周宁抽水蓄能电站下水库右岸边坡稳定性分析

黄文洪，周顺田，康志亮，陈 熠，潘 兵

(1.华电福新周宁抽水蓄能有限公司，福建 宁德 352100；2. 浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江 杭州 311122；3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

福建周宁抽水蓄能电站位于福建省周宁县七步镇境内，装机容量1 200 MW，为I等大(一)型工程。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房等建筑物组成，主体建筑物均为1级建筑物。下水库位于七步溪河谷上，为山区峡谷型水库，水库两岸群山环抱，山体雄厚，无低邻谷和低于正常蓄水位的垭口，库区总体为长条形峡谷。下水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程306 m，最大坝高108 m，坝顶长度216.50 m，坝顶宽度9 m。

受本工程库容要求和水位变幅、水库回水对龙溪二级电站拦河坝的影响、泄洪消能对龙溪二级电站厂房的影响等因素，下水库坝址选择是唯一的。坝址区地质条件复杂，发育多条二级断层和岩脉等不利地质构造，局部天然边坡强卸荷岩体分布深度较深，特别是右岸坝头边坡设计开挖深度较浅，开挖后坡面仍以强卸荷岩体为主，预计在开挖过程中会遇到一系列边坡稳定问题。因此，有必要采用三维离散元数值分析方法，深入开展节理岩质高边坡开挖变形响应特征及稳定性分析评价工作[1-8]，为施工期边坡开挖支护方案的制定提供依据，同时也可为其他类似岩质高边坡工程提供借鉴作用。

1 工程地质条件

下水库坝址位于七步溪主河道上，七步溪河道在坝址段蜿蜒曲折，流向为N12°E～N67°E，坝址两岸地形基本对称，山体雄厚，左岸山顶高程在450 m以上，右岸山顶高程在550 m以上，河谷呈较狭窄的“V”字形，自然边坡稳定(见图1)。

图1 下水库坝址区两岸边坡原始地貌图

坝址基岩岩性以燕山晚期第三次侵入的钾长花岗岩为主，辉绿岩脉和石英二长斑岩脉较发育，岩体以完整性差～较完整为主。坝址区地质构造复杂，浅层卸荷作用较强烈，卸荷裂隙多为陡倾角，主要沿原生构造面产生，一般充填岩块、次生泥。根据坝址区两岸平洞揭露，左岸强卸荷水平深度2.0～9.6 m，弱卸荷水平深度6～19 m；右岸强卸荷水平深度5.0～9.5 m，弱卸荷水平深度6.5～24.0 m，局部受岩脉侵入影响，最大卸荷深度达48 m。大坝轴线工程地质剖面如图2所示。

图2 下水库大坝轴线工程地质剖面图

2 三维数值模型建立

2.1 计算范围选取与模型建立

计算模型的计算范围一般应包括全部整个工程影响区域，且应适当放大，以尽量避免边界效应对计算结果的影响，数值计算模型范围为：450 m×250 m×300 m(x×y×z)，模型底部高程为100 m。模型的坐标系x轴为顺河向，坐标系y轴为横河向向，z轴为铅直向，三维数值分析模型如图3所示。根据设计院提供的由上至下分期开挖方案，确定了图3中所示的分序开挖计算方案，对应于数值模拟开挖分析中的各典型开挖步。

图3 计算模型图

2.2 岩体参数选取

岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，根据工程勘探揭露的岩性和岩体风化特征，对岩体质量进行分类，基于现场和室内岩石力学试验结果，最终确定了各类岩体的力学参数，见表1。

表1 岩体力学参数取值表

2.3 结构面模拟及参数取值

本次分析采用ITASCA开发的3DEC离散元数值分析软件，该软件内置节理单元，可以方便地建立节理岩体数值计算模型，并可以描述结构面的张开、压缩、剪切滑移等基本现象，从而直观地反映结构面的变形特征和破坏形态。在本次研究中，主要将坝址区发育的断层等影响较大结构面建入模型中，针对结构面的模拟将选用接触面模型，接触面的破坏准则基于库仑剪切强度准则。模型中主要模拟的结构面及其参数取值见表2、表3。

表2 坝址区发育主要结构面表

表3 结构面力学参数表

2.4 河谷地应力场分析

地应力场是岩土工程最为重要的荷载之一，其准确性将直接影响到计算成果的可靠性。参考国内外各种文献的地应力统计值[3]，河谷形成前的初始地应力状态可以描述为：

(1)

式中：σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；σV为垂直向应力，MPa；h为埋深，m；γ为岩石密度，MN/m3；k1、k2、T1、T2为常数，描述了河谷形成前小区域地应力场的状态。

假设该工程区域初始地应力场符合公式(1)的描述，根据厂房区域地应力实测成果，回归得到工程区域的地应力分布特征(见图4)，测点孔口垂直向埋深239 m，最大水平主应力方向为N16～22°W。

图4 初始地应力场随深度分布特征图

将该应力分布特征作为数值分析的初始地应力输入条件，计算得到坝址区的河谷地应力场分布特征，如图5所示。坝址区左右岸边坡应力量值基本相当，以NNW～NNE向水平构造应力为主，两岸坡表浅层一定深度范围内卸荷特征明显，岸坡应力从上至下初始地应力水平呈增高趋势，边坡开挖区域，最大主应力约为2～5 MPa，最小主应力一般在1 MPa以内，河床部位表现出一定河谷应力集中特征，量值一般在6～8 MPa，开挖区整体应力水平不高。

图5 天然边坡坝轴线剖面初始地应力场分布特征图

3 边坡开挖变形特征及稳定性分析研究

3.1 边坡开挖变形特征分析

边坡开挖主要是剥离自然边坡浅部质量相对较差的卸荷风化岩体，一般浅部岩体开挖所导致的应力释放很小，不可能导致相对新鲜岩体的应力型屈服，但开挖在剥离浅部质量相对较差岩体的同时，也可能改变一些结构面、特别是结构面组合块体的临空状态，从而影响它们的稳定性，现实中开挖导致的这种影响往往成为工程中最需要关心的问题。

图6给出了下水库右岸边坡开挖过程中累计变形分布情况，在边坡上部278 m高程以上开挖过程中，由于开挖深度较浅，应力释放导致的变形量相对较小，计算结果揭示坡体变形多在毫米级；随着边坡持续下挖，坡体变形呈逐渐增长趋势，特别是坡脚区域开挖过程中，受坡体赋存应力条件影响，整体开挖变形量值比前一阶段相对偏大，坡脚区域坝基边坡变形一般可达到10 mm量级水平；整个边坡开挖过程中，坡体以向临空面的卸荷回弹变形为主，变形较大区域主要位于开口线附近，但未表现出明显结构面控制的非连续变形或滑移变形特征，显示了边坡较好的整体稳定特征。

图6 右岸边坡开挖过程中岩体变形响应特征图

3.2 边坡整体稳定性分析

本次研究主要采用“强度折减法”来分析边坡的整体稳定性，通过对岩体和结构面强度参数进行折减、即人为恶化边坡条件的方式，使边坡变形增长、乃至出现失稳征兆，并根据临界状态的变形场分布或变形速率分布情况判断出边坡潜在失稳模式，以达到认识和评价边坡稳定特征的目的。

图7、图8是开挖边坡不同强度折减系数下的位移云图(强度折减系数范围为1.0～1.6)，其中显示了该边坡在岩体条件不断恶化时的变形发展过程。在强度折减系数为1.6的情况下，计算结果没有指示任何潜在滑动破坏的位移场特征，整体变形能趋于收敛，且变形量值偏低，可以认为该边坡仍处于稳定状态。可见，右岸边坡开挖，并不会对边坡整体稳定产生明显影响，边坡安全性较高(Fos>1.6)，工程区域发育主要结构面均为陡倾角，基本不会在开挖坡面揭露，不存在大的深层块体稳定问题。

数值计算中并没有考虑节理等浅层延伸较短结构面的影响，现实中节理可能会导致浅表小块体的破坏，特别是开口线区域，一般为强卸荷岩体，节理裂隙相对发育，局部浅层岩体存在块体失稳风险，在边坡开挖前应及时施作锁口支护，开挖过程中根据实际揭露地质情况可适当控制爆破、加强喷层、乃至挂网支护，以维持边坡良好的开挖形态。

图7 右岸工程边坡不同强度折减系数下坡体位移分布图

图8 右岸工程边坡不同强度折减系数下坡体位移分布图(典型剖面)

4 结 语

采用三维离散元数值分析方法，对周宁抽水蓄能电站下水库右岸边坡施工期开挖变形特征及稳定性进行了详细分析，主要结论如下。

1)周宁抽水蓄能电站下水库右岸边坡开挖过程中，坡体以向临空面的卸荷回弹变形为主，边坡变形随高程由上至下呈现逐步递增的规律，中下部开挖的卸荷作用相对明显，边坡典型部位的开挖变形量值总体在10 mm以内，其中坝基面的变形特征总体良好，未见明显的松弛卸荷变形问题。

2)边坡整体稳定性较好，工程区域发育主要结构面均为陡倾角，基本不会在开挖坡面揭露，不存在大的深层块体稳定问题，强度折减分析结果表明，边坡开挖完成后，整体安全系数仍可维持在1.6以上，满足设计要求。

3)边坡开口线区域，一般为强卸荷岩体，节理裂隙相对发育，局部浅层岩体存在块体失稳风险，是工程中需要重点关注的问题，开挖过程中可根据实际揭露地质情况适当控制爆破、加强喷层、乃至挂网支护。