J]. 重庆建筑大学学报, 2005,27(3): 130-134．

[4] 冯学敏, 汪卫明, 陈胜宏. 小湾拱坝右岸缆机基础开挖边坡的优化分析[J]. 岩土力学, 2004,25(S2): 289-295.

[5] 黄润秋. 中国西部地区典型岩质滑坡机理研究[J]. 地球科学进展, 2004,19(3)：443-450.

[6] 黄润秋. 岩石高边坡稳定性工程地质分析[M]. 北京：科当出版社，2012．

[7] 贾东远, 阴可, 李艳华. 岩石边坡稳定性分析方法[J]. 地下空间, 2004,24(2): 250-255.

[8] 李晓春, 陈剑平. 小湾电站边坡卸荷三维有限元模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2005,32(2): 195-200.

[9] 张季如. 边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价[J]. 岩石力学与工程学报, 2002,21(6): 843-847.

[10] 张倬元, 王士天, 王兰生，等. 工程地质分析原理(第三版)[M]. 北京：地质出版社，2009.

A Study on a Power Station Construction of Stability of High Slope Numerical Simulation

LI Hao1, CAO Yunjiang1,2

(1.SchoolofResource,EnvironmentandSafetyEngineeringofHunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China; 2.HunanUniversityofScienceandTechnology,HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-utilizationandMineEnvironmentProtection,Xiangtan,Hunan411201,China)

An Analysis of slope stability has become a major research topic of concern in the field of geotechnical engineering. According to the field investigation on the slope of a hydropower station in detail during construction, we have inspected large amounts of data in the characteristics of project area in slope engineering to get slope stability evaluation. In the establishment of the slope stability research on the model, we have got a three-dimensional numerical simulation on high slope excavation process of reproduction to verify the geological model or concept model in practical rationality. We are focusing our views on the stability of high slope in hydropower station during construction period, including the high slope excavation and supporting measures to provide many reasonable suggestions.

Slope; stability analysis; Three-dimensional numerical simulation; Excavation

2016-10-04

湖南省教育厅一般资助项目(15C0530)；岩土力学与工程安全湖南省重点实验室开放基金资助项目(16GES05)。

李浩(1991-)，男(满族)，吉林通化人，在读硕士研究生，研究方向：环境与地质灾害，手机：18773245721，E-mail:951051321@qq.com.

P642.22

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.005