黃文洪，周順田，康志亮，陳 熠，潘 兵

(1.華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 352100；2. 浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122；3. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi)，裝機容量1 200 MW，為I等大(一)型工程。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物組成，主體建筑物均為1級建筑物。下水庫位于七步溪河谷上，為山區(qū)峽谷型水庫，水庫兩岸群山環(huán)抱，山體雄厚，無低鄰谷和低于正常蓄水位的埡口，庫區(qū)總體為長條形峽谷。下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程306 m，最大壩高108 m，壩頂長度216.50 m，壩頂寬度9 m。

受本工程庫容要求和水位變幅、水庫回水對龍溪二級電站攔河壩的影響、泄洪消能對龍溪二級電站廠房的影響等因素，下水庫壩址選擇是唯一的。壩址區(qū)地質(zhì)條件復雜，發(fā)育多條二級斷層和巖脈等不利地質(zhì)構(gòu)造，局部天然邊坡強卸荷巖體分布深度較深，特別是右岸壩頭邊坡設(shè)計開挖深度較淺，開挖后坡面仍以強卸荷巖體為主，預計在開挖過程中會遇到一系列邊坡穩(wěn)定問題。因此，有必要采用三維離散元數(shù)值分析方法，深入開展節(jié)理巖質(zhì)高邊坡開挖變形響應(yīng)特征及穩(wěn)定性分析評價工作[1-8]，為施工期邊坡開挖支護方案的制定提供依據(jù)，同時也可為其他類似巖質(zhì)高邊坡工程提供借鑒作用。

1 工程地質(zhì)條件

下水庫壩址位于七步溪主河道上，七步溪河道在壩址段蜿蜒曲折，流向為N12°E～N67°E，壩址兩岸地形基本對稱，山體雄厚，左岸山頂高程在450 m以上，右岸山頂高程在550 m以上，河谷呈較狹窄的“V”字形，自然邊坡穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 下水庫壩址區(qū)兩岸邊坡原始地貌圖

壩址基巖巖性以燕山晚期第三次侵入的鉀長花崗巖為主，輝綠巖脈和石英二長斑巖脈較發(fā)育，巖體以完整性差～較完整為主。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，淺層卸荷作用較強烈，卸荷裂隙多為陡傾角，主要沿原生構(gòu)造面產(chǎn)生，一般充填巖塊、次生泥。根據(jù)壩址區(qū)兩岸平洞揭露，左岸強卸荷水平深度2.0～9.6 m，弱卸荷水平深度6～19 m；右岸強卸荷水平深度5.0～9.5 m，弱卸荷水平深度6.5～24.0 m，局部受巖脈侵入影響，最大卸荷深度達48 m。大壩軸線工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 下水庫大壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 計算范圍選取與模型建立

計算模型的計算范圍一般應(yīng)包括全部整個工程影響區(qū)域，且應(yīng)適當放大，以盡量避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，數(shù)值計算模型范圍為：450 m×250 m×300 m(x×y×z)，模型底部高程為100 m。模型的坐標系x軸為順河向，坐標系y軸為橫河向向，z軸為鉛直向，三維數(shù)值分析模型如圖3所示。根據(jù)設(shè)計院提供的由上至下分期開挖方案，確定了圖3中所示的分序開挖計算方案，對應(yīng)于數(shù)值模擬開挖分析中的各典型開挖步。

圖3 計算模型圖

2.2 巖體參數(shù)選取

巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)工程勘探揭露的巖性和巖體風化特征，對巖體質(zhì)量進行分類，基于現(xiàn)場和室內(nèi)巖石力學試驗結(jié)果，最終確定了各類巖體的力學參數(shù)，見表1。

表1 巖體力學參數(shù)取值表

2.3 結(jié)構(gòu)面模擬及參數(shù)取值

本次分析采用ITASCA開發(fā)的3DEC離散元數(shù)值分析軟件，該軟件內(nèi)置節(jié)理單元，可以方便地建立節(jié)理巖體數(shù)值計算模型，并可以描述結(jié)構(gòu)面的張開、壓縮、剪切滑移等基本現(xiàn)象，從而直觀地反映結(jié)構(gòu)面的變形特征和破壞形態(tài)。在本次研究中，主要將壩址區(qū)發(fā)育的斷層等影響較大結(jié)構(gòu)面建入模型中，針對結(jié)構(gòu)面的模擬將選用接觸面模型，接觸面的破壞準則基于庫侖剪切強度準則。模型中主要模擬的結(jié)構(gòu)面及其參數(shù)取值見表2、表3。

表2 壩址區(qū)發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面表

表3 結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)表

2.4 河谷地應(yīng)力場分析

地應(yīng)力場是巖土工程最為重要的荷載之一，其準確性將直接影響到計算成果的可靠性。參考國內(nèi)外各種文獻的地應(yīng)力統(tǒng)計值[3]，河谷形成前的初始地應(yīng)力狀態(tài)可以描述為：

(1)

式中：σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σV為垂直向應(yīng)力，MPa；h為埋深，m；γ為巖石密度，MN/m3；k1、k2、T1、T2為常數(shù)，描述了河谷形成前小區(qū)域地應(yīng)力場的狀態(tài)。

假設(shè)該工程區(qū)域初始地應(yīng)力場符合公式(1)的描述，根據(jù)廠房區(qū)域地應(yīng)力實測成果，回歸得到工程區(qū)域的地應(yīng)力分布特征(見圖4)，測點孔口垂直向埋深239 m，最大水平主應(yīng)力方向為N16～22°W。

圖4 初始地應(yīng)力場隨深度分布特征圖

將該應(yīng)力分布特征作為數(shù)值分析的初始地應(yīng)力輸入條件，計算得到壩址區(qū)的河谷地應(yīng)力場分布特征，如圖5所示。壩址區(qū)左右岸邊坡應(yīng)力量值基本相當，以NNW～NNE向水平構(gòu)造應(yīng)力為主，兩岸坡表淺層一定深度范圍內(nèi)卸荷特征明顯，岸坡應(yīng)力從上至下初始地應(yīng)力水平呈增高趨勢，邊坡開挖區(qū)域，最大主應(yīng)力約為2～5 MPa，最小主應(yīng)力一般在1 MPa以內(nèi)，河床部位表現(xiàn)出一定河谷應(yīng)力集中特征，量值一般在6～8 MPa，開挖區(qū)整體應(yīng)力水平不高。

圖5 天然邊坡壩軸線剖面初始地應(yīng)力場分布特征圖

3 邊坡開挖變形特征及穩(wěn)定性分析研究

3.1 邊坡開挖變形特征分析

邊坡開挖主要是剝離自然邊坡淺部質(zhì)量相對較差的卸荷風化巖體，一般淺部巖體開挖所導致的應(yīng)力釋放很小，不可能導致相對新鮮巖體的應(yīng)力型屈服，但開挖在剝離淺部質(zhì)量相對較差巖體的同時，也可能改變一些結(jié)構(gòu)面、特別是結(jié)構(gòu)面組合塊體的臨空狀態(tài)，從而影響它們的穩(wěn)定性，現(xiàn)實中開挖導致的這種影響往往成為工程中最需要關(guān)心的問題。

圖6給出了下水庫右岸邊坡開挖過程中累計變形分布情況，在邊坡上部278 m高程以上開挖過程中，由于開挖深度較淺，應(yīng)力釋放導致的變形量相對較小，計算結(jié)果揭示坡體變形多在毫米級；隨著邊坡持續(xù)下挖，坡體變形呈逐漸增長趨勢，特別是坡腳區(qū)域開挖過程中，受坡體賦存應(yīng)力條件影響，整體開挖變形量值比前一階段相對偏大，坡腳區(qū)域壩基邊坡變形一般可達到10 mm量級水平；整個邊坡開挖過程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，變形較大區(qū)域主要位于開口線附近，但未表現(xiàn)出明顯結(jié)構(gòu)面控制的非連續(xù)變形或滑移變形特征，顯示了邊坡較好的整體穩(wěn)定特征。

圖6 右岸邊坡開挖過程中巖體變形響應(yīng)特征圖

3.2 邊坡整體穩(wěn)定性分析

本次研究主要采用“強度折減法”來分析邊坡的整體穩(wěn)定性，通過對巖體和結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)進行折減、即人為惡化邊坡條件的方式，使邊坡變形增長、乃至出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并根據(jù)臨界狀態(tài)的變形場分布或變形速率分布情況判斷出邊坡潛在失穩(wěn)模式，以達到認識和評價邊坡穩(wěn)定特征的目的。

圖7、圖8是開挖邊坡不同強度折減系數(shù)下的位移云圖(強度折減系數(shù)范圍為1.0～1.6)，其中顯示了該邊坡在巖體條件不斷惡化時的變形發(fā)展過程。在強度折減系數(shù)為1.6的情況下，計算結(jié)果沒有指示任何潛在滑動破壞的位移場特征，整體變形能趨于收斂，且變形量值偏低，可以認為該邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?，右岸邊坡開挖，并不會對邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生明顯影響，邊坡安全性較高(Fos>1.6)，工程區(qū)域發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面均為陡傾角，基本不會在開挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩(wěn)定問題。

數(shù)值計算中并沒有考慮節(jié)理等淺層延伸較短結(jié)構(gòu)面的影響，現(xiàn)實中節(jié)理可能會導致淺表小塊體的破壞，特別是開口線區(qū)域，一般為強卸荷巖體，節(jié)理裂隙相對發(fā)育，局部淺層巖體存在塊體失穩(wěn)風險，在邊坡開挖前應(yīng)及時施作鎖口支護，開挖過程中根據(jù)實際揭露地質(zhì)情況可適當控制爆破、加強噴層、乃至掛網(wǎng)支護，以維持邊坡良好的開挖形態(tài)。

圖7 右岸工程邊坡不同強度折減系數(shù)下坡體位移分布圖

圖8 右岸工程邊坡不同強度折減系數(shù)下坡體位移分布圖(典型剖面)

4 結(jié) 語

采用三維離散元數(shù)值分析方法，對周寧抽水蓄能電站下水庫右岸邊坡施工期開挖變形特征及穩(wěn)定性進行了詳細分析，主要結(jié)論如下。

1)周寧抽水蓄能電站下水庫右岸邊坡開挖過程中，坡體以向臨空面的卸荷回彈變形為主，邊坡變形隨高程由上至下呈現(xiàn)逐步遞增的規(guī)律，中下部開挖的卸荷作用相對明顯，邊坡典型部位的開挖變形量值總體在10 mm以內(nèi)，其中壩基面的變形特征總體良好，未見明顯的松弛卸荷變形問題。

2)邊坡整體穩(wěn)定性較好，工程區(qū)域發(fā)育主要結(jié)構(gòu)面均為陡傾角，基本不會在開挖坡面揭露，不存在大的深層塊體穩(wěn)定問題，強度折減分析結(jié)果表明，邊坡開挖完成后，整體安全系數(shù)仍可維持在1.6以上，滿足設(shè)計要求。

3)邊坡開口線區(qū)域，一般為強卸荷巖體，節(jié)理裂隙相對發(fā)育，局部淺層巖體存在塊體失穩(wěn)風險，是工程中需要重點關(guān)注的問題，開挖過程中可根據(jù)實際揭露地質(zhì)情況適當控制爆破、加強噴層、乃至掛網(wǎng)支護。