某水电站混凝土生产系统边坡稳定性复核分析

摘 要：某水电站混凝土生产系统后边坡开挖支护完成后，发现多条裂缝，同时边坡埋设的锚杆应力计、多点变位计测值发生突变，为确保工程施工和运行期的安全，有必要对边坡进行稳定复核。基于边坡地质条件，采用刚体极限平衡法和非线性有限元分析法复核了边坡的稳定性，分析表明边坡处于稳定状态。

关键词：混凝土生产系统；边坡稳定性；极限平衡法；有限元分析法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.109

1 工程概况

某水电站是规划中该河段的第6级水电站，工程枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。

根据工程混凝土浇筑进度计划，综合考虑场内道路布置和场地条件，在坝址下游约0.5km处台地布置混凝土生产系统，系统主要承担主体工程混凝土的生产任务。

混凝土生产系统场平后边坡开挖高程2090～2160m，边坡开挖坡比1：0.1～1：0.3，局部为1：0.75，目前场平工程已完工，待后期承包人进场后进行其他建安工程施工。为确保工程施工和运行期的安全，有必要对混凝土生产系统边坡进行稳定复核。

2 混凝土生产系统边坡稳定复核分析

2.1 基本地质条件

混凝土生产系统位于山脊处，地形坡度40°～50°，植被零星发育。岩性主要为三叠系上统新都桥组变质粉砂岩，局部夹含炭质板岩，地表出露的基岩以弱风化为主。地层呈单斜构造，产状N10～25°W NE∠40～55°，无区域性断层或较大规模断层通过，边坡发育有断层f213、f214、f67-1～f67-4计6条，带宽一般5～10cm，延伸中等。场地地下水以基岩裂隙水为主，地下水位埋深约135m，混凝土生产系统位于地下水位以上。

2.2 边坡监测情况及裂缝开展说明

在混凝土生产系统边坡高程2155m、2030m各布置1套四点式多点位移计，在2155m、2140m、2030m、2112m、2100m高程各布置1支锚杆应力计，在2130m高程布置1台锚索测力计。

混凝土生产系统场平工程完工后，边坡发现了多条裂缝，宽1～3cm，延伸一般2～3m；边坡自开始观测以来，各类监测仪器数据一直较为稳定，且测值均较小。5个月后，锚杆应力计、多点变位计测值发生突变，锚索测力计测值略微减小。其中断面上不同高程5支锚杆应力计测值发生突变，变化量在6.35～119.22MPa之间，测值增加的幅度从上向下递减，上部锚杆受力较大，下部受力相对较小；多点变位计测值变化量0.42～1.48mm。目前各项监测数据已趋于平稳。

2.3 稳定复核分析

（1）潜在破坏模式。综合混凝土系统边坡地质条件分析，边坡整体稳定状况良好，其局部变形破坏主要是受结构面组合块体的滑动破坏。

（2）计算方法及剖面。系统边坡稳定性计算方法主要采用刚体极限平衡法和非线性有限元分析法，采用与开挖边坡垂直的1剖面进行稳定分析（图1）。

（3）边坡级别和计算工况。根据相关规范，将系统边坡定为A类Ⅱ级边坡，采用持久状况、短暂状况进行稳定复核计算，其中持久和短暂状况设计安全系数分别为1.25和1.15。

（4）计算成果。1）极限平衡法。通过极限平衡法计算，边坡二维滑动安全系数计算结果汇总于表2。

根据边坡断层发育情况分析，f67-4与f213、 f67-4与f67-2 、f67-4与f214切割形成组合块体，其在持久状况下赤平投影法计算结果分别为：2.289、1.631和3.016，三维楔形体极限平衡法计算结果分别为：2.255，1.60和2.97，安全系数均满足规范要求。

2）有限元分析计算.①边坡开挖后边坡开挖面存在回弹位移，最大回弹量在4.42mm左右；②各开挖平台由于卸荷回弹出现拉应力增量，最大拉应力增量达到704kPa，该拉应力有助于结构面的张开与发展，对局部稳定性影响较大，可导致浅部节理岩体的松动或滑塌；③开挖支护后，锚杆应力最大在24MPa左右，换算成2.5m间距为60MPa；④2120m高程平台料仓加载后，荷载将在该平台产生0.29mm的位移增量及39kPa的压应力增量，同时在平台后缘产生23kPa的拉应力增量，对平台稳定不利，同时锚杆应力增加931kPa，换算成2.5m间距为2.4MPa；⑤边坡开挖及加载后未出现大面积的塑性连通区域，仅在断层f213、f214内部产生了部分塑性区域，边坡发生大规模塑性失稳的可能性较小。

（5）计算结论。

1）通过典型断面1、2的二维极限平衡法计算可以看出，边坡在各工况下最小安全系数均满足规范要求，且有一定的安全裕度，不会产生沿断层发生大规模的失稳破坏。

2）通过赤平投影法及三维楔形体极限平衡法计算可知，三维情况下各断层切割形成的大型块体稳定条件较好，安全系数达到规范要求。

3）各断层节理交棱线倾向与开挖边坡向相同，倾角小于开挖坡角，卸荷情况下，有可能产生滑动，但规模小，多为切割小块体，通过支护设计可以确保稳定，同时不会对边坡的整体稳定性产生主要影响。

4）监测数据突变以及裂缝出现成因初步分析：①锚杆应力计呈突变型增长，锚索应力计应力反而减小，可以推测边坡发生浅部变形的可能性较大，锚杆应力的的增大可能由于锚索预应力引起，由有限元分析发现，锚杆应力开挖支护后正常应力在60MPa左右，而实测应力最大达到112MPa，远超过计算值，该部分差值并非由于开挖卸荷引起。② 分析发现裂缝走向与边坡揭露的结构面走向存在较大关联性，且有多组结构面倾向NE，开挖卸荷导致边坡原有压应力释放，原本压紧的结构面受拉应力增量影响张开、发展并暴露，而锚索施加力的方向对边坡尤其是结构面附近岩体相当于偏心受压状态，且预应力锚索吨位达到100t级别，致使靠近锚索受力点位置的结构面压紧而远离受力点位置张开，导致边坡裂缝的出现，其受力示意图见图2。

3 结论和建议

（1）通过分析计算，混凝土生产系统边坡整体稳定安全系数均满足规范要求，且有一定裕度，各工况下均不会发生大规模的失稳破坏。

（2）混凝土生产系统主要是考虑施工期的边坡稳定，由于距离枢纽建筑均有一定距离，工程永久运行期影响较小。

（3）在混凝土系统进行建安工程施工时，要求承包人在施工过程中做好爆破控制等相关工作。

（4）系统边坡整体处于稳定状态，施工过程中应加强安全监测，在观测数据有异常变化时及时加以分析确认，必要时增加锚固措施，从而确保施工运行期的安全。

参考文献：

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作者简介：张俊林（1985-），男，湖北广水人，本科，工程师，主要从事水电工程地质勘察和研究工作。