基于极限平衡法和离散元法的某水电站高边坡稳定性分析

：水电站高边坡变形稳定是工程建设过程中需要重点关注的地质问题之一，受结构面类型、产状、规模等影响，其稳定性分析十分复杂。以某大型水电站坝址区右岸边坡为研究对象，依据内部结构面的性状和位置，对各结构面可能产生的块体组合进行分析，并对边坡稳定性进行初判。根据规范要求，利用Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ 软件进行极限平衡分析计算，并在离散单元法中引入强度折减对极限平衡法计算结果进行佐证，分析危险滑动面。结果表明：部分剖面滑动块体略薄，坡体处于稳定状态，但整体来看需要采取加固措施，建议根据施工过程中开挖揭露地质情况及安全监测反馈的有关信息，进行动态设计。

关键词：高边坡；工程地质；极限平衡法；离散单元法；稳定性分析

中图分类号： ＴＶ５４３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２７

引用格式：廖赞．基于极限平衡法和离散元法的某水电站高边坡稳定性分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１４６－１５０，１５７．

我国经济正处于迈向高质量发展的新阶段，西部大开发战略的实施和碳达峰碳中和目标的制定，使得一系列在建或拟建水利水电枢纽工程规模越来越大，工程边坡越来越高。由于高边坡变形稳定受结构面类型、产状、规模等因素的影响，其稳定性直接关系到施工人员的安全、施工进度的控制及工程造价等，因此有必要进行稳定性分析。

边坡稳定性研究方法有极限平衡法、极限分析法、数值模拟法和滑移线法等［１］ 。其中：极限平衡法是《水利水电工程边坡设计规范》（ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 中的方法，可求解安全系数、评估工程稳定性，但不足之处在于难以给出渐进破坏的过程［３－５］ ；数值模拟法中强度折减方法是应用较多的一种，不仅可以较好地反映边坡失稳破坏过程，而且可以给出强度折减系数来判断边坡安全性，但当前研究主要局限于连续介质，大多通过有限元软件ＡＢＡＱＵＳ 和有限差分软件Ｆｌａｃ３ｄ实现［６－１０］ 。对于高边坡而言，由于开挖引起岩体破裂和内部断层裂隙产生，因此采用离散元法分析变形破坏机理更切合实际［１１－１３］ 。

本文以某大型水电站坝址区右岸高边坡为研究对象，综合应用多种方法进行稳定性分析。首先分析内部结构面的性状和位置，从定性角度对稳定性进行初判；其次选取多个剖面，利用极限平衡法计算出不同工况、不同加固措施下安全系数；最后在离散单元法中引入强度折减，对极限平衡法计算结果进行佐证，并分析危险滑动面。研究成果不仅可以作为支护处理方案的重要依据，而且可为同类型边坡工程提供参考。

１ 工程概况

某大型水电站坝址位于黑河干流上，坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶长度为２１０．０ ｍ、高程为２ ６３１．０ ｍ，河床坝段最低建基面高程为２ ５０８．０ ｍ，最大坝高为１２３．０ ｍ。工程规模属于大（２） 型，大坝边坡级别为２ 级，电站厂房边坡级别为４ 级。

右坝肩天然地形坡度４５° ～６０°，为一凸向左岸的山脊（见图１）。天然坡面断续分布坡积碎石土，碎土石厚度差异性较大，一般为１～３ ｍ，局部地段厚度大于５ ｍ。基岩岩性为绿泥石白云母石英片岩，坝顶高程２ ６３１．０ ｍ附近强卸荷水平深度２０～２５ ｍ，弱卸荷水平深度５０～６０ ｍ；中部地区强卸荷水平深度１３～１５ ｍ，弱卸荷水平深度５０～５５ ｍ。

堆积体、崩塌、岩体卸荷及风化，对右岸边坡稳定与施工带来巨大影响，制约工程建设的开展。例如，２０１６ 年８ 月，大坝右岸上部１＃路边坡开始开挖，开挖揭露表层岩石的强卸荷现象非常明显；９ 月下旬，右岸坡脚岩体进行了爆破挖除，爆破部位以上边坡结构面组合形成的不稳定块体发生了垮塌；１０ 月２０ 日，边坡表层破碎岩土体沿结构面发生第２ 次垮塌，估算垮塌方量约１０ ８００ ｍ３；１０ 月２３ 日，表层破碎岩土体边坡发生第３ 次垮塌，估算垮塌方量约１ ７００ ｍ３。

２ 边坡潜在滑移模式分析

２．１ 结构面信息

根据探洞资料，按照节理的倾向、倾角进行分组，右坝肩２ ６３１．０ ｍ 高程附近及以上边坡主要发育４ 组节理。第①组：３２０° ～３４０°∠６０° ～７０°，节理面起伏粗糙，充填物质以岩屑及石英为主、少量为泥质；第②组：３２０°～３４０°∠３０°～５０°，节理面起伏粗糙，充填物质以岩屑及石英为主；第③组：１３０°～１５５°∠７０°～８０°，节理面平直光滑或弯曲粗糙，充填物以石英为主，少量无充填或充填岩屑，为硬性结构面；第④组：１３０°～１５５°∠３０°～６０°，节理面平直光滑或弯曲粗糙，充填物以石英为主，少量无充填或充填岩屑。主要结构面信息见表总体来看，第①组和第③组节理较为发育。

坝轴线附近开挖揭露结构面ｆｓ０１（见图２），通过在不同高程对ｆｓ０１ 产状进行统计，其产状为３１０°～３３０°∠４５°～６０°，现场判断为逆断层，上盘岩體破碎，下盘岩体完整性较好，断层带宽０．１～１．０ ｍ，往坡下破碎带变窄，充填岩屑、断层角砾等物质，从开口线附近至开挖高程２ ６４０．０ ｍ段均有发育，开挖揭露其延伸长达９０ ｍ。

对于结构面ｆｓ０１ 开挖揭露特征，结合探洞资料认为，结构面ｆｓ０１ 在高程２ ６３１．０ ｍ 以下可能渐变为裂隙，但延伸情况不明晰，需根据开挖情况进一步确定，这次仅研究高程２ ６３１．０ ｍ 以上边坡的稳定，２ ６３１．０ ｍ以下边坡支护结合开挖资料进行动态设计。２．２ 赤平投影分析使用ＤＩＰＳ 软件大圆分析法对该边坡进行稳定性初判，从图３（ａ）可以看到结构面交点均位于稳定区，边坡不存在楔形体破坏。然而，根据地形地貌及现场情况，对ｆｓ０１、ＰＤ０５ 探洞内Ｌ１６ 等第①、②组结构面定性判断，对边坡稳定不利，故采用大圆分析法初步判断该组结构面可能存在的滑动破坏［见图３（ｂ）］，ｆｓ０１、Ｌ１６ 结构面大圆落在可能失稳区之内，Ｌ４１ 结构面大圆落在可能失稳区之外，说明边坡存在沿ｆｓ０１、Ｌ１６ 滑动的可能性。

右坝肩上下游两侧临空。根据前述稳定性初判，边坡以单一结构面或复合结构面的滑动形式为主，因此可采用二维计算方法进行边坡的稳定判别及加固措施设计。

３ 边坡稳定极限平衡分析

３．１ 计算方法

《水利水电工程边坡设计规范》（ ＳＬ ３８６—２００７）［２］ 规定，对于呈块状结构、层状结构的岩质边坡，宜采用极限平衡分析的Ｓａｒｍａ 法和不平衡推力传递法进行抗滑稳定计算。本工程左、右岸边坡岩体属块状结构，稳定性受结构面控制，也采用Ｓａｒｍａ 法进行计算。

本文使用Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ 的Ｓｌｉｄｅ ７．０ 程序进行边坡稳定分析计算，该软件含有多种岩土体本构关系，能够分析所有类型的土质、岩质、天然或人工边坡、路堤、坝体、挡土墙等，并进行水位骤降分析、参数敏感性分析和边坡失效概率分析及支护设计（具体软件计算原理和功能可参见文献［１４］）。３．２ 计算方案及参数右岸根据上游临水边坡和下游非临水边坡，分别计算正常运用条件、非常运用条件Ⅰ（降雨工况）、非常运用条件Ⅱ（正常运用条件下遭遇地震，地震加速度为０．１９ ｇ，简称地震工况）。计算工况及安全系数标准见表２。

根据ｆｓ０１ 结构面的产状，坝轴线下游块体厚度变薄，选取右岸坝轴线附近剖面进行分析。根据岩体及结构面物理力学参数建议值，结合同类边坡工程参数取值，确定计算中采用的岩体结构面参数（见表３）。

３．３ 计算结果分析

图４ 给出了剖面１—１ 不同工况计算结果，可以看到滑动面位置基本一致，说明边坡稳定性由ｆｓ０１ 与Ｌ１６ 结构面的组合决定。其中，正常工况对应的安全系数为１．２８１，超出规范要求的１．２００；降雨工况对应的安全系数为１．１３１，而规范要求为１．１５０，略小于规范要求；地震工况对应的安全系数为０．９３４，而规范要求为１．０５０，显然不满足规范要求。

进一步以地震工况为例， 采取布设高程位于２ ６３１．０～２ ６７０．８ ｍ，锚索角度为下倾１５°，锚索长度至断层ｆｓ０１ 以内５．０ ｍ 处，单根锚固力为１ ０００ ｋＮ，间排距为４ ｍ×４ ｍ 的加固方案，重新进行计算分析［见图４（ｄ）］，此时安全系数为１．０７４，满足规范要求。

图５ 给出了剖面２—２ 不同工况计算结果，滑动面位置均位于高程２ ６３１．０～２ ６５８．０ ｍ 之间。其中：正常工况对应的安全系数为２．４５８，明显超出规范要求的１．２００；降雨工况对应的安全系数为２．１５５，大幅超出规范要求的１．１５０；地震工况对应的安全系数为１．９６７，大大超出规范要求的１．０５０。因此，无须采用加固措施。

图６ 给出了剖面３—３ 不同工况计算结果。其中：正常工况对应的安全系数为１．３７３，超出规范要求的１．２００；降雨工况对应的安全系数为１．２１３，大于规范要求的１．１５０；地震工况对应的安全系数为１．０３４，略小于规范要求的１．０５０，为控制工况。进一步针对地震工况，考虑前述加固方案，重新进行计算分析，见图６（ｄ），此时安全系数为１．０８８，满足规范要求。

４ 边坡稳定离散元分析

４．１ 计算方法

３ＤＥＣ 软件是一款以离散单元法为基本理论，可以描述离散介质力学行为的计算分析软件。离散介质可以定义为连续介质的集合体，连续介质之间则通过非连续特征发生相互作用。例如：具有不同岩性的岩块（连续体）和地质结构面（非连续特征）两者构成岩体最基本的组成要素，在外力作用下，岩块表现为连续介质力学行为，岩块之间则通过结构面（非连续特征）实现相互作用，当结构面受力超过承载极限时，岩块即表现为相互剪切、错动、脱开等破坏现象（具体计算原理可参见文献［１５］）。

用离散元求解安全系数时，引入强度折减的概念，经过一系列试算，将强度参数折减成一个系数，直至找到能使模型处于极限平衡状态的安全系数，即

４．２ 计算结果分析

由于剖面２—２ 无须采用加固措施，因此本节主要针对剖面１—１、３—３ 进行离散单元法稳定性分析，对极限平衡法的计算结果进行佐证。

图７ 给出了剖面１—１ 计算模型及潜在滑移模式，对于正常工况，潜在滑动面沿着结构面向下滑出，強度折减系数为１．１６０，略小于规范要求的１．２００；对于地震工况，潜在滑动面沿着顶部和结构面滑出，强度折减系数为０．８８０，明显小于规范要求的１．０５０，此为控制工况。

针对开挖边坡进行了锚索加固计算，加固模式如前文所述和图７（ｄ）所示，加固后地震工况强度折减系数提高至１．０６０，处于稳定状态。

图８ 给出了剖面３—３ 计算模型及潜在滑移模式，其潜在滑动面沿着结构面向下滑出，对于正常工况，强度折减系数为１．３２０，满足规范要求的１．２００；对于地震工况，强度折减系数为０．９９０，小于规范要求的１．０５０。为此，重新进行了锚索加固计算分析，如图８（ｄ）所示，加固后地震工况的强度折减系数提高至１．１５０，处于稳定状态。

５ 结论

１）通过极限平衡法求解安全系数，发现剖面１—１降雨工况和地震工况安全系数均不满足规范要求，剖面２—２ 正常、降雨及地震工况均满足规范要求，剖面３—３ 地震工况安全系数为１．０３４，略小于规范要求的１．０５０。

２）离散单元法分析结果显示，剖面１—１ 正常工况及地震工况强度折减系数均不满足规范要求，剖面３—３ 地震工况强度折减系数不满足规范要求，潜在滑动面均为沿着结构面向下滑出。

３）当２ ６３１．０～２ ６７０．０ ｍ 高程区域施加下倾１５°、间排距为４ ｍ×４ ｍ（单根锚固力１ ０００ ｋＮ）的锚索后，极限分析法及离散单元法分析结果均证实边坡稳定性满足规范要求。

４）由于地质情况的复杂性，围岩类型、结构面类型、岩层产状等存在变异性，因此建议根据开挖揭露的地质情况及安全监测反馈的有关信息，进行动态设计。

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