旭龙水电站石料场高陡边坡分级开挖模拟

陈曦 喻文振 彭春林 熊新宇 何为 罗立哲

摘要：金沙江旭龙水电站徐龙石料场开采高度高达280 m，距大坝等重要水工建筑物较近，为分析在不同开挖步下，该料场高陡岩质边坡的变形及稳定性特征，建立了料场分级开挖有限元模型。结果表明：① 徐龙料场开采过程中边坡变形较大区域由原坡脚向开挖新形成的坡脚不断变化；② 随着开挖的进行，徐龙石料场最大主应变较大区域发生“分岔”，最不利滑动圆弧由原边坡坡脚逐渐移动至开挖新形成的坡脚处；③ 不同开挖步下的徐龙石料场整体稳定性满足要求。研究成果可以为类似的石料场边坡分级开挖稳定性分析提供参考。

关键词：石料场； 高陡岩质边坡； 分级开挖； 旭龙水电站

中图法分类号：TV223

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.012

文章编号：1006-0081（2024）05-0066-06

0 引言

料场是水电站大坝浇筑的重要骨料来源。为提高开采利用率、减小用地面积，水电工程料场边坡通常较为高陡［1-2］。目前国内关于水电工程料场的研究多关注料场的开采规划，例如石清文［1］根据优先利用回采料的原则，分析了枕头坝二级水电站料源规划；尹岳降等［2］以白鹤滩水电站为例，提出了基于分形理论的人工骨料比表面积计算方法；宋寅［3］采用有限元方法分析了猴子岩水电站色龙沟料场边坡稳定性；徐敬武等［4］基于大岗山水电站，研究了棱子坝人工骨料场储量情况；沈贵基等［5］研究了爆破对锦屏一级水电站大奔流沟料场开采的影响；刘大显等［6］分析了大奔流沟料场高边坡锚索锚固力增大的原因。但是，现有的研究更注重實际工程的应用，而较少考虑分级开挖过程中的受力与变形特征及其对料场边坡稳定性的影响［7-10］。

金沙江上游旭龙水电站徐龙石料场为典型花岗岩料场，边坡开采高度达280 m，为典型高陡岩质边坡。不同于一般的岩质边坡，徐龙石料场边坡具有一定的特殊性：① 受开采、征地范围限制影响，料场较为高陡；② 料场边坡整体稳定性受开挖过程影响，在不同的开挖步，边坡相应的安全系数不同并随开挖过程不断发生变化。徐龙料场边坡一旦发生失稳破坏，极有可能造成严重的生命财产、经济损失。本文以徐龙石料场为例，建立高陡岩质边坡有限元模型，分析开挖过程中料场边坡变形及稳定性特征，为料场边坡安全施工提供科学依据。

1 工程概况及地质条件

徐龙石料场（图1）位于金沙江旭龙水电站坝址区上游约700 m处的徐龙沟附近，料场岩性以花岗岩为主，料场开采区投影面积8.51万m2，开采总量549万m3，剥离量117.25万m3，花岗岩有用料开采量431.75万m3，主要为旭龙水电站混凝土拱坝浇筑提供骨料来源。料场边坡开口线顶部高程约为2 510 m，设计终采高程为2 230 m，边坡开采高度达280 m，远高于GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》适用的岩质边坡高度上限（30 m），为典型高陡岩质边坡。徐龙石料场毗邻大坝上游2号索道桥（沟通左右岸的重要交通枢纽），下距高、低导流洞入口、截流围堰约400 m。料场表面覆盖层厚度约5～15 m，由于料场与截流备料场分居金沙江左右岸，一旦产生崩塌有可能形成高危堰塞湖，从而威胁下游围堰、大坝等水工建筑物安全。根据SL 386-2007《水利水电工程边坡设计规范》，料场边坡破坏对周围重要水工建筑物影响较大，边坡级别确定为1级。

徐龙石料场为顺江发育的单面山体，属高中山地貌（图2）。金沙江流向SE140°，枯季江水位2 160 m左右；高程2 170～2 190 m为江边一级阶地，宽度20～80 m；高程2 190～2 400 m为陡崖，坡度65°～80°，其上为地形坡度35°左右的斜坡，局部为高20 m左右的陡坎，直至山顶，山顶高程3 900 m左右。

料场内地层由第四系冲洪积物（Qpal）和三叠纪印支期侵入的花岗岩（γ15）组成。第四系冲洪积物（Qpal）分布在山坡脚与江边之间的缓坡上，为一级阶地，其物质成分为含碎块石、漂石、粉砂质黏土夹花岗岩碎屑，厚度一般为20～30 m。花岗岩（γ15）呈灰白色或浅灰色，主要矿物为角闪石、长石和石英，多为中细粒、少量中粗粒和细粒结构，块状构造，岩质坚硬。花岗岩内夹有少量灰黑色混合岩，呈条带状、角砾状、肠状等不规则状分布。根据岩矿试验成果，区内花岗岩根据岩石矿物成分又可进一步分为蚀变石英闪长岩、花岗闪长岩、斜长角闪岩、石英闪长岩、斜长花岗岩、角闪片麻岩以及黑云母花岗岩等。地表花岗岩一般呈微风化状，偶见有弱风化带，弱风化带不连续，厚度为2.0～10.0 m。

2 有限元模型

徐龙石料场开挖共形成13级马道，相邻两级马道高差为15 m，高程2 305 m以上单级边坡一般坡比为1∶0.25；坡顶层卸荷带边坡坡比为1∶0.5；高程2 305 m以下单级边坡坡比为1∶0.3。考虑边坡支护施工便利，大部分马道宽为3 m；高程2 410 m的马道加宽至10 m，并设置一道被动防护网；高程2 305 m马道加宽至8 m，作为料场后期安全巡视平台。开挖边坡的支护在分层开挖过程中逐层进行，上层支护保证下层开挖安全。根据上述要求，本文建立徐龙石料场边坡有限元模型如图3（a）所示。由于开挖过程中马道从上至下逐级形成，故将料场开采分为13级开挖体。由于开挖体体型较不规则，采用有限元软件Abaqus四面体一阶线性单元对边坡进行网格划分，并对开挖体附近进行局部网格加密，得到共计约12万个四面体单元，见图3（b）。

强度折减法是分析边坡稳定性的常用手段。强度折减法认为影响边坡稳定性的参数主要是黏聚力c和内摩擦角φ，通过不断调整折减系数反复计算，直至其达到临界破坏，得到的折减系数即为稳定性系数Fs。假设此时黏聚力和内摩擦角分别为ccr和φcr，由于边坡处于临界状态，所对应的安全系数Kcr=1，则原始边坡对应的稳定性系数Fs可由式（3）求得。

式中：φ和φ′分别为折减前后的内摩擦角；c和c′分别为折减前后的黏聚力；Fi为i折减时步对应的折减系数；K为边坡安全系数；c0和φ0分别为初始黏聚力和初始内摩擦角。

有限差分软件FLAC3D采用强度折减法计算边坡稳定安全系数。将建立的开挖体模型和划分的网格单元导入有限差分软件FLAC3D，进行边坡稳定性分析。锚杆采用结构性锚索（Cable）单元进行模拟，上一级边坡开挖完成后施加边坡锚杆支护，按照“一挖一支护”依次进行。料场岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型，料场边坡边界条件为：离坡面较远的后缘侧和底部垂直于边界法向方向的位移为0。根据前期地质勘探成果，该料场以单一花岗岩为主，岩土物理力学参数如表1所示。

边坡开挖稳定性计算前，首先进行地应力平衡。初始地应力平衡结果如图4所示。开挖过程采用生死单元进行模拟，每开挖一级，对开挖体进行“挖除”操作。

3 模拟结果分析

3.1 料场边坡分段开挖位移演化特征

图5为不同开挖步对应的徐龙石料场边坡分级开挖及支护位移云图，红色为边坡变形较大区域，颜色越深，边坡位移越大。前9个开挖步，边坡位移较大区域靠近坡脚，和临空面相交（对应的料场开采高程为2 450～2 320 m）；第10个开挖步（对应的开采高程为2 320 m）后，各开挖步边坡位移较大区域穿过开挖形成的新的坡脚。因此，在料场开采过程中，边坡变形特征逐渐发生变化，变形较大区域由原坡脚逐渐转至开挖新形成的坡脚。

图6为开挖区位移云图（已扣除地应力平衡产生的位移）。随着开挖的进行，开挖扰动区的范围不断增大。前7个开挖步，开挖区下部变形扰动范围较上部变形扰动区范围大；后5个开挖步，开挖区上部土体变形扰动范围较下部扰动范围大。开挖形成的平台处扰动位移量最大。

3.2 料场边坡分段开挖及支护最大主应变演化特征

图7为不同开挖步料场边坡最大主应变云图。料场边坡最大主应变区域可以近似视为边坡滑动最不利圆弧滑动位置。与图6所反映的结果类似，前9个开挖步最大主应变较大区域通过料场边坡坡脚，这表明最不利滑动圆弧也通过边坡坡脚，和边坡的典型破坏特征相吻合。随着开挖的进行，第10个开挖步和第11个开挖步最大主应变较大区域发生“分岔”现象，其最不利滑动圆弧分别通过原边坡坡脚和开挖新形成的坡脚处，表明边坡整体稳定性由新开挖形成的坡脚控制。

3.3 料场边坡分段开挖稳定性系数

图8为采用有限元强度折减法计算的第2个开挖步到第13个开挖步边坡稳定性系数FOS（考虑到第一个开挖步开挖量较小故暂不展示）。边坡抗滑稳定性系数变化趋势见图9。在料场开采过程中，边坡稳定性系数并非随着开挖的进行呈单调增大或减小，而是有一定波动。前5个开挖步，边坡开挖量相对较小，稳定性系数在2.16左右，变化较小；第6～8个开挖步，边坡稳定性系数有一定增加（最大为2.19），这可能是由于料场前期开挖造成下滑力减小量大于抗滑力减小量；第9个开挖步到第13个开挖步，料场边坡稳定性系数由2.17逐渐降低为1.91，表明开挖引起的下滑力减小量逐渐小于抗滑力减小量。因此，应当重点对后4个开挖步进行边坡变形监测。总体来看，开挖过程中边坡稳定性系数大于规范所要求的临界值，边坡整体安全。

4 结论

本文采用有限差分软件FLAC3D计算了不同开挖阶段金沙江上游旭龙水电站徐龙石料场边坡变形及稳定性特征，主要结论如下。

（1） 徐龙石料场开挖过程中，最不利滑动圆弧由原坡脚逐渐向新生成的坡脚移动，边坡整体稳定性由原坡脚控制逐渐变为由新开挖形成的坡脚控制，开挖扰动范围不断增大。

（2） 徐龙石料场开采过程中稳定性系数满足规范要求，应当重点对后4个开挖步进行边坡变形监测。料场边坡发生整体滑移失稳可能性较小，整體稳定性较好，对周围临建水工建筑物影响也较小。

（3） 徐龙石料场边坡开挖过程中边坡变形特征不断变化，边坡下挖时应加强监测预警，并及时与数值分析结果进行比较。

参考文献：

［1］石清文.枕头坝二级水电站料源规划分析［J］.人民长江，2022，53（增2）：89-91.

［2］尹岳降，朱子晗，卢文波，等.基于分形理论的人工骨料比表面积计算方法——以白鹤滩水电站为例［J］.人民长江，2020，51（4）：196-201.

［3］宋寅.猴子岩水电站色龙沟料场边坡稳定性分析［J］.人民长江，2015，46（增1）：145-147.

［4］徐敬武，邓忠文，吴灌州.大岗山水电站棱子坝人工骨料场勘察［J］.人民长江，2014，45（22）：40-42.

［5］沈贵基，彭义，孙明瑞.锦屏一级水电站大奔流沟料场开采爆破技术［J］.人民长江，2013，44（14）：66-68，83.

［6］刘大显，孙云志，陕硕.大奔流沟料场高边坡锚索锚固力增大原因分析［J］.人民长江，2013，44（14）：18-21.

［7］李勤军，鄢双红.大奔流沟料场高边坡支护设计研究与实践［J］.人民长江，2013，44（14）：22-25.

［8］何杨，张志强，向勇.李家岩水库导流泄洪放空洞进水口边坡支护方案三维有限元模拟［J］.水利水电快报，2023，44（12）：48-53.

［9］陈红如，李坚，李冬冬，等.滇中引水石鼓水源工程强风化岩质边坡稳定分析与治理［J］.水利水电快报，2023，44（11）：64-72.

［10］姚行.杨房沟水电站大坝边坡压力分散型预应力锚索张拉验收试验研究［J］.水利水电快报，2023，44（增1）：47-50.

编辑：高小雲

Simulation on staged excavation of high and steep quarry slope of Xulong Hydropower Station

CHEN Xi1，YU Wenzhen1，PENG Chunlin2，XIONG Xinyu1，HE Wei1，LUO Lizhe1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.China South-to-North Water Diversion Jianghan Water Network Construction and Development Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China）

Abstract：

The mining height of Xulong quarry of Xulong Hydropower Station in the Jinsha River is up to 280 m，which is close to the dam and other important hydraulic structures.A finite element model of staged excavation of the quarry slope was established to analyze the deformation and stability characteristics of the high and steep slope under different excavation steps.The results showed that：① In the mining process of Xulong quarry，the large deformation area of the slope gradually changes from the original slope foot to the newly formed slope foot.② With the progress of excavation，bifurcation occured in the large maximum principal strain area of Xulong quarry，and the most unfavorable sliding arc gradually moved from the original slope foot to the newly formed slope foot.③ The overall stability of Xulong quarry met the requirements under different excavation steps.The research results can provide a reference for stability analysis of staged excavation of slope for similar rock quarry.

Key words：

quarry； high and steep rock slope； staged excavation； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-13

基金項目：长江设计集团自主科研项目（CX2017Z32）

作者简介：陈曦，男，工程师，博士，主要从事水利水电工程施工组织设计及研究工作。E-mail：chenxi5@cjwsjy.com.cn

通信作者：喻文振，男，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程施工组织设计及研究工作。E-mail：yuwenzhen@cjwsjy.com.cn