前坪水库溢洪道高边坡设计方案优化研究

刘汉东, 彭冰, 王四巍, 李梦姿

(华北水利水电大学 岩土工程与水工结构研究院,河南 郑州 450045)

前坪水库溢洪道高边坡设计方案优化研究

刘汉东, 彭冰, 王四巍, 李梦姿

(华北水利水电大学 岩土工程与水工结构研究院,河南 郑州 450045)

前坪水库溢洪道高边坡的初步设计方案中，开挖边坡坡度为1∶0.5，采用5 m长锚杆φ25 mm@2×2 m加固支护。通过系统优化研究，调整开挖边坡坡度为1∶0.4，采用10 m长锚杆φ25 mm@3×3 m加固支护。采用GEO-SLOPE软件对不同工况下前坪水库溢洪道高边坡的稳定性进行了极限平衡分析，并采用FLAC 3D软件计算了不同工况下边坡的应力和变形分布规律。计算结果表明：优化设计方案中溢洪道高边坡开挖后在无水、正常水位及相应地震工况下的安全系数均大于1.3，满足规范要求。按优化设计方案开挖后，边坡在无水、遭遇洪水及地震3种工况下，开挖面上的最大主应力均出现拉应力，3种工况下的最大拉应力为0.24 MPa，小于安山玢岩的抗拉强度。优化设计方案与初步设计阶段的方案相比，可减少土石方开挖量约5万m3，具有显著的经济效益。

高边坡;稳定性分析;极限平衡法;FLAC 3D;前坪水库

边坡工程是水利水电工程的重要组成部分，库区内边坡稳定与否将直接影响水利工程的正常运行，进而影响库区下游人民群众的生命财产安全。水利工程投资巨大，在保证工程安全的同时，如何通过最小的工程投资发挥最大的工程效益，是每一位设计人员都必须认真考虑的问题。针对水库边坡稳定性分析，刘汉东、张金水、殷跃平等已进行了深入的研究[1-3]。

目前，边坡稳定性的分析方法有多种[4-8]，一般分为定性分析和定量分析。定性分析即工程地质分析，其以地质成因演化理论、工程地质类比及岩体结构控制理论为基础，通过工程地质勘察对影响边坡稳定性的各要素进行定性描述和分析，得到边坡稳定性状况及其发展趋势的定性说明与解释。

定量分析包括极限平衡法和数值分析法。广义上来说，极限平衡法也是数值分析法的一种，但由于其实用性强，是一种纳入设计规程的边坡稳定性分析方法[9]，因此单独将其列出。极限平衡法的显著优点在于力学模型简单，计算工作量相对较小，这也是其得到广泛应用的原因所在。但该方法将岩土体视为刚体，不考虑坡体中土体的变形，应力、应变状态与实际情况不符，因而计算结果存在一定的误差。

数值分析法是根据边坡不同的边界条件和变形破坏类型，采用不同的计算和评价方法，得出定量的分析结果的一种方法。20世纪60年代以来，随着计算机技术的发展，以力学计算法为基础的数值分析方法得到迅猛发展，工程人员以有限单元法、离散单元法和有限差分法等各种计算方法为基础，开发出了多种大型地质工程数值分析计算软件[10]。边坡稳定性数值分析的最大优势在于可以分析边坡内部任意位置的应力、应变状态，更符合实际情况，同时，通过可视化工具可以显示坡体内部的应力、应变状态。但其缺点在于地质模型建立困难，计算工作量较大，对于计算机的配置也有一定的要求，工程人员在实际应用中需要耗费大量的时间和精力。

本文将极限平衡法与数值分析法相结合，可有效地提高工作效率。基于前坪水库溢洪道高边坡的初步设计方案，首先采用GEO-SLOPE极限平衡分析软件对其进行极限平衡分析，然后采用适用于连续介质非线性问题的FLAC 3D软件进行数值分析[11]，得到坡体内部各点的应力、应变状态，评价边坡优化设计方案的可行性。

1 工程概况

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游、洛阳市汝阳县县城以西9 km的上店镇前坪村，具有防洪、供水、发电等功能，建成后配合相关工程可有效地保护下游地区人民群众的生命财产安全以及京广和京九铁路、京珠和二广高速公路等交通干线的正常运行。前坪水库溢洪道开挖后，左岸边坡最大高度可达80 m。水库利用周期内，溢洪道高边坡的稳定与否将直接影响工程的正常运行。初步设计中，溢洪道设计方案为：进水渠左、右岸岩石边坡采用1∶0.5放坡；左岸共设5级马道，马道高程分别为415.0、423.5、438.5、453.5、468.5 m，马道宽度自第一级依次为3、10、3、3、3 m，第二级马道兼做泄洪洞控制段通往大坝的交通道路；开挖面上采用5 m长锚杆φ25 mm@2×2 m支护；右岸边坡开挖后形成的人工边的坡最大高度不超过30 m，大多在10～20 m范围内，不再设置马道，也不进行支护。

根据现场踏勘和室内岩土体强度试验的结果，考虑工程经济效益最大化，建议边坡的坡度适当增加，由原设计坡比1∶0.5提高至1∶0.4；第二级马道高程423.5 m，兼做泄洪洞控制段通往大坝的交通道路，原设计10 m宽，考虑到施工高峰期车流量较大，增加至12 m；同时将支护设计改为10 m长锚杆φ25 mm@3×3 m支护。考虑到右岸边坡高度低，整体稳定性较好，因此主要针对左岸高边坡进行稳定性分析。

2 溢洪道左岸边坡的极限平衡分析

2.1 工况分析

为了研究前坪水库溢洪道左岸边坡开挖后的稳定性，采用GEO-SLOPE软件对其进行极限平衡分析。经分析，确定了基本计算工况及荷载组合，见表1。其中：GK3、GK4、GK5根据开挖方案的不同和是否进行支护，又细分为设计方案开挖不支护、设计方案开挖支护、优化方案开挖不支护、优化方案开挖支护4种子工况。

表1 溢洪道左岸高边坡稳定性分析工况

2.2 计算模型及岩体参数

根据前坪水库工程地质图，基于边坡极限平衡法，计算模型长度取215 m，高度取148 m，模型中主要岩土层为弱风化安山玢岩，中部有F30断层，表层为重粉质壤土。根据工程地质资料，综合现场岩体结构、节理裂隙发育特征、风化程度等特点，得出各主要岩层的物理力学参数取值，见表2。

表2 天然工况计算参数

2.3 计算结果分析

采用摩根斯顿-普赖斯法(Morgenstern-Price)对前坪水库溢洪道左岸高边坡不同工况下的稳定性进行计算，按优化方案开挖支护后的正常水位+地震工况下的计算结果如图1所示，不同工况安全系数计算结果见表3。在不开挖情况下，GK1、GK2的安全系数分别为2.79、2.05，安全系数较高，与实际情况相符。

图1 按优化方案开挖支护后的正常水位+地震

对比按照设计方案和优化方案开挖后各种工况下的安全系数可知，溢洪道左岸边坡按照优化方案开挖后各种工况下的安全系数均小于按照设计方案开挖后的安全系数，但减小的幅度较小，减小幅度最大值为6%。这是因为岩土体物理力学性质较好，坡比的提高对于边坡整体稳定性的影响不大；同时，优化方案中二级马道的宽度也有一定的增加，有利于边坡整体稳定性的提高。安全系数降低微小幅度，相对于原本较大的安全系数来说，其影响可以忽略。这说明坡比的提高对于边坡整体稳定性的影响有限，优化方案具有一定的可行性。

表3 安全系数的计算结果(摩根斯顿-普莱斯法)

对比不同基本工况下支护与不支护时的安全系数可知，无论是设计方案还是优化方案，支护后的安全系数增大值均较小，6种子工况中安全系数的增大值最大为0.04；从最危险滑动面分析，锚杆不能穿过最危险滑动面。以上两者都反映了锚固效果较差，这说明，在岩土体本身的物理力学性质较好的情况下，支护方式对边坡稳定性的影响有限。

表3中安全系数的计算结果表明，优化方案下溢洪道左岸高边坡开挖后在无水、正常水位及正常

水位+地震工况下的安全系数均大于1.3，安全性仍满足文献[9]中的要求，完全具备可行性。

3 溢洪道左岸边坡的数值分析

3.1 工况分析

采用FLAC 3D软件对前坪水库溢洪道左岸边坡的稳定性进行数值分析，除了不再分析天然状态，其他分析工况与采用极限平衡法时相同。根据极限平衡法分析的结果，边坡开挖后的状态为最危险状态，故选择一次性开挖后的边坡进行数值分析。

3.2 计算模型及岩体参数

根据前坪水库溢洪道左岸人工高边坡的分布特征确定其数值计算范围。依据前坪水库溢洪道平面布置图构建计算模型，设定沿溢洪道方向为X向，垂直溢洪道方向为Y向，竖直方向为Z向。进水渠段中心线为弧形，转弯半径为350 m，沿溢洪道方向(X方向)，以桩号溢0-000为起点，向上游取250 m；在Y方向上，沿着溢洪道中心桩号溢0-046分别向左岸延伸150 m，向右岸延伸50 m；在Z方向上，以溢洪道渠底高程399 m为基础向下延伸160 m作为模型的底板，边坡最高约80 m，建立地质模型。该范围内溢洪道中心线长度为222 m，涵盖了全部进口翼墙段和大部分的进水渠段。

平行于X向的两个侧面均固定X向、Y向位移，平行于Y向的两个侧面均固定法向位移，底面固定三向位移。计算荷载为自重、静水压力和地震作用力。岩土体采用莫尔-库仑本构模型，计算参数见表4。

表4 溢洪道边坡计算参数

3.3 计算结果分析

3.3.1 位移分析

按优化方案开挖后的坡体总位移如图2所示。

图2 溢洪道边坡总位移

由图2可知：溢洪道完全开挖支护后，开挖面附近均有一定程度的位移；坡顶处位移最小，约1.00 cm；底板处位移最大，约5.16 cm(为了避免边界影响，位移值以0-106剖面图为准)。

按照优化方案开挖后，坡体0-106剖面的竖向位移如图3所示。由图3可知：溢洪道完全开挖支护后，开挖面坡顶处位移最小，约1.00 cm；底板处位移最大，约5.13 cm。

比较开挖后的竖向位移与总位移可以看出，两者大小基本相同。这说明开挖后岩土体位移以竖向为主，水平向位移相对极小。岩土体之所以会产生竖直向上的位移，这是因为上层岩土体开挖后，下层岩土体的上覆重力消失，岩土体卸荷产生了回弹。岩土体位移以竖向为主，说明开挖后，岩土体位移以卸荷回弹为主，水平向移动极小，可以忽略。这从侧面说明了溢洪道所在区域内岩土体的物理力学性质较好，否则，大方量开挖过后，开挖面上的岩土体必将产生明显的水平向位移。

图3 溢洪道边坡0-106剖面Z向位移

3.3.2 最大主应力分析

开挖后溢洪道边坡0-106剖面的最大主应力如图4所示。

图4 溢洪道0-106剖面最大主应力

图4中的计算结果表明：溢洪道完全开挖后，开挖面上的最大主应力有拉应力也有压应力， 拉应力分布于溢洪道底板处和各级马道的上部边缘。溢洪道底板处拉应力距离坡体越近，拉应力越小，分析范

围内拉应力最大值约0.24 MPa。各级马道边缘处形成了明显的条带状拉应力分布区，拉应力最大值约0.10 MPa。从图4可以看出，条带状拉应力分布区主要集中在开挖面上，向内延伸很小，这说明岩土体开挖造成的水平应力卸荷对岩土体的整体应力状态影响不大，仅仅在小范围内对开挖面上部分岩土体的应力状态产生了有限的影响。

3.3.3 不同工况下结果对比

优化方案与设计方案下溢洪道左岸高边坡的最大主应力最大值和最大变形值的对比见表5。两种方案在不同工况下的最大主应力和最大变形的分布趋势与优化方案不支护情况下的分区趋势基本相同。结果表明：根据优化方案开挖后，边坡在无水、正常水位、正常水位+地震这3种工况下，开挖面上最大主应力均出现拉应力，但最大值均较小，3种工况下的最大值为0.24 MPa，远小于安山玢岩的抗拉强度；与设计方案相比，拉应力最大值均增大，但增大的幅度不大，增幅的最大值不超过0.15 MPa。这说明岩土体开挖造成的应力释放会导致坡体开挖面上出现拉应力，坡比的提高不利于开挖面上岩土体的应力重分布，会导致拉应力的增大。

对比相同基本工况下优化方案与设计方案的最大位移值可知，优化方案的总位移较小。这是因为区域内总位移以岩体竖向回弹为主，水平位移较小，优化方案中山体开挖方量小，卸荷影响相对较小，因而岩土体竖向回弹较小，岩土体总位移较小。

对比不同工况下支护前、后的总位移最大值可知，支护与否对开挖面上总位移的影响不大，在位移值以10-4m为基本单位时位移值相同。这也反映出在岩土体的物理力学性质较好时，支护措施对岩土体位移的影响有限。

表5 不同工况下最大主应力和变形的最大值对比

与设计方案相比，虽然优化方案下的边坡开挖坡度有所提高，但坡体的最大变形的变化不显著(位移值减小)。采用MDAS GTS NX建立地质模型，利用其体积测量功能测量出两种方案中拟开挖坡体的体积，对比可知，优化方案中土石方开挖量减少约5万m3。按照当前土石方开挖的市场工价30元/m3计算，设计方案可节省直接经费150万元，同时可有效缩短工期，使得工程尽早发挥效益。

4 结语

前坪水库溢洪道左岸高边坡按照优化设计方案开挖后，各种工况下的安全系数均小于初步设计方案开挖后的安全系数，但减小的幅度较小，最大减小幅度为6%。优化方案下前坪水库溢洪道左岸高边坡开挖后在无水、正常水位、正常水位+地震工况下的安全系数均大于1.3，安全性满足规范要求。

按优化设计方案开挖后，边坡在无水、正常水位、正常水位+地震3种工况下，开挖面上最大主应力均出现拉应力。与原初步设计方案相比，优化设计方案中不同工况下拉应力最大值均增大，但增大的幅度不大，增幅的最大值不超过0.15 MPa，3种工况下的最大拉应力值为0.24 MPa，小于安山玢岩的抗拉强度，满足工程安全要求。相同工况下，优化设计方案中，溢洪道边坡总位移偏小，利于工程安全。

优化方案在保证工程安全的前提下，可减少土石方开挖量约5万 m3，同时可有效缩短工期，具有显著的经济效益。

[1]刘汉东,徐国刚,姜彤.小浪底水利枢纽东苗家滑坡稳定性分析[C]//中国岩石力学与工程学会.中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集.武汉:湖北科学技术出版社,2000.

[2]张金水,王丹.基于CEL算法的小浪底大柿树滑坡涌浪分析[J].人民黄河,2013,35(9)：119-121.

[3]殷跃平.三峡库区边坡结构及失稳模式研究[J].工程地质学报,2005,13(2):145-154.

[4]高玉峰,王迪,张飞.三维土质边坡稳定性分析方法研究现状与展望[J].河海大学学报(自然科学版),2015,43(5):456-464.

[5]赵胜杰,苏健.边坡稳定性分析方法现状及发展简述[J].土工基础,2012,26(6):92-95.

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[8]黄润秋,张倬元.高边坡稳定性研究现状及发展展望[J].地球科学进展,1991,6(1):26-31.

[9]水利部水利水电规划设计总院.水利水电工程边坡设计规范：SL 387—2007[S].北京：中国水利水电出版社,2007.

[10]刘汉东,姜彤,刘海宁,等.岩土工程数值计算方法[M].郑州：黄河水利出版社,2010.

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(责任编辑：陈海涛)

Optimization of Design Scheme for High Slope of Spillway in Qianping Reservoir

LIU Handong, PENG Bing, WANG Siwei, LI Mengzhi

(Henan Key Laboratory of Geotechnical and Structure Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In the preliminary design of the spillway high slope of Qianping Reservoir, the slope of the excavated slope is 1∶0.5 with 5 m long anchor rod,φ25 mm@2×2 m reinforced anchors. Through the system optimization study, the slope of the adjusted excavation slope is 1∶0.4 with 10 m long anchor rod,φ25 mm@3×3 m reinforced anchors. The GEO-SLOPE software was used to analyze the stability of the high slope of the spillway of Qianping Reservoir under different working conditions, and the stress and deformation distribution rules of slope under different working conditions were calculated by FLAC 3D.The calculation results show that the safety factor of the high slope of the spillway in the optimized design scheme is greater than 1.3 after the excavation at the water free, normal water level and the corresponding seismic conditions, to meet the specification requirements.After the excavation according to the optimized design scheme, the maximum principal stress on the excavation surface appears tensile stress under the three conditions of water, flood and earthquakes, and the maximum tensile stress is 0.24 MPa under three conditions, which is less than that of the and esiticporphyrite. Compared with the preliminary design phase, the optimized design scheme can reduce the excavation quantity of earthwork about 50 000 m3, and has significant economic benefits.

high slope; analysis of stability; limit equilibrium method; FLAC 3D; Qianping Reservoir

2016-11-22

国家水利部公益性行业科研专项(201301034)。

刘汉东(1963—),男,山东菏泽人,教授,博导,博士,从事水利水电工程地质方面的研究。E-mail：10096392@qq.com。 彭冰(1992—),男,河南南阳人,硕士研究生,从事水利水电工程地质方面的研究。E-mail:754531611@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.010

TV222;TU42

A

1002-5634(2017)01-0047-05