玉门抽水蓄能电站地面厂房照壁山高边坡稳定分析_宋国栋.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.005收稿日期：2022-07-11作者简介：宋国栋（1991-），男，河北石家庄人，硕士，主要从事水利电力工程设计，E-mail:。玉门抽水蓄能电站地面厂房照壁山高边坡稳定分析宋国栋（广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635）摘要：针对玉门抽水蓄能电站地面厂房上游南侧照壁山高边坡稳定性的计算分析，采用FLAC3D软件分析其在天然状态和地震工况下的安全稳定性，为地面厂房设计方案的可行性提供依据。计算结果表明:所有分析工况的安全系数均大于规范规定的安全系数容许值，边坡的稳定性能够得到保证，可以为地面厂房位置的选址提供参考依据。关键词：高边坡；稳定性分析；数值模拟；时程分析中图分类号：TU457文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0021-06鉴于玉门抽水蓄能电站厂房区地震基本烈度为度，且厂房南侧为照壁山高边坡，岩体以全风化、强风化层为主，边坡稳定条件较差，电站在运行期存在安全风险。照壁山高边坡在天然状态及抗震工况下的稳定性是地面厂房设计方案成立的重要前提。目前，大部分三维有限元软件在分析混凝土结构的强度及稳定性方面有显著优势，但是由于在计算中需要通过迭代满足本构关系，因而不适合处理复杂的岩体工程问题。基于有限差分计算原理的FLAC3D软件采用显式方法进行求解1，对于已知的应变增量，可以很方便地求出应力增量，并可以得到不平衡力，同实际中的物理过程一样，可以跟踪系统的演化过程。因此，适合处理复杂的非线性岩体开挖卸荷效应问题。利用FLAC3D软件对照壁山高边坡进行整体建模，并进一步分析了其静力响应和动力响应。1工程概况玉门抽水蓄能电站位于甘肃省玉门市昌马镇，靠近酒泉千万千瓦级风电基地，电站由上水库、下水库、地下输水系统及地面发电厂房等建筑物组成。电站装机容量1 200 MW，建成后承担甘肃电力系统调峰、填谷、储能、调频、调相、紧急事故处理等任务。电站地处祁连山与河西走廊戈壁地区，具有“高海拔、高温差、高寒冷、高蒸发、高边坡和高地震烈度”等特点。拟建地面厂房位于下水库主坝西侧，距离下水库500 m，厂区地面高程为2 289 m。照壁山高边坡位于厂区南侧，自照壁山崖顶至厂区水平距离约1 260 m，高程由2 964 m降至2 290 m，从高向低（自南向北）可以分为陡崖段、陡坡段和缓坡段。其中陡崖段高程自2 940 m降至2 840 m，高差100 m，平均坡度55；陡坡段高程自2 840 m降至2 600 m，平均坡度35；缓坡段高程自2 600 m降至2 285 m，平均坡度25。照壁山高边坡与厂房位置关系如图1所示。2计算模型及参数（1）本构模型及边界条件计算采用FLAC3D软件考虑拉伸修正的摩尔库崩积物堆积区陡崖段陡坡段崩积物堆积区山脊缓坡区下水库沟沟野马阴思道图1照壁山高边坡示意图N21伦模型作为边坡岩体的本构模型，并采用FLAC3D软件提供的自由场边界作为人工边界条件2。（2）计算模型选取厂房区南侧照壁山区域建立三维整体计算分析模型 图2（a）。模型的X坐标轴与大地坐标系的南北方向重合，总长1 340 m；模型的Y坐标轴与大地坐标系的东西方向重合，总长640 m；模型的Z坐标轴与铅直向重合，向下覆盖的最低高程为1 958 m，向上则建模至地表。覆盖范围内最低的地表高程为2 238 m，最高的地表高程为2 952 m。在计算范围内，考虑了三种主要岩性，每种岩性均考虑了风化带的厚度。进一步地，分别划分了f400、F3、f300、f301、f302、f303、f304和f305共计8条断层。每条断层的厚度和空间延伸范围，根据地质资料和地质剖面图确定，模型见图2（b）。（3）初始地应力场考虑到主要研究的内容为边坡岩体的稳定性，因此，初始地应力采用自重应力场的方法进行计算得出。（4）计算参数根据工程地质勘察结果可知，地面厂房区南侧边坡出露的地层岩性及其物理力学指标如表1所列，边坡岩体结构面的力学指标如表2所列。根据水工建筑物抗震设计标准3规定，采用动力法计算时，岩体的动态变形模量可取其静态变形模量。因此，采用动力时程计算地震作用时，岩体的动态物理力学参数值与静态值一致。（5）计算工况计算工况主要为天然状态工况和设计地震工况，其中地震工况采用50 年超越概率5%的地震设计标准，基岩水平向峰值加速度为321.5 g。厂房位置280/m6401 3408352 9522 238（a）计算网格图f400S2-qlSs1（）Bp（）O2-Lsl（）S2-qlSsl（）Bp（）O2-Lsl（）O2-Lsl（）f305f304f302f303Bp（）f301f300F3（b）模型图图2照壁山边坡三维模型示意图表1厂房边坡地层岩性的物理力学指标地层志留系S2-q1Ssl奥陶系O2-Ls1变质岩Bp岩性砂砾岩微泥晶灰岩长英质碎斑岩风化层强风化弱风化强风化弱风化微风化强风化弱风化微风化天然密度/(g/cm3)2.202.602.402.672.692.302.702.74饱和密度/(g/cm3)2.302.632.502.692.702.402.712.77弹性模量/GPa5.807.808.7012.5025.005.607.2010.00泊松比0.360.340.350.30.250.360.280.26抗剪强度/MPa0.360.340.450.550.600.350.350.452022年第9期甘肃水利水电技术第58卷表2厂房边坡结构面力学参数等级类型灰黑色，夹有断层泥，宽度大于10 cm，连续分布，夹有碎裂岩及岩块，属泥型结构面充填灰黑色碎裂岩、岩块及片状岩，断层带夹有泥质物，属泥夹岩屑型结构面灰黑、紫红色泥，连续分布，泥厚度小于1cm，属岩屑夹泥型结构面结构面强度f0.1800.2800.330c/MPa0.0150.0180.025代表性结构面F3f400、f301、f302、f303、f304、f305f300223边坡稳定性分析对于天然和地震两种计算工况，均采用拟静力法对整体三维模型进行分析计算，通过强度折减得到边坡稳定安全系数4。对于设计地震工况，在拟静力法基础上进一步采用准三维模型，通过动力时程法5-6进行计算分析，并在完成动力时程计算分析的基础上，进一步采用强度折减法求取边坡稳定安全系数7。3.1拟静力法计算结果（1）天然状态工况采用强度折减法求取边坡安全系数，当强度折减至边坡失稳临界状态时，位于模型中部区域的坡表最先进入临界状态。临界状态的失稳区见图3所示。选取临界状态失稳区的截面图（图4）进行分析，地面厂房高边坡失稳时，前缘剪出口位于高程2 530 m附近的坡表，后缘拉裂区位于高程2 780 m附近的坡表。通常情况下，在采用强度折减法对三维边坡进行稳定计算分析时，位移突变判断的根据是总位移增量和折减系数关系曲线识别突变点，且特征点选在边坡坡顶滑体上较为合理8。因此，选取高程2 780 m附近的坡表作为关键点，进一步分析其水平位移与折减系数的关系，从而得到边坡的安全系数。分析关键节点水平位移与折减系数的关系，并绘制关系曲线（图5）。在天然工况下，关键点水平位移的第1个转折点在折减系数1.32附近，此时关键点水平位移为0.25 m；第2个转折点在折减系数1.34附近，此时关键点水平位移为0.40 m。之后随着折减系数的增大，关键点水平位移随折减系数增大而急剧增大。根据关键点水平位移与折减系数关系曲线变化过程可知，在第1个转折点前，关键点岩土体基本处于弹性变形阶段，第1个转折点到第2个转折点之间，主要为弹塑性变形阶段，第2个转折点之后，边坡失去稳定，进入滑动破坏阶段。因此，取1.32为天然工况下的边坡安全系数比较合理。（2）设计地震工况在天然状态工况的基础上，进一步考虑地震荷载效应，采用拟静力法进行计算。根据地震动参数321.5 g，参考建筑边坡工程技术规范9。经计算，得到边坡综合水平地震系数为0.082。对临界状态失稳区进行分析，设计地震工况下边坡失稳模式与天然状态工况下基本一致。综合分析地震工况下关键节点水平位移与折减系数的关系（图6），关键点水平位移的第1个转折点在折减系数 1.17 附近，此时关键点水平位移为图4 临界状态失稳区的剪切带断面图2 780 m2 530 m1.21.00.80.60.40.20关键点变形量/m1.01.11.21.31.4强度折减系数图5天然工况下关键点随强度折减系数的变化图3临界状态的失稳区临界失稳区第9期宋国栋：玉门抽水蓄能电站地面厂房照壁山高边坡稳定分析第58卷230.40 m；第2个转折点在折减系数1.18附近，此时关键点水平位移为0.45 m。此后随着折减系数的增大，关键点水平位移随折减系数增大而急剧增大。因此，取1.17为设计地震工况下的边坡安全系数比较合理。3.2动力时程法计算结果（1）准三维模型建立根据三维模型的初步计算结果，选取模型在临界状态下的失稳区断面建立准三维模型（图7）。模型长度 1 400 m，高度 280920 m，地表高程范围2 2502 900 m，所考虑的地层岩性和风化带与图2的 三 维 模 型 相 同，共 划 分 了 28 910 个 节 点 和14 146个单元。整个模型的最大网格尺寸控制在8m以内，以符合动力时程分析对网格尺寸的要求。（2）加速度时程曲线设置采用动力法计算时，根据 甘肃玉门昌马抽水蓄能电站工程场地地震安全性评价报告 建议的场地基岩设计标准反应谱，采用人工合成的方法生成加速度时程曲线（图8）。计算分析时，将加速度记录输入模型，进行动力时程分析。根据水工建筑物抗震设计规范，在基岩面以下50 m深度范围的加速度代表值需要折半使用，50 m以内可按线性变化进行取值。考虑计算分析模型的底部到地表的距离超过了50 m，因此将加速度时程折半后，在模型底部进行输入。（3）动力时程法分析采用动力时程分析方法考虑设计地震荷载效应，主要分析固定时刻的边坡岩体位移分布，选取t等于5 s、10 s、15 s、20 s、25 s和30 s时刻的边坡岩体变形进行分析，并在完成动力时程计算分析的基础上，进一步采用强度折减法计算出边坡安全系数。（4）边坡岩体的动位移分布在地震作用过程中，边坡岩体总体上呈现位移一致响应的特征，边坡整体稳定性较好，边坡岩体水平向动位移分布如图9所示。由图9可知，在t=5 s时，边坡水平向动位移分布在-0.730.62 cm；t=10 s时，分布在-2.421.23 cm；t=15 s时，分布在-3.331.62 cm；t=20 s 时，分布在-3.881.83 cm；t=25 s时，分布在-4.401.91 cm；t=30 s时，分布在-5.001.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0关键点变形量/m1.001.051.101.151.201.25强度折减系数图6地震工况下关键点随强度折减系数的变化（b）准三维模型图S2-qlSs1（）S2-qlSs1（）Bp（）O2-Lsl（）O2-Lsl（）O2-Lsl（）Bp（）Bp（）f304f305f301f300F3（a）准三维模型网格图图7准三维模型示意图加速度/（m/s2）43210-1-2-3-4051015202530时间/s图8人工生成的加速度记录f4002022年第9期甘肃水利水电技术第58卷241.82 cm。边坡岩体的动位移在绝大部分时刻均指向坡外侧。在断层和结构面穿过的部位，动位移分布有一定的不连续性，主要表现为越靠近坡表，不连续性就越明显，这表明地震作用对边坡岩体的结构面影响相对显著。总体来看，在动力加载过程中边坡水平向动位移绝对量值相对较小，对边坡岩体的影响是有限的。（5）边坡安全系数在准三维模型完成加速度时程模拟后，进一步采用强度折减法对边坡进行稳定计算，从而得到边坡安全系数。如图10所示，动力响应完成后地面厂6.243E-036.000E-035.000E-034.000E-033.000E-032.000E-031.000E-030.000E+00-1.000E-03-2.000E-03-3.000E-03-4.000E-03-5.000E-03-6.000E-03-7.000E-03-7.322E-03（a）t=5 s1.230E-021.000E-027.500E-035.000E-032.500E-030.000E+00-2.500E-03-5.000E-03-7.500E-03-1.000E-02-1.250E-02-1.500E-02-1.750E-02-2.000E-02-2.250E-02-2.422E-02（b）t=10 s1.832E-021.500E-021.000E-025.000E-030.000E+00-5.000E-03-1.000E-02-1.500E-02-2.000E-02-2.500E-02-3.000E-02-3.500E-02-3.876E-021.622E-021.250E-022.500E-03-2.500E-03-7.500E-03-1.250E-02-1.750E-02-2.250E-02-2.750E-02-3.250E-02-3.333E-02（c）t=15 s（d）t=20 s1.914E-021.500E-021.000E-025.000E-030.000E+00-5.000E-03-1.000E-02-2.000E-02-2.500E-02-3.000E-02-3.500E-02-4.000E-02-4.398E-02（e）t=25 s（f）t=30 s1.821E-021.500E-021.000E-025.000E-030.000E+00-5.000E-03-1.000E-02-1.500E-02-2.000E-02-2.500E-02-3.000E-02-3.500E-02-4.000E-02-4.500E-02-4.999E-02图9边坡岩体水平向动位移分布第9期宋国栋：玉门抽水蓄能电站地面厂房照壁山高边坡稳定分析第58卷25房照壁山边坡失稳模式同样为剪切滑移，其中前缘剪切带位于高程2 340 m的坡表，后缘拉裂区位于高程2 730 m的坡表。选取2 730 m附近的坡表作为关键节点，进一步分析其水平位移与折减系数的关系，从而得到边坡的安全系数。通过分析关键节点水平位移与折减系数的关系（图11），关键点水平位移的转折点在折减系数1.12附近，此时关键点水平位移为0.15 m，之后随着折减系数的增大，关键点水平位移随折减系数增大而急剧增大。因此取1.12为设计地震工况下的边坡安全系数。经过对比分析，发现整体三维边坡模型计算得到的安全系数大于准三维模型计算得到的安全系数，且整体三维模型计算得到的边坡失稳时的剪切滑动带也与准三维模型存在一定差别，这是由于整体三维模型计算时，潜在失稳边坡受到两侧未失稳区域的约束，整体性相对更好，导致折减计算安全系数更大。4厂址选择建议从计算结果来看，照壁山高边坡的稳定性能够得到足够的保证，但陡崖段及陡坡段存在可能发生错落式崩塌的风险。根据地质调查资料可知，目前照壁山上部陡崖段虽然具备发生崩塌所需要的地形、岩性及构造等地质条件，但不稳定块体体积较小，一般小于1.0 m3，若发生崩塌仅为个别危石产生的崩塌。根据厂房区沟梁形态地形图，在照壁山山顶和陡崖段崩落的大块石、碎石等被阻隔至两侧冲沟部位堆积，崩塌物堆积区主要分布于陡崖脚-陡坡段和沟底边缘位置，在缓坡段范围内地质调查中并未发现大量崩积物。此外，由于厂房区位于野马沟北侧山脊位置，野马沟南侧山脊成为拦截崩落块石的天然屏障。鉴于不稳定块体体积较小，目前地面厂房位置基本不存在落石崩塌风险，故厂房位置选择基本合理。5结论采用数值分析方法，对玉门抽水蓄能电站地面厂房照壁山高边坡的稳定性进行了计算分析，可以得出以下主要结论。（1）天然状态工况下，地面厂房高边坡的失稳形式为剪切滑动失稳，安全系数为1.32。设计地震工况下，拟静力法计算的边坡安全系数为1.17，动力时程法计算的边坡安全系数为1.12，均能满足边坡稳定性的要求。（2）地震工况下时程分析表明，在断层和结构面穿越的部位，动位移分布有一定的不连续性，总体表现为越靠近坡表，不连续性就越明显。在动力加载过程中，边坡水平向动位移绝对量值较边坡破坏时关键点变形位移小得多，因此对边坡岩体的整体稳定性影响较小。（3）分析所有工况的安全系数，均大于规范规定的安全系数容许值，照壁山高边坡的稳定性能够得到保证，地面厂房位置选择基本合理。参考文献:1彭文斌.FLAC3D使用教程M.第2版.北京:机械工业出版社，20072刘春玲，祁生文，童立强，等.利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性J.岩石力学与工程学报，2004，23（16）:2730-2733.3水工建筑物抗震设计标准:GB 51247-2018S.4季聪,佴磊,马宏,等.FLAC3D强度折减理论2 340 m2 730 m图10剪切滑动带1.00.80.60.40.20.0关键点变形量/m1.001.051.101.15强度折减系数图11动力时程工况关键点随强度折减系数的变化（下转第30页）2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷26滑坡易发性评价结果表明，阆中市滑坡灾害整体以中易发和低易发为主。其中非易发区域面积15.21 km2，占全域面积的0.82%，主要分布在阆中市老城区以及新城区的平坝区域；低易发区域面积762.69 km2，占全域总面积的40.89%；中易发区面积948.23 km2，占全域总面积的50.83%，主要分布在低山地貌区以泥岩为主的地层中，局部陡坡部位亦有分布，分布范围主要集中在阆中市北东侧以及北西侧；高易发区面积 139.13 km2，占全域总面积的7.46%，主要分布在低山地貌区的陡坡部位，发育地层集中在以泥岩为主的区域内。4结论（1）通过选取岩组类型、地貌类型、土地利用类型、坡度和平面曲率5个影响因子，构建了阆中市滑坡地质灾害易发性评价指标体系。以层次分析法为主，结合信息量法分别计算了各影响因子权重及信息量，利用GIS平台对各栅格图层进行叠加计算，对阆中市滑坡地质灾害易发性进行了评价与分析。（2）坡度影响因子和岩组类型影响因子所占权重值分别为0.242 5和0.437 5，说明阆中市滑坡地质灾害发育的主要影响因素为斜坡坡度以及岩组类型，防灾治理应着重从这两个因素入手。（3）阆中市滑坡灾害整体以中易发、低易发为主，主要易发区域集中在低山地貌区的陡坡部位，发育地层岩性以泥岩为主。参考文献：1许树柏.层次分析法原理M.天津:天津大学出版社,1988.2郭瑞，张耀辉，丁宏伟，等.基于层次分析法的滑坡易发性评价分析J.甘肃地质,2016,34（1）:73-78.3连志鹏，徐勇，付圣，等.采用多模型融合方法评价滑坡灾害易发性以湖北省五峰县为例J.地质科技通报，2020，39（3）:178-186.4孟晓捷，张新社，曾庆铭，等.基于加权信息量法的黄土滑坡易发性评价以1 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