ABAQUS在水电站厂房抗滑稳定分析中的应用

江 浩 袁 强2 吴 穹

(1.国家电投集团四川电力有限公司，四川 成都 610041； 2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

实际工程施工中，地质条件极为复杂,坝基内常常有若干条节理、裂隙或断层将坝基岩体切割成块,并形成连续的滑动面[1]。在这种情况下，坝体便有可能带动一部分基岩沿软弱夹层、尤其是缓倾角的软弱夹层滑动失稳，即构成坝基的深层抗滑稳定问题[2]。坝基深层抗滑稳定问题具有复杂性，分析方法尚无统一和明确的规定，需根据具体情况,参考类似工程经验作出判断[3]。目前国内研究深层抗滑稳定安全性的方法主要有刚体极限平衡法、有限元法和模型试验法。

ABAQUS软件是目前国际上先进的大型通用非线性有限元分析软件，在工程领域得到了广泛的应用[4-8]，对岩土工程中的实际模型所取的各种边界条件以及土体的非线性本构关系有着很好的适应性[9]。

抗滑稳定计算往往是水电站厂房设计的关键技术和重要课题[10]。本文以龙溪口水电站例，利用ABAQUS软件对厂房坝段的抗滑稳定性进行了分析。

1 工程概况

龙溪口水电站航电结合，兼顾防洪、供水、环保等综合利用。工程正常蓄水位317.00m，死水位316.00m，水库具有日调节功能。工程建成后，电站装机容量480MW，多年平均发电量20.2亿kW·h。

发电厂房布置于河道左侧，为河床式厂房，属挡水建筑物，左侧为鱼道坝段，右侧为泄洪闸坝段。发电厂房主要建筑物包括主机间坝段、安装间坝段、装卸场坝段、副厂房、拦沙坎、导墙、引水渠、尾水渠、主变及GIS室内开关站等。厂内安装9台贯流式水轮发电机组，安装高程为289.50m，单机容量为53.34MW，总装机容量为480MW。厂房总长287.20m，其中主机间坝段203.20m、安装间坝段60.0m、装卸场坝段24m。除9号机组外，每两台机组之间设一永久沉降缝，共分5个机组坝段；安装间布置在主机间左侧，分为2个坝段(从左至右为安1号和安2号)。

2 地形地质情况

两岸坡属中低山—丘陵宽谷侵蚀地貌，河谷呈不对称的“U”形宽谷。两岸山体呈不对称状，左岸山势低矮，且较平缓，坡顶高程约358.00m，与河床高差约55m，自然坡度约为4°～21°；右岸山势较为陡峻、雄厚，坡顶高程约395.00m，与河床高差约92m，自然坡度约为39°～51°。该河段河谷左岸为堆积岸，河流阶地亦较为发育，且较完整，沿岸发育分布有河漫滩和Ⅰ级阶地，阶地高程约307.00～314.00m，基本完整，其地势平坦、开阔。

厂房地层岩性为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s3-3):暗紫红色暗紫色泥岩、粉砂质泥岩夹中厚层或团块状钙质长石砂岩、长石粉砂岩，砂岩含量约20%～30%，岩层产状为N55°～74°E/SE∠26°～43°，区内无断层切割以及褶皱发育的迹象。厂房主机间基础置于新鲜岩体内，其地基允许承载力为1.5～1.8MPa，变形模量为3.0～3.5GPa；厂房安装间基础置于中风化和微风化岩体之上，中风化岩体地基允许承载力为1.0～1.2MPa，变形模量为2.0～2.5GPa，微风化岩体地基允许承载力为1.5～1.8MPa，变形模量为3.0～3.5GPa。

3 数值模拟

3.1 建立模型

分别建立了3号和4号两台机组段(两机一缝，中间机组段)和厂房安装间段的三维有限元模型。模型中考虑了对厂房整体安全性影响较大的强风化、弱风化及微新的岩层，并对各类岩层进行了比较符合实际的模拟。厂房和基础网格大部分采用八节点六面体等参单元(C3D8单元)，只有少部分采用棱柱体过渡单元。

模型中x方向为沿坝纵向(正向由左岸指向右岸)、y方向为顺河向(正向由上游到下游)、z方向为竖直向。计算范围：沿坝踵向上游延伸150m，沿坝趾向下游延伸150 m，沿建基面高程275.01m向基础深部延伸107m。有限元模型网格图见图1～图2。

图1 厂房3号、4号两台机组段整体网格图

图2 安装间段整体网格图

施加的边界条件为：对基岩上、下游边界约束顺河向水平位移，坝左、右岸边界约束横河向水平位移，底部约束全部位移。

3.2 计算结果分析

采用弹塑性本构、D-P准则及强度折减法，分别对3号、4号机组段以及安装间段进行静力分析，主要研究在静力工况(不施加地震荷载)厂房及安装间的静力抗滑稳定性。

3.2.1 3号、4号机组段抗滑稳定性分析

从3号、4号机组段顺河向位移随强度折减系数变化曲线(见图3)可以看出，当厂房基岩体强度折减到4时，结构位移发生了突变。

图3 厂房3号、4号段坝顶位移随强度折减系数变化曲线

从图4中所示的渐进破坏过程可以看出，当材料强度开始降低时，厂房上游前缘区域首先出现拉剪破坏，此时的屈服区面积很小。随着厂房基岩体强度的进一步降低，建基面出现屈服区，厂房下游出现压剪破坏，并且塑性破坏区逐渐加大。当折减到Ks=4时，上下游的塑性区已贯通，此时最大等效塑性应变值为6.87×10-2；当折减到Ks=5.50时，非线性计算不收敛，整个系统基本上已经达到其极限承载力。

综上所述，3号、4号机组段整体抗滑安全系数在4.00～5.50之间，其抗滑稳定性是有保证的。

图4 3号、4号机组段塑性区发展过程

3.2.2 安装间段稳定性分析

从安装间段坝顶顺河向位移随强度折减系数变化曲线(见图5)可以看出，当厂房基岩体强度折减到4时，结构位移发生了突变。

图5 安装间段坝顶位移随强度折减系数变化曲线

从图6中所示的渐进破坏过程可以看出，当材料强度开始降低时，厂房上游前缘区域首先出现拉剪破坏，此时的屈服区面积很小。随着厂房基岩体强度的进一步降低，建基面出现屈服区，厂房下游出现压剪破坏，并且塑性破坏区逐渐加大。当折减到Ks=4时，上、下游的塑性区已贯通，此时最大等效塑性应变值为1.90×10-2；当折减到Ks=5.50时，非线性计算不收敛，整个系统基本上已经达到其极限承载力。

图6 安装间段塑性区发展过程

综上所述，安装间段整体抗滑安全系数在 4.00～5.50之间，其抗滑稳定性是有保证的。

4 结 语

本文以龙溪口水电站例，利用ABAQUS软件对厂房的抗滑稳定性进行了计算分析，为该水电站厂房的抗滑稳定设计提供了科学依据，对同类水电站厂房的设计和施工具有参考意义。