文章编号:1006—2610(2019)03—0078—03
某水电站变形体及枢纽联合进水口
边坡三维稳定性分析
张 摇 莹
1,2
, 狄 圣 杰
1,2
, 陆 摇 希
1,2
, 刘 摇 静
1,2
(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安摇 710065;
2. 国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心,西安摇 710065)
摘摇 要:某水电站枢纽联合进水口边坡发育有变形体及 3 条断层,对工程影响较大,采用 MIDAS GTS 软件通过强度
折减法对边坡的稳定性进行分析研究。 根据变形体在历史最大地震工况反算得到其临界参数,在确定了天然状态
边坡模拟与实际类比相符的基础上,指导边坡开挖设计及评价其稳定性,为工程提供有益参考。
关键词:变形体;边坡稳定性;强度折减法;数值分析
中图分类号:TU457;TV671摇 摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 摇 DOI:10. 3969 / j. issn. 1006-2610. 2019. 03. 021
Three-Dimensional Stability Analysis of The Combined Power Intake Slope
and Deformation Mass of a Hydropower Station
ZHANG Ying
1,2
, DI Shengjie
1,2
, LU Xi
1,2
, LIU Jing
1,2
(1. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an摇 710065,China; 2. National Energy and Hydropower
Engineering Technology R&D Center, High Slope and Geological Hazard Research and Control Sub-center, Xi'an摇 710065,China)
Abstract: A deformation mass and three faults have developed in the combined power intake slope of a hydropower station, which greatly
affects the project safety. The stability of the slope is analyzed and studied with MIDAS GTS program by the strength reduction method.
The critical parameters of the slope are inversely calculated based on the historical maximum seismic condition. Based on the conformity
of the slope simulation under natural state and the actual analogy, the analysis shall provide guidance for slope excavation design and
slope stability evaluation, and offer a useful reference for similar projects.
Key words:deformation mass; slope stability; strength reduction method; numerical analysis
摇 摇 收稿日期:2018-12-27
摇 摇 作者简介:张莹(1988 - ) ,女,陕西省咸阳市人,博士,工程师,
主要从事岩土工程方面工作.
0摇 前摇 言
水利枢纽中具有特定地质构造的岩质边坡工程
重要性及安全性问题突出。 李毅等
[1]
进行了涔天
河水利枢纽扩建工程 1 号泄洪洞出口边坡与隧洞联
合变形分析。 梁晓波等
[2]
对厄瓜多尔某水电站右
坝肩边坡稳定性和变形规律采用有限元进行分析。
刘艳领
[3]
对多布水电站右坝肩边坡进行了稳定性
及支护分析。 杨天俊等
[4]
对某大型水电站边坡的
变形规律进行了数值预测。 本文以某水电站变形体
及枢纽联合进水口边坡为例,进行稳定性三维数值
模拟,以期得到其稳定及主要变形情况,为工程提供
有益参考。
1摇 变形体特征及分析方法
1. 1摇 边坡变形特征
本文所研究边坡主要为微晶灰岩夹灰质砾岩体,
边坡断裂构造发育,发育有断层 F45、F47、F17。 联合
进水口部位强风化岩体厚度 8 ~ 15 m,风化主要集中
在断层带、卸荷带部位。 上部边坡发育玉号变形体,所
在坡体为顺层斜向岸坡,平面呈中间宽、上下窄的长
条状,中间部位约 196 m,后缘宽 85 m,前缘宽 50 ~
145 m,顺坡长约 370 m,在坡体中后部还发育 F45 断
层,削弱了顺层斜坡岩体结构的完整性,为潜在不稳
定边坡,变形机制较复杂。 受特定的岩性组合、坡体
结构、河谷临空条件等的影响,玉号变形体在 F45 断层
试验与研究
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 西北水电·2019 年·第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
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之上、中后部坡体浅表部以倾倒、拉裂变形为主;该变
形体整体的变形特征为前缘沿缓倾结构面、后缘沿岩
层层面的蠕滑拉裂型模式
[4]
。
1. 2摇 模型情况
建立三维模型 长 460 m、宽 400 m、高 580 m。
建立的天然模型及开挖模型见图 1。 对于开挖边
坡,考虑到溢洪道在水电站进水口下游紧邻电站进
水口,溢洪道边坡及趾板的开挖对进水口边坡有较
大影响。 本分析岩体采用实体单元,结构面采用接
触单元,分别应用摩尔库伦弹塑性、弹塑性滑移接触
模型,计算模型网格的节点数为 202 606 个,单元数
为 1 078 891 个。
图 1摇 三维几何模型图
1. 3摇 分析方法及参数选取
针对天然及开挖情况,进行了正常蓄水位、施工
完建期、正常蓄水位 +暴雨或久雨、正常蓄水位 +地
震及水位骤降工况的仿真分析。 稳定性采用强度折
减法
[5]
,以得到变形体及枢纽联合进水口边坡变形
的范围、潜在滑动面的位置、变形趋势及安全系数。
参数选取原则,首先对天然边坡进行了历史地
震、天然及暴雨工况计算,其次以收集到的历史最大
地震为控制反演工况,以变形体临界稳定状态为反
演目标进行参数反演,最后结合室内试验及原位测
试成果确定天然及开挖边坡的数值分析参数。 计算
参数如表 1 所示,其中断层的法向刚度模量为 700
~ 800 MN / m
3
,剪切刚度模量为 500 ~ 640 MN / m
3
,
黏聚力为 30 ~ 50 kPa,摩擦角为 20毅 ~ 25毅。
表 1摇 选取参数表
岩 土 体 类 型
弹 性
模 量
/ G P a
泊
松
比
天 然
容 重
/ (kN· m
-3
)
黏 聚 力
/ k P a
摩 擦 角
/ ( 毅 )
饱 和
容 重
/ (kN· m
-3
)
黏 聚 力
/ k P a
摩 擦 角
/ ( 毅 )
强 风 化 岩 体 4 0 . 2 8 2 6 . 1 1 4 0 2 8 . 0 2 6 . 2 1 1 9 2 3 . 8
弱 卸 荷 岩 体 8 0 . 2 8 2 6 . 2 4 0 0 3 5 . 0 2 6 . 3 3 6 0 3 2 . 2
弱 风 化 岩 体 1 3 0 . 2 6 2 6 . 5 9 0 0 4 5 . 0 2 6 . 6 8 1 0 4 2 . 0
微 新 岩 体 2 5 0 . 2 5 2 7 1 1 0 0 5 0 . 2 2 7 . 1 9 9 0 4 7 . 2
2摇 天然边坡对比分析
玉号变形体及枢纽联合进水口边坡在各工况下
的安全系数在 0. 99 ~ 1. 08 之间,处于临界稳定状
态,其中历史地震工况的安全系数最小,说明反算参
数值及整体取值合理。 图 2( a) 所示坡体的变形主
要集中在玉号变形体中,最大变形处于玉号变形体
中 F45 及 F17 断层交界处,最大剪应变( 图 2( b))
也集中在玉号变形体中下部,最大深部延伸至卸荷
岩体与弱风化岩体的界面。
由于断层的存在使得岩体发生了破碎强度降
低,加之坡体前缘临空条件好,有变形的空间,坡体
向前缘发生剪切蠕变,与勘察描述的“ 该变形体整
体的变形特征为前缘沿缓倾结构面、后缘沿岩层层
面的蠕滑拉裂型模式冶 基本一致。 坡体处于临界稳
定状态,存在变形破坏的问题,在确定了天然状态边
坡模拟与实际类比相符的基础上,开展边坡处理分
析及评价其稳定性。
3摇 开挖边坡结果分析
3. 1摇 边坡开挖设计思路
根据最大变形位置、范围、深度及稳定性情况等
数值模拟成果,结合边坡地质条件,考虑岩层产状、
坡度、高度、功能及变形情况等因素进行设计。 将变
形体中上部的变形岩体挖除,其余坡体仅作局部削
坡处理,基本开挖梯段高度为 20 m,分段开挖坡比
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西北水电·2019 年·第 3 期
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为 1 颐 0. 3 及 1 颐 0. 7。 马道宽分段设计为 2. 0 m 及
6. 0 m,趾板边坡基本开挖梯段高度为 20 m,开挖坡
比为 1 颐 0. 3,马道宽 3 m。
3. 2摇 开挖边坡稳定性成果
开挖边坡在各个工况下的稳定性计算结果如表
2 所示,将变形体中上部的变形岩体挖除及削坡处
理后,边坡在各个工况下均处于稳定状态。
表 2 玉号变形体及枢纽联合进水口开挖边坡稳定性结果表
计算
工况
正常
蓄水位
施工
完建期
正常蓄水位+
暴雨或久雨
水位
骤降
正常蓄水
位+地震
安全系数 1. 488 1. 452 1. 413 1. 446 1. 250
开挖边坡的最大位移仍然集中在未开挖的玉号
变形体处,最大剪应变也出现在此处(见图 3) 。 但
是整体的位移趋势量由天然边坡的 0. 87 m 减小至
0. 19 m,且整体范围下移。 这是由于开挖将坡体浅
表层的风化和卸荷岩体挖除,露出强度较高的岩体,
不易发生变形破坏,整体变形减小但范围扩大,可在
此处设置支护措施以控制其变形。 就整体稳定性及
变形而言,表明数值分析方法对工程开挖设计处理
具有较好的指导意义。
图 2摇 天然边坡控制工况云图
图 3摇 开挖边坡云图
4摇 结摇 语
本文针对某水电站变形体及枢纽联合进水口边
坡,通过地质分析及三维数值分析进行评价,得到以
下的结论:
(1) 本文分析选取的计算参数,是通过边坡历
史控制工况反算,并结合试验成果综合取值所得,进
行天然边坡分析其处于临界稳定状态,其变形特性
及规律与勘察结论一致。 一是验证了参数取值的合
理性,二是在确定了天然边坡模拟与实际类比相符
的基础上,可指导进行边坡开挖设计及稳定性分析。
(下转第 88 页)
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张莹,狄圣杰,陆希,刘静. 某水电站变形体及枢纽联合进水口边坡三维稳定性分析
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其横断面、纵断面及工程量进行实时观察,并可由软
件计算得工程量导出为 excel 文件,对各断面工程量
分析、统计。
2. 5摇 设计成果输出
目前,Infraworks 还不具备工程图成图的功能,
但可使用其“IMX 导出冶功能对设计曲面导出,如图
4 所示,导出后 IMX 文件使用 Civil 3d 导入,利用已
定制标签样式和标注样式进行工程图剖切及标注
等,大大提高了图纸的动态关联特性,提升设计、出
图效率。
图 4摇 设计曲面输出图
3摇 结摇 语
在水利工程中运用三维可视化设计不仅是设计
手段、设计工具的更新,更是一种工作状态、工作模
式的改变,它提高了设计的综合效率,带给参建各方
直观、形象的同时还能有效解决复杂工程的空间布
置问题,使设计过程更加精准、高效,提升了产品的
使用价值及设计服务水平。
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63.
(上接第 80 页)
摇 摇 (2) 通过三维有限元计算得到天然边坡位移集
中在玉号变形体及断层交汇处,最大剪应变也集中
在玉号变形体中下部,最大深部延伸至卸荷岩体与
弱风化岩体的界面,坡体向前缘发生剪切蠕变,结合
计算分析反馈的应力变形规律、位置、范围及深度等
因素,确定了对应的开挖设计方案。
(3) 依据开挖设计方案进行分析计算,开挖坡
体的安全系数在 1. 25 ~ 1. 48,稳定性较好,满足规
范标准要求。 局部表现为卸荷回弹变形,可通过采
取支护措施加以控制。
(4) 通过制定的边坡工程 5 个分析研究步骤,
包括边坡临界参数反演、天然边坡实际对比、变形稳
定趋势分析、反馈指导开挖设计及整体方案验证,可
作为指导边坡工程分析评价合理、可靠的方案流程。
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