水电站边坡坍塌堆积体边坡稳定与变形分析

张家盛

中国电建集团华东勘测设计研究有限公司浙江杭州310000

摘要：水利工程建设是国家基础设施建设的主要内容之一，在建设过程中边坡坍塌堆积问题一直以来都是水利工程的重点和难点，其稳定性的高低直接决定了水电站是否能够安全运转。我们以我国西部某水电站边坡坍塌堆积体边坡稳定和变形资料为依据通过大量的运算，得出堆积体的变形参数、强度和湿化变形参数，并对水电站正常运转时的安全系数进行分析。

关键词：水电站；边坡坍塌堆积体；边坡稳定；变形分析

1、前言

坍塌堆积体的稳定性是水电站正常运行的保障，对于水利工程来说，建设过程中需要综合考虑多种因素，包括地形条件、水利条件以及环境条件等，水电站的坍塌堆积体通常情况下空间分布不均，且粒径的范围比较大，利用传统的室内实验法确定其参数相对比较困难，不利于评估其稳定性。通过分析水电站工程建设期间的各种数据尤其是坍塌堆积体的变形资料，对于水电站的安全性分析具有十分重要的意义。

2、工程地质情况简介

选择我国西部某新建水利设施作为研究对象进行坍塌堆积体的稳定性分析。该水电站规模为中型，功能以发电为主，并兼具防洪和调节水资源等多种用途，水电站所处位置的河谷岩体上部硬度大，下部硬度小，受水的侵蚀比较严重，由于长时间的河流流向作用在左坝位置形成一百多万立方的坍塌堆积体。坍塌堆积体中包括块状岩石、大型岩石、破碎状岩石和黏土等，其中，块状岩石的含量最大，占总堆积体的一半左右，破碎状岩石的含量相对较少，只占总体积的一成，而块状岩石和黏土的含量大致相同。

3、堆积体边坡稳定计算

3.1计算方法

根据该水电站边坡的具体情况，通过理证岩土计算软件中的边坡稳定分析模块来计算，用摩根斯坦-普莱斯法确定复合形滑面。

3.2滑动模式分析

坍塌堆积体表面结构松散，为碎石和胶结层，内部为碎石与黏土的混合体，基岩为泥灰岩与泥岩，在底部位置有层褐色黏土，不透水，在大量降水之后会造成排水不畅，雨水渗透到堆积体中，破坏堆积体的稳定性。在强降水之后，基岩和覆盖层之间的部位土体的结构会被破坏，导致边坡突变开裂，严重时造成滑坡。据地质材料和地表变形观测资料来进行分析，可以得出堆积体的滑动方向，其上部位置会向河床片下游的方向滑动，中上部会沿着基岩与覆盖层之间的接触位置滑动，中下部受到底界面堆积体的最爱和前缘较厚的影响，滑动方向为河床方向，而下部的滑动为从覆盖层的内部剪出。根据边坡坍塌堆积体的滑动方向，选择四个剖面进行稳定复核。[1]

3.3确定计算结果

对上述选取的四个剖面进行稳定复核，分析所得结果。复核数据显示，该水电站的平均安全系数为0.93，边坡三个剖面的暴雨工况安全系数均小于一，在遇到强降水天气时，有发生滑坡的可能。持久工况的安全系数都大于一，平均值为1.02，表明坍塌堆积体边坡整体稳定性比较高，但仍有一定的变形。根据科学的运算还可以得到堆积体边坡剩余下滑力的分布状况，并对下滑力分布进行分析，可以得出下滑力的分布规律，从分析中可以得到，该水电站的剩余下滑力由上到下呈现不断减少的趋势，边坡坍塌堆积体的中上位置剩余下滑力会逐渐增大，到边坡前缘位置剩余下滑力会减少。[2]

4、堆积体的变形分析

FLAC程序可以对连续介质进行变形分析，其单元格可以与材料变形同步变形，是一种以显示有限差分法为指导的数值分析方法。FLAC程序能够对材料的塑性流动、屈服行为、变形特征以及软化等进行系统的模拟，在变形问题的分析有着广泛的应用。以极限分析能量法为指导，应用FLAC程序，对边坡坍塌堆积体在不同状态下的位移和形变进行模拟，并量化边坡变形区域，从而可以给边坡坍塌堆积体的防治提供理论指导。[3]

4.1数学建模

为了更好的进行变形参数的计算，可以将堆积体分成三个部分，下部为较为坚硬的基岩，中部位置主要是风化的岩层，而上部位置主要为由冲积、坍塌、侵蚀等原因构成的堆积物。

在进行变形分析的过程中，需要综合考虑岩石的完整性，岩石的结构组成和类型，岩石风化的程度与特征以及物理学的实验结果等因素，与工程类比分析相结合，可以得到堆积物和退集体边坡基岩的各种物理学参数。将上述稳定分析中的四个剖面记为a，b，c，d，建立数学计算模型。[4]

4.2分析模拟结果

在利用初始条件模拟时，不需要考虑构造应力的影响，只需要关注与自重应力有关的初始应力场，根据静水水压的数值，选择合适的模型进行模拟，在该水电站计算中选取的模型是弹性本构模型，进行弹性求解，求出的解只考虑重力作用，在将平衡之后的速度场和位移场归零之后，便可得到初始的应力场。从计算中得到，b剖面的稳定系数最高，安全系数最大，而c剖面的最差，所以选择这两个剖面进行变形分析。[5]

4.2.1堆积体变形特征分析

从分析中可以看出，b剖面的最大变形为1.67cm，分布的高程为1680m左右，在b剖面中堆积体中上部位的变形较大，这是因为该部位坡度教大且分布范围相对较小。b剖面整体的边坡坡度较缓，堆积体的位移相当小，达不到构成滑移面的条件，所以该剖面的堆积体边坡相对比较稳定。不易发生变形。[6]

c剖面的最大变形为45cm，从自然状态下的变形云图中可以看到c剖面的中上部位和下部位的变形相对较大，与b剖面的对比可以发现，c剖面的位移要远大于b剖面，而且滑移面比较明显，有整体滑动的可能，由于在一般条件下由于位移相对较小，结构还是比较稳定的。但是若在气候反常的季节，比如说连续强降雨，会造成坍塌堆积体小范围的滑坡，给水电站的正常运行和工作人员的生命财产安全带来一定的威胁。

4.2.3蓄水状态下的变形分析

水电站在蓄水之后，堆积体下部会受到水的浸泡，造成堆积体稳定度下降，发生塑性流动的可能性增加，会产生比较大的位移，造成滑动破坏。根据极限分析能量法可以得到，c剖面在蓄水后的稳定性会大大降低，有很大的概率发生滑动。分析c剖面的变形云图，可以看出在水面以下的堆积体的变形很明显，水面以上并没有明显的变形，稳定性依然很高，结合c剖面的地质分析，发现c剖面中部位置以下存在粉土夹层构成潜在的滑动面，蓄水之后促进了边坡的滑动作用，使得滑动面在浸泡之后软化，容易发生坍塌。此外，滑动土体的容重由于水分的渗入而增加，造成静水压力和动水压力增大，不确定因素增多，导致粉土软弱层被破坏而引起滑动。

5、结束语

综上所述，通过对西部某水电站边坡坍塌堆积体边坡稳定性和变形情况进行分析，得出了边坡稳定性的分布情况。该水电站堆积体边坡整体的稳定性比较好，发生滑动的可能性不高，但是蓄水之后局部的稳定性会有所降低，有发生滑动破坏的可能，因此，在保证水电站安全稳定运行方面，应将重点放在边坡的排水和防护上面，并定时对堆积体的位移情况进行检测，保证边坡堆积体的稳定性，切实保证人员的安全。

参考文献

[1]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1994.

[2]黄润秋.岩石高边坡的时效变形分析及其工程地质意义[J].工程地质学报,2000,8(2):201-206.

[3]陈祖煜.岩质边坡稳定分析-原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[4]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5]黄润秋,许强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,1995,14(4):346-354.