向家坝水电工程进水口高边坡稳定性研究
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摘要
本文以金沙江向家坝水电工程右岸进水口高边坡稳定性问题为研究目标，以极限平衡法中的Sarma法和三维弹塑性有限元分析为手段，对进水口高边坡在各种工况和各种可能的不利荷载组合下的稳定性进行了较详细的分析和评价。对边坡拟采用的设计方案、施工方案、以及加固措施的正确性进行了论证。主要内容包括以下几方面：
(1)利用Sarma法分析向家坝水电站右岸地下厂房进水口边坡稳定性，考虑边坡开挖、施工爆破造成的节理裂隙或卸荷裂隙贯通、持续暴雨或水库水位骤降及施工因素对边坡稳定性的影响。并针对具体的边坡形态和节理分布特征，研究进水口边坡的局部稳定性问题。
(2)采用三维弹塑性有限元方法，建立了向家坝水电工程右岸包括进水口边坡和引水隧洞、地下厂房、尾水隧洞等地下结构的三维整体有限元分析模型，对向家坝水电工程进水口边坡开挖锚固进行较为精确的模拟，根据现有的资料，在此基础上得到进水口边坡的变形和应力分布规律。根据有限元计算结果，对边坡的整体稳定性和局部稳定性分别进行了相应的分析评价。
(3)在上述三维整体有限元分析模型的基础上，从应力应变分布规律变化的角度，分析评价了引水隧洞和地下厂房等地下结构的开挖对进水口边坡稳定性的影响。
(4)依然在三维整体有限元分析模型的基础上，通过在不同程度上弱化进水口边坡反倾结构中软弱夹层的力学参数和弱化岩性较差而且对边坡稳定影响较大的T_3~3岩层力学参数，分析评价了反倾结构对进水口边坡稳定性的影响。
(5)通过上述对进水口边坡稳定性的分析评价，提出了几条在设计、施工以及运行过程中改善边坡稳定性的建议。
研究表明：
向家坝水电工程右岸引水隧洞进水口边坡在各种工况、各种可能的不利荷载组合下都能保持其整体稳定性。但是，由于受两组优势节理面的切割，在施工和运行期间，可能会出现局部的块体失稳。
向家坝进水口和边坡开挖以及锚固过程中，没有过大的拉应力和塑性变形区。进水口边坡大多数还是处于压应力状态，仅在边坡马道局部出现较小的拉应力，边坡开挖卸荷显著的深度为3～8米。结果说明向家坝进水口边坡开挖是稳定的。
向家坝进水口边坡拟采用系统锚秆进行支护，锚杆支护是边坡逐步开挖时逐步施加的。岩体内锚杆主要承受拉剪作用，进口边坡处锚杆承受的最大拉应力为
54.6lMPa，最大剪应力为3O.02MPa，只要加固及时，边坡的卸荷松弛变形可以得到
限制，且当边坡出现局部出现较大变形时，锚杆支护作用可以得到进一步发挥。从
进水口边坡系统锚杆在施工、运行过程中的受力状况计算分析结果看，进水口边坡
拟采用的逐步开挖逐步锚固的施工顺序是科学合理的。
引水隧洞和地下厂房的开挖，对进水口边坡的位移和应力分布都有一定的影
响，但是从计算所得的影响范围和量值看，其影响有限，不会破坏进水口边坡的
整体稳定性。
进水口边坡的反倾结构有利于边坡的稳定，即使将反倾结构中软弱夹层的力学
强度锐减，进水口边坡仍然能维持其整体稳定性。
Taking the stability of the high slope of the intake of Xiangjiaba hydropower station as research target, the limit equilibrium method and 3D Elasto-viscoplastic finite element method as research measure, this paper analyzes and appraises the stability of the high slope under different work conditions. The result proofed the design scheme, construction scheme and anchorage scheme. The main study contents as follows:
(1) Analyze the stability of the high side slope of intake by Sarma method. In this course, some adverse influencing factors as slope excavation, joint fissure caused by blasting, prolonged storm rainfall and rapid drawdown have been considered. Then, based on the shape of slope and distribution characteristics of joints, study the local stability.
(2) Using 3D FEM, three dimensional finite element model of the high slope is presented in this study, analyze the global 3D stress and deformation distribution, considers the effects of excavation, anchoring and different work conditions. Evaluate the stability of the slope, based on the stress and deformation result.
(3) Analyze the influence to the stability of the slope that caused by excavation for seepage tunnel and underground power plant.
Evaluate the influence to the stability of the slope caused by counter-inclined structure.
(4) In order to improve the stability of the slope and ensure the safety in the engineering construction and operation, Some proposals on engineering measures been presented.
Studies show that the high side slope of the intake of Xiangjiaba hydropower station will be stable in integer under possible work conditions. But the slope maybe crippling in period of construction and operation because of the cutting by tow clusters joints. In the process of excavation and anchoring: there is not oversize tension stress and plastic zone in rock mass of the slope, the obvious off-load depth is about 3 to 8 meters. The results indicate that the slope can hold stability in excavation period, the design scheme and sequence of excavation and anchoring are rational.
The slope of intake will be bolted by systematic bolts. By the calculation, we can get conclusions as follows: the max tension stress on bolts is 54.61MPa, and the max shearing stress is 30.02MPa; the off-load deformation can be control effectively if anchoring is
timely; the more deformation which present in local slope rock-mass will make further use of bolts.
Excavation for seepage tunnel and underground power plant take some harmful effect to the slope, but it will not damage the slope's integral stability. Counter-inclined structure is propitious to slope holding stability. The slope of intake still hold stability after the mechanical parameter be diminished drastically.
(1)利用Sarma法分析向家坝水电站右岸地下厂房进水口边坡稳定性，考虑边坡开挖、施工爆破造成的节理裂隙或卸荷裂隙贯通、持续暴雨或水库水位骤降及施工因素对边坡稳定性的影响。并针对具体的边坡形态和节理分布特征，研究进水口边坡的局部稳定性问题。
(2)采用三维弹塑性有限元方法，建立了向家坝水电工程右岸包括进水口边坡和引水隧洞、地下厂房、尾水隧洞等地下结构的三维整体有限元分析模型，对向家坝水电工程进水口边坡开挖锚固进行较为精确的模拟，根据现有的资料，在此基础上得到进水口边坡的变形和应力分布规律。根据有限元计算结果，对边坡的整体稳定性和局部稳定性分别进行了相应的分析评价。
(3)在上述三维整体有限元分析模型的基础上，从应力应变分布规律变化的角度，分析评价了引水隧洞和地下厂房等地下结构的开挖对进水口边坡稳定性的影响。
(4)依然在三维整体有限元分析模型的基础上，通过在不同程度上弱化进水口边坡反倾结构中软弱夹层的力学参数和弱化岩性较差而且对边坡稳定影响较大的T_3~3岩层力学参数，分析评价了反倾结构对进水口边坡稳定性的影响。
(5)通过上述对进水口边坡稳定性的分析评价，提出了几条在设计、施工以及运行过程中改善边坡稳定性的建议。
研究表明：
向家坝水电工程右岸引水隧洞进水口边坡在各种工况、各种可能的不利荷载组合下都能保持其整体稳定性。但是，由于受两组优势节理面的切割，在施工和运行期间，可能会出现局部的块体失稳。
向家坝进水口和边坡开挖以及锚固过程中，没有过大的拉应力和塑性变形区。进水口边坡大多数还是处于压应力状态，仅在边坡马道局部出现较小的拉应力，边坡开挖卸荷显著的深度为3～8米。结果说明向家坝进水口边坡开挖是稳定的。
向家坝进水口边坡拟采用系统锚秆进行支护，锚杆支护是边坡逐步开挖时逐步施加的。岩体内锚杆主要承受拉剪作用，进口边坡处锚杆承受的最大拉应力为
54.6lMPa，最大剪应力为3O.02MPa，只要加固及时，边坡的卸荷松弛变形可以得到
限制，且当边坡出现局部出现较大变形时，锚杆支护作用可以得到进一步发挥。从
进水口边坡系统锚杆在施工、运行过程中的受力状况计算分析结果看，进水口边坡
拟采用的逐步开挖逐步锚固的施工顺序是科学合理的。
引水隧洞和地下厂房的开挖，对进水口边坡的位移和应力分布都有一定的影
响，但是从计算所得的影响范围和量值看，其影响有限，不会破坏进水口边坡的
整体稳定性。
进水口边坡的反倾结构有利于边坡的稳定，即使将反倾结构中软弱夹层的力学
强度锐减，进水口边坡仍然能维持其整体稳定性。
Taking the stability of the high slope of the intake of Xiangjiaba hydropower station as research target, the limit equilibrium method and 3D Elasto-viscoplastic finite element method as research measure, this paper analyzes and appraises the stability of the high slope under different work conditions. The result proofed the design scheme, construction scheme and anchorage scheme. The main study contents as follows:
(1) Analyze the stability of the high side slope of intake by Sarma method. In this course, some adverse influencing factors as slope excavation, joint fissure caused by blasting, prolonged storm rainfall and rapid drawdown have been considered. Then, based on the shape of slope and distribution characteristics of joints, study the local stability.
(2) Using 3D FEM, three dimensional finite element model of the high slope is presented in this study, analyze the global 3D stress and deformation distribution, considers the effects of excavation, anchoring and different work conditions. Evaluate the stability of the slope, based on the stress and deformation result.
(3) Analyze the influence to the stability of the slope that caused by excavation for seepage tunnel and underground power plant.
Evaluate the influence to the stability of the slope caused by counter-inclined structure.
(4) In order to improve the stability of the slope and ensure the safety in the engineering construction and operation, Some proposals on engineering measures been presented.
Studies show that the high side slope of the intake of Xiangjiaba hydropower station will be stable in integer under possible work conditions. But the slope maybe crippling in period of construction and operation because of the cutting by tow clusters joints. In the process of excavation and anchoring: there is not oversize tension stress and plastic zone in rock mass of the slope, the obvious off-load depth is about 3 to 8 meters. The results indicate that the slope can hold stability in excavation period, the design scheme and sequence of excavation and anchoring are rational.
The slope of intake will be bolted by systematic bolts. By the calculation, we can get conclusions as follows: the max tension stress on bolts is 54.61MPa, and the max shearing stress is 30.02MPa; the off-load deformation can be control effectively if anchoring is
timely; the more deformation which present in local slope rock-mass will make further use of bolts.
Excavation for seepage tunnel and underground power plant take some harmful effect to the slope, but it will not damage the slope's integral stability. Counter-inclined structure is propitious to slope holding stability. The slope of intake still hold stability after the mechanical parameter be diminished drastically.
引文
[1] 孙广忠．岩体结构力学．北京：科学出版社，1998
[2] 张玉军，刘宜平．锚固正交各向异性岩体的三维弹塑性有限元分析．岩石力学与工程学报，2002．8，21(8)
[3] 石根华．稳定分析的几何方法．中国科学，1981．4：487～497
[4] 熊文林，周创兵等．三峡船闸第一闸首三维弹粘塑性有限元分析．武汉水利电力大学，1995．4
[5] 周创兵，孙万和．边坡工程学．武汉水利电力大学，1990
[6] 孙玉科，牟会宠，姚宝魁．边坡岩体稳定性分析．北京；科学出版社
[7] Hoek, E.And J.W.Bray, Rock Slope engineering, London, 1977
[8] 张有天，周维垣．岩石高边坡的变形与稳定[M]．北京：中国水利水电出版社，1999
[9] 章青，卓家寿．三峡船闸高边坡稳定分析的界面元法与评判标准[J]．岩石力学与工程学报，2000，19(3)：285～288
[10] 周维垣．高等岩石力学．北京：水利电力出版社
[11] 靳蕃．神经计算智能基础原理·方法[M]．成都：西南交通大学出版社，2000
[12] Hoek．E，Bray．J．W著，卢世宗 译．岩石边坡工程．北京：冶金工业出版社，1983
[13] Chen S.H. and Pande G.N. Rheoiogical Model and Finite Element Analysis of Jointed Rock Masses Reinforced by Passive, Fully-grouted Bolts. Int. Rock Mech. Min.Sci.&Geomech. Abstr, 31, 237～277(1994)
[14] Priest, S.D. and Hudson J.A. Estimating of discontinuity spacing and trace length using scanline surveys, Int.J. Rock mech.Min.Sci.& Geomech.Abstr, Vol. 18., No.2
[15] Hoek, E.and Bray, J.W.(1997). Rock slope engineering.The Institue of Mining and Metallurgy
[16] 夏熙伦，徐平，丁秀丽．岩石流变特性及高边坡稳定性流变分析．岩石力学与工程学报，1996．4
[17] 李建林等．三峡地下电站进水口边坡稳定性分析及加固优化．岩石力学与工程学报 2001．9
[18] 徐平，盛廉．考虑卸荷效应的三峡船闸边坡稳定分析．岩石力学与工程学报，1998，Vol，17(增)
[19] 陈祖煜．土质边坡稳定分析：原理·方法·程序．中国水利水电出版社，2003
[20] 熊文林等．李家峡层状岩质高边坡综合加固机理及设计方法研究．武汉水利电力大学，1995年
[21] 崔政权，李宁．边坡工程：理论与实践最新发展．中国水利水电出版社，1999
[22] Bishop, A.W. and Morgenstern, N.R. Stability coefficients for earth slopes. Geotechnique. 1960.10: 129-150
[23] Donald, I.B. Finite element assessment of slope stability. Austdian-China Landside Seminar, 1993.3-18 July, 1-42.D1-D18
[24] Griffith, D.V. and Lane, P.A. Slope stability analysis by finite elements. Geotechnique. 1999.49(3): 387-403
[25] Tan, C.P. and Donald, I.B. Finite element calculation of dam stability.Proc. 11th Int. Conf. Soil Mech. And Fnd. Engr. San Francisco. 1980
[26][26] Ducan, J.M. et. AI.CON2D: A finite element computer program for analysis of consolidation, Report No.VCB 1GT/81-01, University of California, Berkeley. 1981
[27] 赵尚毅，郑颖人等．有限元强度折减法求边坡稳定安全系数．岩土工程学报，2002．129(3
[28] 徐干城，郑颖人．岩土工程中屈服准则应用的研究．岩土工程学报，1990．12(2)：93-99
[29] 江志安，于占忠，王文胜．边坡稳定分析的技术探讨．水运工程，2003．4
[30] 夏元友，李梅．边坡稳定性评价方法研究及发展趋势．岩石力学与工程学报，2002．7
[31] 肖专文，张奇志．遗传进化算法在边坡稳定分析中的应用[J]．岩土工程学报，1998，20(1)：44～46
[32] 刘起霞等．环境工程地质．黄河水利出版社，2001
[33] 吴中如等．大坝原型反分析及其应用．江苏科学技术出版社，1999
[34] 张景秀．坝基防渗与灌浆技术．中国水利水电出版社，2002
[35] 曹安乐主编．基础设计与处理．中国水利水电出版社，1989
[36] 张倬元等．工程地质分析原理．地质出版社
[37] 王思敬．坝基岩体工程地质力学分析．中国水利水电出版社
[38] 许文年等．地质缺陷对坝基及滑坡稳定性影响的研究．中国水利水电出版社
[39] 长江流域规划办公室．岩石坝基工程地质．水利水电出版社
[40] 陈胜宏，高坝复杂岩石地基及岩石高边坡稳定分析．中国水利水电出版社
[41] 赖国伟等．具有软弱结构面坝基的稳定分析．武汉水利电力学院学报，1987．4，1～10
[42] 马力等．重力坝深层抗滑稳定计算的几个问题．水利学报，1984．1，27～35
[43] 王国强主编．实用工程数值模拟及其在ANSYS上的实现．西北工业大学出版社，2000．
[44] 周创兵，熊文林．地基及边坡岩体渗流问题．武汉水利电力大学，1997．9
[45] 杨林德等．岩土工程问题的反演理论与工程实践．科学出版社，1996．
[46] 孙钧等著．岩石力学反演问题的随机理论与方法．汕头：汕头大学出版社，1996．
[47] 杜延龄，许国安．渗流分析的有限元法和电网络法．水利电力出版社．1992
[48] 周创兵，熊文林．论岩体的渗透特性．工程地质学报，4(2)，1996年
[49] 张玉军，刘宜平，锚固正交各向异性岩体的三维弹塑性有限元分析．岩石力学与工程学报，2002．8，21(8)
[50] 孙广忠．地质工程理论与实践．地震出版社，1996
[51] 钱家欢．土工原理与计算．中国水利水电出版社，1996
[52] 罗国煜等．岩坡优势面分析理论与方法．地质出版社，1992
[53] 毛昶熙等．渗流数值计算与程序应用．河海大学出版社，1998
[54] 石根华．稳定分析的几何方法．中国科学，1981．4：487～497
[55] E. Hoek、E. T. Brown, 《岩石地下工程》，冶金工业出版社，1989
[56] 吕小平．岩石边坡稳定性层次类比评价方法．工程地质学报，Vol．2(1)，1994-3
[57] 汪小刚，夏万仁等．水电工程高边坡稳定问题研究现状和发展方向．水力发电，1994．5
[58] 徐秉业，沈新普等．边坡工程与固体力学．力学进展，Vol．24(4)，1994．11
[59] 张李如．边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价．岩石力学与工程学报，21(6)843～847，2002．6
[60] 任青天，余天堂．边坡稳定的块体单元法分析．岩石力学与工程学报，20(1)20～24，2001．1
[61] 弥宏亮等．边坡稳定三维极限分析方法及工程应用．岩土力学，23(5)，2002．10
[62] 张旭辉等．边坡稳定影响因素敏感性的正交法计算分析．中国公路学报，16(1)，2003．1
[63] 戴谦训等．龙滩进水口高边坡稳定的三维有限元分析成果简述．红水河，21(2)
[64] 陈祖煜，汪小刚．水电建设中的高边坡工程．水力发电，1999．10
[65] 刘小丽，周培德．岩土边坡系统稳定性评价初探．岩石力学与工程学报，21(9)1378～1382
[66] Chowdhury R, N., Slope Analysis: Elsevier Scientific Publishing Company, 1978
[67] Owen D.R.J.&E.Hinton, Finite Elements in Plasticity, Theory and Practice. Swansea(U.K.): Pineridge Press Ltd., 1980
[2] 张玉军，刘宜平．锚固正交各向异性岩体的三维弹塑性有限元分析．岩石力学与工程学报，2002．8，21(8)
[3] 石根华．稳定分析的几何方法．中国科学，1981．4：487～497
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[5] 周创兵，孙万和．边坡工程学．武汉水利电力大学，1990
[6] 孙玉科，牟会宠，姚宝魁．边坡岩体稳定性分析．北京；科学出版社
[7] Hoek, E.And J.W.Bray, Rock Slope engineering, London, 1977
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[10] 周维垣．高等岩石力学．北京：水利电力出版社
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[15] Hoek, E.and Bray, J.W.(1997). Rock slope engineering.The Institue of Mining and Metallurgy
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[17] 李建林等．三峡地下电站进水口边坡稳定性分析及加固优化．岩石力学与工程学报 2001．9
[18] 徐平，盛廉．考虑卸荷效应的三峡船闸边坡稳定分析．岩石力学与工程学报，1998，Vol，17(增)
[19] 陈祖煜．土质边坡稳定分析：原理·方法·程序．中国水利水电出版社，2003
[20] 熊文林等．李家峡层状岩质高边坡综合加固机理及设计方法研究．武汉水利电力大学，1995年
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[25] Tan, C.P. and Donald, I.B. Finite element calculation of dam stability.Proc. 11th Int. Conf. Soil Mech. And Fnd. Engr. San Francisco. 1980
[26][26] Ducan, J.M. et. AI.CON2D: A finite element computer program for analysis of consolidation, Report No.VCB 1GT/81-01, University of California, Berkeley. 1981
[27] 赵尚毅，郑颖人等．有限元强度折减法求边坡稳定安全系数．岩土工程学报，2002．129(3
[28] 徐干城，郑颖人．岩土工程中屈服准则应用的研究．岩土工程学报，1990．12(2)：93-99
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[30] 夏元友，李梅．边坡稳定性评价方法研究及发展趋势．岩石力学与工程学报，2002．7
[31] 肖专文，张奇志．遗传进化算法在边坡稳定分析中的应用[J]．岩土工程学报，1998，20(1)：44～46
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[35] 曹安乐主编．基础设计与处理．中国水利水电出版社，1989
[36] 张倬元等．工程地质分析原理．地质出版社
[37] 王思敬．坝基岩体工程地质力学分析．中国水利水电出版社
[38] 许文年等．地质缺陷对坝基及滑坡稳定性影响的研究．中国水利水电出版社
[39] 长江流域规划办公室．岩石坝基工程地质．水利水电出版社
[40] 陈胜宏，高坝复杂岩石地基及岩石高边坡稳定分析．中国水利水电出版社
[41] 赖国伟等．具有软弱结构面坝基的稳定分析．武汉水利电力学院学报，1987．4，1～10
[42] 马力等．重力坝深层抗滑稳定计算的几个问题．水利学报，1984．1，27～35
[43] 王国强主编．实用工程数值模拟及其在ANSYS上的实现．西北工业大学出版社，2000．
[44] 周创兵，熊文林．地基及边坡岩体渗流问题．武汉水利电力大学，1997．9
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[46] 孙钧等著．岩石力学反演问题的随机理论与方法．汕头：汕头大学出版社，1996．
[47] 杜延龄，许国安．渗流分析的有限元法和电网络法．水利电力出版社．1992
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[49] 张玉军，刘宜平，锚固正交各向异性岩体的三维弹塑性有限元分析．岩石力学与工程学报，2002．8，21(8)
[50] 孙广忠．地质工程理论与实践．地震出版社，1996
[51] 钱家欢．土工原理与计算．中国水利水电出版社，1996
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[53] 毛昶熙等．渗流数值计算与程序应用．河海大学出版社，1998
[54] 石根华．稳定分析的几何方法．中国科学，1981．4：487～497
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[56] 吕小平．岩石边坡稳定性层次类比评价方法．工程地质学报，Vol．2(1)，1994-3
[57] 汪小刚，夏万仁等．水电工程高边坡稳定问题研究现状和发展方向．水力发电，1994．5
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[59] 张李如．边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价．岩石力学与工程学报，21(6)843～847，2002．6
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[62] 张旭辉等．边坡稳定影响因素敏感性的正交法计算分析．中国公路学报，16(1)，2003．1
[63] 戴谦训等．龙滩进水口高边坡稳定的三维有限元分析成果简述．红水河，21(2)
[64] 陈祖煜，汪小刚．水电建设中的高边坡工程．水力发电，1999．10
[65] 刘小丽，周培德．岩土边坡系统稳定性评价初探．岩石力学与工程学报，21(9)1378～1382
[66] Chowdhury R, N., Slope Analysis: Elsevier Scientific Publishing Company, 1978
[67] Owen D.R.J.&E.Hinton, Finite Elements in Plasticity, Theory and Practice. Swansea(U.K.): Pineridge Press Ltd., 1980