抽水蓄能電站運(yùn)行期庫水位升降區(qū)傾倒變形體穩(wěn)定性研究

劉 韜

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

遼寧莊河抽水蓄能電站位于大連市步云山上和桂花鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1000 W。電站的主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)構(gòu)成。其中，上水庫位于蒲東溝的溝腦部位，為瀝青混凝土面板堆石壩壩型設(shè)計(jì)，正常蓄水位390.0m，死水位356.0m，調(diào)節(jié)庫容981萬m3；下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，正常蓄水位151.0m，死水位139.0m，調(diào)節(jié)庫容1122萬m3。引水系統(tǒng)為一洞兩機(jī)布置。尾水系統(tǒng)采用一洞一機(jī)布置。

莊河抽水蓄能電站上水庫大壩上游左岸邊坡為典型的砂巖、板巖反傾邊坡。從邊坡的表面特征來看，谷坡巖體向臨空方向存在比較明顯的卸荷回彈變形，形成淺表卸荷帶。其中規(guī)模較大的軟弱帶有F3、F7、F12-3等斷層以及SL01-2深拉裂縫。其中深拉裂縫SL01-2為邊界的大塊體穩(wěn)定性較差，是工程建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的部位。在電站建成運(yùn)行之后，庫區(qū)水位將呈動態(tài)變化，因此該處邊坡將長期面臨水-巖相互作用，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)也將產(chǎn)生不同程度的劣化，從而對邊坡的穩(wěn)定性造成顯著影響[1]。由于該處邊坡的傾倒變形體體積較大，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，必將對電站的安全造成顯著影響。

2 FLAC3D有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

FLAC3D是巖土工程領(lǐng)域的一款常用有限元模擬軟件，在20世紀(jì)90年代引入至今，在理論和實(shí)踐應(yīng)用方面均獲得巨大成就[2]。在FLAC3D軟件中，自帶有多種不同的本構(gòu)關(guān)系，可以適應(yīng)不同材料的模擬計(jì)算[3]。在此次研究中利用FLAC3D進(jìn)行左岸邊坡模型的構(gòu)建，研究水位升降區(qū)傾倒變形體穩(wěn)定性，因此最適合的本構(gòu)模型為M-C彈塑性模型。

由于莊河抽水蓄能電站上水庫上游左岸邊坡十分復(fù)雜的地形地貌特點(diǎn)和地質(zhì)特征，直接使用FLAC3D軟件進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建會比較困難[4]。因此在建模過程中首先使用MIDAS-GTS 軟件進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建[5]。在建模之前，首先根據(jù)邊坡特點(diǎn)和模擬目的進(jìn)行模型的概化和簡化[6]。在模型構(gòu)建過程中，對邊坡卸荷的風(fēng)化邊界線以及斷層和拉裂縫予以重點(diǎn)考慮[7]。在地質(zhì)模型的構(gòu)建過程中，采用點(diǎn)、線、面、體的建模流程進(jìn)行自下而上的建模[8]。由于深拉裂縫SL01-2是水位升降區(qū)傾倒變形體的主要標(biāo)志性邊界，在建模過程中將其設(shè)定為100%的連通率[9]。

結(jié)合研究的實(shí)際需要，此次研究的模型計(jì)算范圍為順河向250m，橫河向500m，垂直向350m。以N28°E為X軸的正方向，以N62°W為Y軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向?？紤]模型所處部位的地形地貌條件，在模型的X、Y和Z向分別取法向位移約束。計(jì)算模型被劃分為302254個(gè)網(wǎng)格單元，568526個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計(jì)算工況與力學(xué)參數(shù)

此次模擬主要針對工程建成運(yùn)行之后，庫水位周期性升降變化對左岸傾倒變形體穩(wěn)定性的影響。因此模擬計(jì)算的工況為工程運(yùn)行期。結(jié)合工程設(shè)計(jì)和未來的運(yùn)行情況，庫水位由360.00m增長到385.00m再下降到360.00m為一個(gè)水位變化循環(huán)，連續(xù)進(jìn)行20個(gè)水位變化循環(huán)，對傾倒變形體應(yīng)力和位移特征進(jìn)行計(jì)算，并對穩(wěn)定性作出評價(jià)。

模型的物理力學(xué)參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性存在顯著影響[10]。研究中根據(jù)工程現(xiàn)場的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果資料，對模擬研究中所涉及的巖體以及斷層結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合取值，結(jié)果見表1。關(guān)于庫水位升降過程巖土體干濕循環(huán)對力學(xué)參數(shù)的影響，按照相關(guān)施工規(guī)范中的折減系數(shù)進(jìn)行折減計(jì)算，并代入相應(yīng)的參數(shù)賦值[11]。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

在數(shù)值模擬過程中，根據(jù)上水庫左岸邊坡變形體的實(shí)際特點(diǎn)，選擇靠近深拉裂縫SL01-2的最不利剖面A-A作為代表性剖面，研究變形體的應(yīng)力和應(yīng)變特征，并對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)和分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的FLAC3D三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，對上水庫左岸邊坡變形體的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，典型剖面最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖如圖2—3所示。

由圖2可知，在運(yùn)行工況下，A-A剖面的最大主應(yīng)力場分布相對比較均勻，靠近坡面的最大主應(yīng)力分布與坡面基本呈現(xiàn)為平行狀態(tài)。隨著深度的增加，最大主應(yīng)力的變化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻扑降姆较?，并在坡面的坡腳部位發(fā)生方向上明顯的偏轉(zhuǎn)。從最大主應(yīng)力的數(shù)值來看，由于受到邊坡重力場的影響，呈現(xiàn)出與深度基本成正比的變化特征，表層的最大主應(yīng)力值最小，模型底部的最大主應(yīng)力值最大，最大主應(yīng)力的值介于5～27.7MPa之間，均表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

圖2 最大主應(yīng)力分布云圖

由圖3可知，典型剖面的最小主應(yīng)力分布規(guī)律和最大主應(yīng)力基本一致，具體的量值呈現(xiàn)出隨著深度的增加而增大的變化特點(diǎn)，最小主應(yīng)力的最大值為5.72MPa，在邊坡的淺表部位以及各個(gè)不同層面的分界線部位出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，大小約為0～1.57MPa。

圖3 最小主應(yīng)力分布云圖

3.2 位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的FLAC3D三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，對上水庫左岸邊坡變形體的位移進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，典型剖面位移分布云圖如圖4所示。

由圖4可以看出，在電站運(yùn)行工況下，變形體所在區(qū)域的位移在方向上總體呈現(xiàn)出指向坡外臨空方向，其最大位移值為2.0cm，相對于整個(gè)變形體而言，其變形位移量相對較小，不會對邊坡的穩(wěn)定性造成顯著的影響，說明在蓄水運(yùn)行之后邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 典型剖面位移云圖

3.3 剪變增量計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的FLAC3D三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，對上水庫左岸邊坡變形體的剪變增量進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，典型剖面剪變增量分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出，在電站蓄水運(yùn)行的情況下，剪變增量帶向坡腳部位發(fā)展延伸，并呈現(xiàn)出逐漸貫通的變化特點(diǎn)，因此變形體在庫水位升降變化的作用下，有發(fā)生滑移的危險(xiǎn)性。由此可見，水位的升降變化對邊坡的影響比較大。

圖5 剪變增量分布云圖

3.4 穩(wěn)定性綜合分析預(yù)測

結(jié)合應(yīng)力、位移和剪變增量的模擬結(jié)果，對上水庫左岸邊坡變形體的穩(wěn)定性有如下認(rèn)知；變形體目前仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，在水電站建成投入運(yùn)行之后，上水庫的水位將呈現(xiàn)出波動變化的特點(diǎn)，變形體的巖土體將面臨周期性的干濕循環(huán)變形，因此強(qiáng)度參數(shù)將會受到較大的影響。隨著電站運(yùn)行時(shí)間的逐步增加，將逐漸被弱化。由于變形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較脆弱，存在潛在的不連續(xù)面結(jié)構(gòu)，在庫水位升降變化以及巖體軟化的相互作用下，將會對內(nèi)部的剪切面產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動作用，后期極有可能發(fā)生比較嚴(yán)重的剪斷性貫通，并優(yōu)化變形體的整體滑移變形，乃至垮塌。因此，建議在工程施工中關(guān)注該變形體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必要時(shí)應(yīng)該對其采取加固措施。

4 結(jié)語

此次研究以遼寧省新建莊河抽水蓄能電站上水庫左岸邊坡變形體為例，在進(jìn)行詳盡地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬的方法針對庫水位升降變化條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，在電站運(yùn)行初期該邊坡變形體基本穩(wěn)定，但是在庫水位升降變化作用下，后期有可能發(fā)生比較嚴(yán)重的剪斷性貫通，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)破壞。當(dāng)然，邊坡穩(wěn)定性會受到較多因素的影響，其變形破壞機(jī)理也比較復(fù)雜，在今后的研究中還需要經(jīng)過工程現(xiàn)場的監(jiān)測試驗(yàn)，以驗(yàn)證此次研究構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對工程實(shí)際的模擬效果。