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.pdf

收稿日期：作者简介：廖赞（），男，四川营山人，高级工程师，主要从事水利行政管理、水资源利用研究工作：【水利水电工程】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廖 赞（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银）摘 要：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 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：文献标志码：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人民黄河，（）：，（，）：，：；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。其中：极限平衡法是水利水电工程边坡设计规范（）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；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 和有限差分软件 实现。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。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，并分析第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，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。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 、高程为 ，河床坝段最低建基面高程为 ，最大坝高为。工程规模属于大（）型，大坝边坡级别为 级，电站厂房边坡级别为 级。右坝肩天然地形坡度 ，为一凸向左岸的山脊（见图）。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，局部地段厚度大于。基岩岩性为绿泥石白云母石英片岩，坝顶高程 附近强卸荷水平深度 ，弱卸荷水平深度 ；中部地区强卸荷水平深度 ，弱卸荷水平深度 。图 右坝肩地形（高程单位：）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，年 月，大坝右岸上部 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；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；月 日，边坡表层破碎岩土体沿结构面发生第 次垮塌，估算垮塌方量约 ；月 日，表层破碎岩土体边坡发生第 次垮塌，估算垮塌方量约 。边坡潜在滑移模式分析 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 高程附近及以上边坡主要发育 组节理。第组：，节理面起伏粗糙，充填物质以岩屑及石英为主、少量为泥质；第组：，节理面起伏粗糙，充填物质以岩屑及石英为主；第组：，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；第组：，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，第组和第组节理较为发育。表 主要结构面信息结构面性质产状断层带宽 节理张开度 断层破碎带（节理面）特征描述断层铁锈，石英脉，岩屑，少量断层泥充填 断层泥，石英脉，石英片岩充填泥质、岩屑和石英 断层带为碎岩块，局部有石英岩脉，未胶结，断层面上有擦痕，为正断层石英脉、断层泥及角砾岩 灰绿色碎屑夹泥，少量碎石、石英岩块 充填有断层糜棱岩、角砾岩及断层泥，砾岩直径，断层面上有擦痕，为正断层节理平直光滑，充填泥质或石英起伏光滑，充填岩屑或泥质闭合起伏光滑，铁锈，岩屑充填，面强风化，间距 顺层发育 石英脉闭合弯曲粗糙，石英脉，岩屑充填闭合起伏粗糙，岩屑充填，面弱风化 坝轴线附近开挖揭露结构面（见图），通过在不同高程对 产状进行统计，其产状为，现场判断为逆断层，上盘岩体破碎，下盘岩体完整性较好，断层带宽 ，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 段均有发育，开挖揭露其延伸长达 。对于结构面 开挖揭露特征，结合探洞资料认为，结构面 在高程 以下可能渐变为裂人 民 黄 河 年第 期图 高程结构面 特征照片隙，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 以上边坡的稳定，以下边坡支护结合开挖资料进行动态设计。赤平投影分析使用 软件大圆分析法对该边坡进行稳定性初判，从图（）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、探洞内 等第、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（），、结构面大圆落在可能失稳区之内，结构面大圆落在可能失稳区之外，说明边坡存在沿、滑动的可能性。图 右坝肩 以上高程结构面赤平投影与大圆图解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。边坡稳定极限平衡分析 计算方法水 利 水 电 工 程 边 坡 设 计 规 范（）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 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 法进行计算。本文使用 的 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）。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（降雨工况）、非常运用条件（正常运用条件下遭遇地震，地震加速度为 ，简称地震工况）。计算工况及安全系数标准见表。表 计算工况及安全系数标准运用条件计算工况抗滑稳定安全系数正常运用条件正常工况非常运用条件降雨工况非常运用条件地震工况 根据 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）。表 围岩力学参数岩体类别天然密度（）变形模量泊松比抗剪断强度指标摩擦角（）黏聚力新鲜弱风化强风化强卸荷 裂隙 计算结果分析图 给出了剖面 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 与 结构面的组合决定。其中，正常工况对应的安全系数为，超出规范要求的；降雨工况对应的安全系数为，而规范要求为，略小于规范要求；地震工况对应的安全系数为，而规范要求为，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 ，锚索角度为下倾，锚索长度至断层 以内 处，单根锚固力为 ，间排距为 的加固方案，重新进行计算分析见图（），此时安全系数为，满足规范要求。人 民 黄 河 年第 期图 剖面 不同工况计算结果（高程单位：）图 给出了剖面 不同工况计算结果，滑动面位置均位于高程 之间。其中：正常工况对应的安全系数为，明显超出规范要求的；降雨工况对应的安全系数为，大幅超出规范要求的；地震工况对应的安全系数为，大大超出规范要求的。因此，无须采用加固措施。图 剖面 不同工况计算结果（高程单位：）图 给出了剖面 不同工况计算结果。其中：正常工况对应的安全系数为，超出规范要求的；降雨工况对应的安全系数为，大于规范要求的；地震工况对应的安全系数为，略小于规范要求的，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（），此时安全系数为，满足规范要求。图 剖面 不同工况计算结果（高程单位：）边坡稳定离散元分析 计算方法 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）。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 （）式中：为第 次试算；为黏聚力；为内摩擦角；为第 次试算强度折减系数，当处于极限平衡状态时对应的 即为安全系数。人 民 黄 河 年第 期 计算结果分析由于剖面 无须采用加固措施，因此本节主要针对剖面、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 给出了剖面 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，强度折减系数为，略小于规范要求的；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，明显小于规范要求的，此为控制工况。图 剖面 计算模型及潜在滑移模式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（）所示，加固后地震工况强度折减系数提高至，处于稳定状态。图 给出了剖面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，满足规范要求的；对于地震工况，强度折减系数为，小于规范要求的。为此，重新进行了锚索加固计算分析，如图（）所示，加固后地震工况的强度折减系数提高至，处于稳定状态。图 剖面 计算模型及潜在滑移模式 结论）通过极限平衡法求解安全系数，发现剖面 降雨工况和地震工况安全系数均不满足规范要求，剖面 正常、降雨及地震工况均满足规范要求，剖面 地震工况安全系数为，略小于规范要求的。）离散单元法分析结果显示，剖面 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 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。）当 高程区域施加下倾、间排距为 （单根锚固力 ）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。）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。参考文献：李宁，郭双枫，姚显春再论岩质高边坡稳定性分析方法岩土力学，（）：中华人民共和国水利部水利水电工程边坡设计规范：北京：中国电力出版社，：宋胜武，向柏宇，杨静熙，等锦屏一级水电站复杂地质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计岩石力学与工程学报，（）：王吉亮，杨静，李会中，等乌东德水电站左岸拱肩槽边坡稳定性吉林大学学报（地球科学版），（）：任晋岚，陈曦，王冬勇，等基于广义 准则的瞬时线性化强度折减技术岩土力学，（）：陈力华，靳晓光有限元强度折减法中边坡三种失效判据的适用性研究土木工程学报，（）：孙聪，李春光，郑宏，等基于软化本构的有限元强度折减法岩石力学与工程学报，（）：袁维，李小春，白冰，等一种考虑拉破坏的强度折减法研究岩石力学与工程学报，（增刊）：梁德明，李长冬，雍睿，等基于参数劣化的软硬相间顺层边坡稳定性研究岩土力学，（增刊）：沈华章，王水林，郭明伟，等应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究岩土力学，（）：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期程，枯水年日调节水量有限时波动幅度较大，光伏电站晴天、阴雨天气典型日出力相对稳定，水光互补模式下可有效填补日间水电出力缺口。综上所述，黄藏寺水库配套光伏电站可进一步提升水库综合利用价值，但应结合当地电力送出要求，进一步论证降低光伏电站装机容量。结论本文以黑河上游水电、光电复杂互补系统设计分析为基础，开展了黄藏寺水光互补日内优化调度研究，主要结论如下：）黄藏寺光伏电站设计仿真采用 软件完成，对于缺少实测气象数据的地区而言，光伏出力曲线波动次数、最大出力变幅和出力占比是划分晴天、多云和阴雨典型出力场景的有效方法。）提出了水光互补系统出力变化比概念，通过建立目标函数实现稳定系统出力过程、提高系统发电效益双目标，减少了模型目标函数个数，有利于直观反映水光互补并网系统和梯级水电站并网系统间的竞争关系，实现快速决策。）代表年典型出力场景模拟运行结果表明，影响黄藏寺水光互补系统出力稳定的因素包括天气、梯级水电站调峰发电过程、黄藏寺水库装机容量和可调度水量限制。）黄藏寺水库补偿光电出力时下泄流量产生小幅波动、补偿梯级水电站调峰发电时产生大流量来水过程，宝瓶河和龙首二级电站分别承担小幅波动稳流和莺落峡断面全天候平稳过流要求，利用这两个电站调节库容可消纳上游来水波动。）水光互补模式对黄藏寺水库水电发电总量影响很小，稳定光电出力波动作用显著，但应进一步考虑降低光伏电站容量配置，减轻水电补偿光电压力，利用光电日间出力优势，填补水电出力空缺，实现优化互补共赢。本研究未将宝瓶河电站稳流过程纳入调度模型，主要原因是该过程基本不影响梯级水电站并网系统发电总量计算结果，只会影响龙首二级电站蓄水位变化，但该影响更有利于降低蓄水位变化幅度，反而削弱了区间支流来水波动性影响检验。参考文献：贾一飞，林梦然，董增川龙羊峡水电站水光互补优化调度研究水电能源科学，（）：，张娉，杨婷龙羊峡水光互补运行机制的研究华北水利水电大学学报（自然科学版），（）：庞秀岚，张伟水光互补技术研究及应用水力发电学报，（）：钱梓锋，李庚银，安源，等龙羊峡水光互补的日优化调度研究电网与清洁能源，（）：陈述，赵金凡，陈云，等水光互补项目光伏并网运行增益研究可再生能源，（）：赵梦龙黑河干流梯级水电站水库多目标优化调度研究西安：西安理工大学，：李莹莹，陈子豪，杨建顺，等黑河黄藏寺水利枢纽优化调度研究人民黄河，（）：陈子豪黑河黄藏寺水利枢纽工程精细化调度研究兰州：兰州交通大学，：汪文波基于电力市场现货交易下的黑河流域梯级电站水库优化运行方案研究通信电源技术，（）：，：，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 页）胡亚东，肖燃，王剑梅某水电站右坝肩倾倒变形边坡三维离散元数值分析地质灾害与环境保护，（）：刘子金，黄少平，杨文丰，等基于 的面板坝坝肩岩质边坡稳定性分析地下空间与工程学报，（增刊）：赵健仓，来光，李永新，等基于运动学与离散元的边坡稳定性分析人民黄河，（）：蒋鑫，邱延峻，凌建明强度折减法软件在评价边坡稳定性上之比较地下空间与工程学报，（）：毛浩宇，徐奴文，李彪，等基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸地下厂房稳定性分析岩土力学，（）：【责任编辑 简 群】人 民 黄 河 年第 期