大石峡水利枢纽工程联合进水口边坡稳定分析

汤国忠,吕庆超,张 莹，胡习文

(1.新疆葛洲坝大石峡水利枢纽开发有限公司，新疆 阿克苏 843000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

大石峡水利枢纽工程位于新疆自治区阿克苏地区温宿县与乌什县境内的阿克苏河一级支流—库玛拉克河上，为Ⅰ等大(1)型工程。联合进水口边坡为中孔泄洪排沙洞进口、深孔放空洞进口闸门井及引水洞进口的开挖边坡，边坡开挖高度最高200 m(如图1所示)。天然边坡走向为NE70°，岸坡地形相对较完整，无冲沟发育。1 676.00 m高程以下坡角约50°，1 676.00～1 700.00 m高程相对较缓，坡角30°～40°，1 700.00 m高程以上坡角45°～50°，局部有高约10 m的陡坎地形[1]。

联合进水口部位边坡基岩裸露，基岩为微晶灰岩夹灰质砾岩。F45断层下盘岩层产状较稳定，走向NE55°～60°，倾向NW，倾角55°～60°；上盘岩层产状多变，局部揉皱明显，走向NE20°～60°，倾向NW，倾角45°～80°。层面较发育，与洞轴线大角度相交，岸坡总体为顺层坡。此外，岩体中随机裂隙也较发育，其中中孔泄洪洞、放空兼排沙洞进口部位主要有3组：① NE36°/NW∠63°；② NW320°/SW∠70°；③ NE26°/SE∠50°；引水洞进口部位主要有4组：① NE29°/NW∠59°；② NW317°/SW∠77°；③ NW334°/NE∠27°；④ NE18°/NW∠50°。随机裂隙与层间小断层随机组合，易形成小面积塌滑现象。

本文结合大石峡水利枢纽工程地质条件，对顺层岩质边坡应重点关注开挖过程中沿结构面的抗滑稳定以及整体变形稳定[2-3]。本文采用二维、三维有限元法进行施工及运行期的变形稳定分析[4-6]，采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析[7-8]，并与二维有限元法计算成果进行对比，验证支护方案的可靠性，提出需重点关注区域，为工程施工及运行期安全提供支撑。

图1 联合进水口边坡开挖现状 单位：m

1 计算条件

1.1 计算模型及参数

据近坝库岸地形地貌特征，结合勘探资料，选取代表剖面1-1和2-2为计算剖面(图2～3)，分别计算岸坡二维抗滑稳定及变形稳定。图4为二维有限元模型。需要说明的是地质剖面中断层延伸长度仅起示意作用，实际长度难以确定，但根据圣维南原理，只要距离坡面足够远，可以认为对计算结果没有影响。本次计算模型中断层F45、F39延伸长度均超过100 m，且对边坡稳定不起控制作用，不会影响计算结果。由于联合进水口边坡三维特征明显，且受1号变形体开挖和趾板边坡开挖的影响，为此建立三维有限元模型进行整体稳定分析(如图5所示)，其中开挖后边坡节点数为202 606个，单元数为1 078 891个。模型边界条件选取为沿河向(x向)约束，垂直河向(y向)约束，底部垂直向(z向)约束。表1为计算采用的主要岩体物理力学参数。

图2 计算剖面平面位置

图3 计算剖面地质结构 单位：m

图4 二维有限元模型

图5 三维有限元模型

表1 联合进水口边坡稳定性计算参数取值

1.2 计算方法及计算假定

计算分析方法主要采用有限元计算法，使用MIDAS GTS NX软件进行计算。Midas GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件[9]，可以进行二维与三维岩土分析，有15种本构模型和用户自定义的本构模型，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库。对边坡的计算采用强度折减法，辅助手段采用极限平衡计算方法，以作验证和整体对比分析。

1.3 计算工况及设计标准

大石峡水利枢纽工程规模为Ⅰ等大(1)型，枢纽挡水、泄水及引水发电等主要建筑物设计级别均为1级，根据SL 386-2007《水利水电工程边坡设计规范》，联合进水口边坡为1级边坡，相应不同工况下的设计安全系数如表2所示。主要作用包括岩体自重、地下水作用及地震作用，其中正常运用条件、非常运用条件Ⅱ采用正常蓄水位(1 700.00 m)对应的地下水位；非常运用条件Ⅰ中暴雨工况采用可能最大暴雨或久雨发生的暂态高地下水位，考虑到所处部位边坡浅表层存在较强的岩体风化和卸荷，岩体破碎，抗变形差、渗透强，在暴雨或久雨条件下坡面入渗水量较多，不足以抬高坡体内的地下水位，也难以在潜在滑面处形成暂态孔隙水压力，仅考虑降雨对坡体表层物理力学参数的影响；非常运用条件Ⅱ中的地震作用按照50 a超越概率10%标准设防，相应基岩水平峰值加速度为0.365g。

表2 联合进水口边坡稳定设计安全系数

图6 初步设计阶段联合进水口边坡支护方案 单位：m

2 二维稳定分析

分别采用有限元强度折减法和刚体极限平衡法对联合进水口边坡代表剖面的稳定性进行分析。有限元强度折减法是通过同步折减强度参数f和c使边坡趋于极限状态，边坡失稳时对应的折减系数等效为安全系数[10-12]，Griffith证明通过有限元计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数基本一致，并且由于可以考虑边坡的变形，其计算结果更加合理。郑颖人院士对有限元强度折减法进行了系统性研究，这里不再赘述。本次计算分别采用2种方法计算边坡安全系数并进行对照，表3为计算结果汇总。可见，按照初步设计阶段支护方案(如图6所示)，联合进水口边坡开挖后各工况的稳定安全系数均满足规范要求，且裕度较大，满足规范要求。

图7为控制工况(正常蓄水位+地震)下变形分析成果，可见边坡整体变形较小，最大不超过6 cm，主要集中在1 618.50 m平台断层F45附近，该处局部产生较小的拉应力，后续结合进水塔基础处理，不会对边坡造成不利影响。从计算结果看，采取的治理方案可行有效。

图7 联合进水口边坡地震工况下变形及矢量

表3 联合进水口边坡计算安全系数汇总

3 三维稳定分析

采用三维刚体极限平衡法对联合进水口边坡可能形成的不稳定块体进行局部抗滑稳定分析，然后采用三维非线性有限元对边坡的整体变形稳定进行分析。图8为主要结构面赤平投影图，其中由L3和f2所形成的块体(1 670.00 m高程近剖面2-2处)安全系数最低，但仍满足规范要求，各工况下的安全系数均在2.63以上。因此，联合进水口边坡不会发生较大规模的块体失稳，但受缓倾坡外层面影响，仍可能形成一些切割较浅的块体，需根据现场开挖揭露情况进行随机支护。

图8 块体抗滑稳定分析

图9和图10分别为按照强度折减法计算，边坡趋于极限状态时的位移云图和剪应变云图，反映了边坡的整体变形趋势。按初步设计方案支护后，对于整个1号变形体及联合进水口边坡，其在各种工况下安全系数均满足规范要求，边坡整体稳定。相较于联合进水口边坡，变形较大区域集中在1号变形体部位，为避免蓄水后1号变形体重新启动牵连联合进水口边坡，需加强1号变形体的支护。

图9 联合进水口边坡位移 单位：m

图10 联合进水口边坡剪应变

与二维计算结果相比，三维计算模型考虑了1号变形体和趾板边坡，因此更加符合实际情况。由于联合进水边坡在三维模型中不起控制作用，难以单独评价其稳定性，因此，上述二维计算结果是对三维计算结果的有效补充。鉴于二维计算时忽略两侧岩体的束缚作用，计算的安全系数会偏低，考虑地质条件的不确定性，按照规范要求，采用二维计算结果进行联合进水口边坡的支护设计。

4 结 论

针对大石峡联合进水口顺层结构边坡整体稳定性较差、施工风险较高等问题，分别采用二维、三维有限元法及刚体极限平衡法进行对比计算分析，主要结论如下：

(1) 根据联合进水口边坡二维计算结果可知，联合进水口边坡开挖后各工况的稳定安全系数均满足规范要求，且裕度较大；受F45断层影响，1 618.50 m马道局部变形较大，并产生较小的拉应力，后续结合进水塔基础处理，不会对边坡造成不利影响。

(2) 受成组裂隙切割，联合进水口边坡可能形成若干楔形体，但其抗滑稳定安全系数均满足规范要求，且安全储备较大，不会发生较大规模的块体失稳，主要为层面切割形成的浅层块体，需根据开挖揭露情况进行随机支护处理。

(3) 根据1号变形体和联合进水口边坡三维稳定分析得知，按初步设计方案支护后，1号变形体和联合进水口边坡在各种工况下安全系数均大于规范要求的安全系数标准，边坡整体处于稳定状态，但是1号变形体部位的安全系数相对较小，主要变形部位发生在1号变形体未开挖部分的底部，应重点关注。