双龙水电站坝肩边坡开挖角度优化设计研究

王丽秋

(朝阳天浩水利建筑有限公司，辽宁 朝阳 122000)

1 工程背景

双龙水电站为河床式水电站设计，其坝址位于辽宁丹东太平哨镇二龙渡村境内，是半拉江梯级开发的重要工程，建成之后可以有效缓解当地的用电紧张情况[1]。双龙水电站大坝为沥青混凝土心墙土石坝，最大坝高56.0 m，坝顶宽8.0 m。水库的正常蓄水位为157.50 m，校核水位为158.50 m。大坝右坝肩存在长度约150 m的顺层岩边坡，平均厚度约6.0 m，坡向110°～115°，坡角约32°，其岩性主要为大理岩，由于岩质较为疏松，因此经常发生崩塌滑落现象。工程区的河床和两岸基岩主要是三叠纪变质岩，同时存在少量后期侵入煌斑岩脉，第四系松散堆积层主要是河流冲积物。受到当地地质构造特征的影响，工程区结构面较发育，存在明显的断层、裂缝和层间挤压错动。这些结构面中以断层F3和煌斑岩脉H2的规模最大，影响最为显著。由于工程区地质结构复杂，地应力水平较高，风化卸荷也比较严重。受到上述诸多不利因素的影响，该边坡开挖难度大，如果开挖方式不当，就会对工程区边坡稳定性造成不利影响。基于此，此次研究旨在探讨边坡不同开挖角度对稳定性的影响，以便为工程设计和建设提供支持和借鉴。

2 FIAC3D有限元计算模型

2.1 模型的构建

FLAC有限元软件模拟边坡渐进失稳破坏及大变形方面具有独特优势，其程序包含了锚索单元、弹性体单元以及桩单元，可以较好模拟岩体工程方面的人工结构[2]。因此，研究中采用FLAC有限元软件构建边坡的有限元模型。在模型的构建过程中，首先基于前期工程资料，利用CAD进行几何模型的构建，然后导入ANSYS软件再转接入FLAC的方式进行[3]。

在模型的构建过程中，需要详细阅读地质勘查报告、设计图纸以及施工组织设计，并在此基础上抓住研究中需要重点解决的问题，而忽视对研究对象影响不大的次要因素，从而将复杂的实际问题简化为可操作的数值计算模型[4]。研究中根据圣维南原理确定模拟研究的范围，也就是分布在弹性体上的一小块体积内的荷载所引起的物体中的应力，在距离荷载作用相对较远的区域，一般仅和荷载的合力矩有关，而荷载分布情况仅影响荷载作用区附近的应力分布[5]。根据项目区的实际情况，其最大挖方深度为42.3 m，上覆层厚度为2～5 m，拟采用1∶0.6左右的坡比进行放坡处理。现取K33+102断面右侧的最大挖方边坡进行计算和分析。为了方便后续建模，利用AutoCAD 软件进行原始边坡及开挖过程的简化。

对于模型网格的剖分，可以利用CAD软件配合FLAC3D进行网格前处理，而网格的剖分主要依据坡体岩层的分布状况，不仅要做到对边坡真实情况的还原，同时还应该尽量合理细致，最大限度减小计算结果的误差[6]。最终，整个模型划分为607 720个网格单元，612 097个节点。图1为有限元模型示意图。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件和计算参数

由于项目区表层地下水较为贫乏，对计算结果的影响极为有限，因此可以忽略其对边坡稳定性的影响[7]。计算中将岩体视为各向同性材料，采用摩尔-库伦强度准则。模型的初始应力场为构造应力场和自重应力场，鉴于边坡开挖范围均在卸荷岩体内，不会引发高地应力现象，因此主要考虑自重应力场的影响。模型的边界条件采用位移约束条件[8]。其中，模型的底面施加全位移约束，侧面施加水平位移约束，上表面为自由边界条件，不施加位移约束。以相关资料为依据，同时结合工程区工程地质条件的详细调查结果，最终确定如表1所示的模型材料物理力学参数。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算方案

根据背景工程的初步设计资料，该边坡的开挖角度为55°，为了进一步分析开挖边坡坡度对边坡稳定性的影响，以上述设计为基础，选择50°和60°两个不同的开挖角度，对上述三种不同开挖角度下的边坡稳定性进行计算分析，以获得最佳设计方案。

3 计算结果与分析

3.1 位 移

利用构建的有限元模型对3种不同开挖角度方案下的边坡位移量进行计算，从计算结果中提取出各向位移的最大值，结果如表2所示。从计算结果可以看出，随着开挖角度的增大，Y向位移呈现出不断增大的变化趋势，而X向位移、Z向位移和总位移均呈现出先减小后增大的变化特点。究其原因，主要是开挖角度60°与开挖角度55°相比，开挖完成之后的边坡陡峭程度更大，造成边坡的坡脚应力比较集中，同时还会产生更为明显的卸荷回弹，因此会产生更大的位移变形。但是，在开挖角度为50°的情况下，会造成煌斑岩脉和F3断层的出露，特别是在煌斑岩脉出露的部位，局部位移量相对较大，会造成十分明显的临空面位移(X向)，因此边坡局部发生崩塌滑落的可能性较大，容易造成局部失稳。从三种方案位移量的计算结果对比来看，开挖角度为55°时位移量的最大值相对较小，特别是临空面位移量明显较小，这对于保持边坡的稳定性较为有利。

表2 边坡位移最大值

3.2 应 力

利用构建的有限元模型对3种不同开挖角度方案下的边坡应力进行计算，从计算结果中提取出应力的最大值，结果如表3所示。从计算结果可以看出，随着开挖角度的增大，边坡的最大主应力和最小主应力值均呈现出先减小后增加的变化特点。当开挖角度为55°时的最大主应力和最小主应力最小，当开挖角度为50°时的最大主压应力和最小主应力值最大。从具体的应力分布来看，三种开挖方式下煌斑岩脉附近均存在应力突变现象，应力明显集中，应变增量相对较大。但是，开挖角度为55°和60°时，边坡的未开挖地表应力较小。当开挖角度为50°时，由于煌斑岩脉出露地表，因此边皮的应力分布受到明显影响，同时开挖坡脚部位的应力集中现象也更为明显，不利于边坡的稳定性。

表3 边坡应力最大值

3.2 安全系数

利用构建的有限元模型对3种不同开挖角度方案下的边坡安全系数进行计算。计算结果显示，当开挖角度为50°、55°和60°时边坡安全系数分别1.223、1.875和1.422。从计算结果来看，当开挖角度为55°时，开挖后边坡的安全系数最大，与1.30的工程设计值相比有较大的冗余量。当开挖角度为60°时，开挖后边坡的安全系数虽然也大于工程设计值，但是冗余量较小。当开挖角度为50°时，开挖后边坡的安全系数小于工程设计值。综合位移和应力计算结果，建议在工程设计中采用55°的开挖角度设计方案。

4 结 语

在水利水电工程建设过程中，经常需要对高边坡进行放坡开挖。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式对三种不同角度开挖方式下的边坡稳定性进行计算和分析。结果显示，开挖角度为55°时的位移量最小、应力水平最低，安全系数最高，为最佳工程设计方案，推荐在工程设计中采用。当然，受到计算量等因素的影响，此次研究中没有考虑边坡小断层、节理裂隙以及层间挤压错动带等细节之处的影响。因此，计算结果的准确性仍需要经过工程实践的检验。