洪家渡水电站左坝肩高边坡稳定及加固措施研究

第24卷增刊 岩 土 力 学 Vol.24 Supp. 2003年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003

收稿日期：2003-03-28 作者简介：杨 健，男，1970年生，地质工程专业博士，高级工程师，现从事水利水电岩土工程的科研和生产工作。

文章编号：1000－7598－(2003)增2󰀀0212󰀀05 洪家渡水电站左坝肩高边坡稳定及加固措施研究 杨 健 ， 陈祖煜 (中国水利水电科学研究院岩土所， 北京 100044)

摘 要： 贵州洪家渡水电站左坝肩高边坡开挖高度310 m，采用弹塑性有限元数值模拟方法对左坝肩高边坡施工期岩体应力应变状态进行分析研究，并结合现场变形观测资料对计算结果进行验证，从而对左坝肩高边坡的稳定性进行评价并提出相应的加固措施。 关 键 词： 有限元法； 高边坡； 洪家渡； 变形监测 中图分类号： TV 233.3+4 文献标识码： A

A study of stability and reinforcing measures of high slope in left abutment of Hongjiadu hydropower station

YANG Jian , CHEN Zu-yu (China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044, China)

Abstract: This present paper adopts elasto-plastic FEM mumerical simulation calculation to conduct analyses on the stress-strain state of the high rock slope in the left abutment of Hongjiadu hydro powerstion in Guizhou. The calculation results are corrorated by in-situ measuring date of rcok deformations. The stability of the high abutment slope is evaluated according to calculation and in-situ measuring results and the corresponding reinforcing measures are put forward. Key words: FEM; high slope; Hongjiadu; deformation monitoring

1 引 言

洪家渡水电站是乌江梯级开发的龙头电站，位于乌江干流北源六冲河下游。电站以发电为主，兼顾防洪、供水、养殖、旅游等。最大坝高182.3 m，正常蓄水位1 140 m，总库容49.25亿m3，总装机容量540 MW(3×180)，年发电量15.94亿kW/h，控制流域面积9 900 km2，具有坝高、库大的特点[1]。 洪家渡水电站除大坝外，其余水工建筑物包括所有泄水洞群(洞式溢洪道，泄洪洞，由导流洞改建的放空洞)，引水系统，以及地下厂房和地面开关站等全部集中在左岸。洪家渡左岸陡高边坡开挖高度达310 m，它将水利水电工程的最大开挖边坡高度提高了140 m，在中国水利水电工程中具有历史性的意义。左岸高边坡一旦失稳，将对整个工程的建设和运用带来难以设想的后果。因此，左岸高边坡的稳定成为工程顺利进展和今后水库正常运行至关重要的问题，也是洪家渡工程最具有挑战性的课题之一。 2 工程地质概况 研究区左岸为高达百余米的陡壁，坡度70 °～80 °。出露地层从下游往上游，分别为二迭系上统龙潭组、长兴～大隆组，三迭系下统夜郎组、永宁镇组。与边坡稳定计算有关的地层有三迭系下统夜郎组，永宁镇组。洪家渡水利水电枢纽工程坝址区的岩性较好，为新鲜、完整的灰岩、泥质灰岩，岩石的整体性和坚硬度都比较高。 研究区内与左岸山体稳定有关的断层主要有

3F逆断层，6F正断层和8F平移正断层。裂隙主要有五组，其中包括岩层层面，节理面，多以陡倾角裂隙为主，缓倾角、反倾角裂隙发育较少。研究区地下水主要表现为岩溶裂隙流及岩溶管道流。地下水位受旱、雨季影响，水位变幅一般为1～10 m。 增刊 杨 健等：洪家渡水电站左坝肩高边坡稳定及加固措施研究　213 2 建立有限元计算模型 2.1 计算边界条件 洪家渡工程左坝肩为310 m岩质陡高开挖边坡，坝顶高程1 147 m以上140 m左右开挖坡度为1：0.25，坝顶高程1 147 m以下开挖坡度1：0.5，剖面图见图1。

图1 左坝肩剖面图 Fig. 1 Map of profile of left abutment

由于岩质边坡中存在地应力，边坡开挖将导致部分岩体卸载，从而使一定范围内的应力场发生变化。正确模拟这种开挖效果是分析岩质边坡问题的重要问题之一。模拟加荷方式是：边坡未开挖前处于初始应力状态，并假定初始应力仅由岩体自重产生，随着边坡和隧洞开挖，边坡及其坡面上隧洞周边初始应力解除，破坏了初始自重应力状态，边坡岩体中应力发生重分布。因此，总的应力状态为初始自重状态迭加上由于开挖卸荷作用所产生的应力状态。边坡各点在自重应力作用下变形已完成，因而，各点位移可看作均由开挖卸荷所引起。 边坡稳定分析采用加拿大多伦多大学开发的PHASE2程序。该程序使用边界元和有限元结合的

方法进行模拟边坡和地下洞室开挖过程的应力－应变分析。左岸开挖边坡有限元计算网格剖分图见图2。网格划分总结点数为1 149个，单元形式是三节点三角形网格，共1 118个。下边界在X、Y方向固定；左边界在X方向固定，Y方向不受限制，可自由移动。此问题可按平面应变问题来考虑。

图2 有限元计算网格图 Fig. 2 FEM calculation mesh diagram

2.2 计算参数 计算采用的左坝肩边坡岩体物理力学参数见表1。

表1 计算采用的左坝肩边坡岩体物理力学参数表 Table 1 Physical and mechanical index of left abutment rocky slope used for calculations

地 层 弹性模量 E / MPa 泊松 比/ ì 容重 ã / kN󰀀m-3 抗拉强度 / MPa 凝聚力 C / MPa 摩擦角 ø /(°) T1yn1-6 29 500 0.22 26.6 5.0 0.03 34 T1yn1-5 29 500 0.22 26.6 4.0 0.03 34 T1yn1-4 29 500 0.22 26.6 4.0 0.03 34 T1yn1-3 30 000 0.24 26.5 5.95 0.03 35 T1yn1-2 29 500 0.22 26.4 5.0 0.03 35 T1yn1-1 29 500 0.22 26.6 5.0 0.03 35

2.3 计算方案 为分析不同开挖模式和工序条件下左坝肩岩体应力应变特征，以及对边坡稳定性进行分析评价，本次计算根据边坡实际施工开挖情况，做了一定的简化，计算中考虑分四步工况模拟左坝肩高边坡的开挖过程： (1) 边坡由1 243 m高程开挖至1 205 m高程。 (2) 边坡开挖至1 160 m高程，并且在1 243 m高程至1 205 m高程之间加3排预应力锚索、系统锚杆和喷混凝土支护。 (3) 边坡开挖至1 115 m高程，并且在1 205 m高程至1 160 m高程之间加系统锚杆和喷混凝土支护。 (4) 进行1 160 m～1 115 m高程之间的系统锚杆和喷混凝土支护。 左岸边坡采用锚索加固，相关的设计参数见表2。 岩 土 力 学 2003年 214 表2 预应力锚索计算参数 Table 2 Calculation parameters of prestressed cables

类 型 直径 / mm 弹性模量 / MPa 长度 / m 平面内间距/ m 平面外间距/ m 最大承载力/ kN 预张力 / kN

端锚式 45 210 000 40 10 10 1.8 1.5

3 计算结果及分析

采用弹塑性有限元数值模拟方法对不同开挖模式和加固条件下左岸山体的应力应变状态进行分析计算，各工况条件下的计算结果绘制成最小主 应力等值域图及位移等值域见图3～图6。

(a) σ3等值域图

(b) 位移等值域图 图3 工况1的应力应变等值域图 Fig. 3 Chorogram of stress and strain for Regime 1

3.1 应力分布 从第一阶段至第四阶段的计算结果可以看出，边坡开挖使岩体内的应力重新分布，大主应力方向基本平行边坡坡面展布，符合一般的应力分布规律。小主应力3

σ量值相对较小，一般为零点几至零

点零几个兆帕，主要为压应力，仅在每一级开挖平台的外侧一定范围内出现拉应力，量值一般为0.01～0.04 MPa，由于拉应力量值相对较小，没有超过岩体的抗拉强度，边坡岩体内并没有出现拉张破坏区。计算结果表明开挖后，左坝肩边坡岩体内的应力状态对于边坡的稳定是有利的。

(a) σ3等值域图

(b) 位移等值域图 图4 工况2的应力应变等值域图 Fig. 4 Chorogram of stress and strain for Regime 2

(a) σ3等值域图

(b) 位移等值域图 图5 工况3的应力应变等值域图 Fig. 5 Chorogram of stress and strain for Regime 3