第２７卷第６期 ２００ ８年１ ２月 四川水力发电 Ｖｏ１．２７．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．．２ ０ ０ ８ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 锦屏一级电站左岸拱肩槽边坡开挖数值模拟分析 黄春晖 ， 郗举科 （１．河海大学土木工程学院，江苏南京摘２１００９８；２．中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都６１１７３０） 要：锦屏一级水电站左岸拱肩槽边坡岸坡陡峻，坡体岩性较差，断层、层间挤压错动带、顺坡卸荷裂隙和深部裂隙发育。 拱肩槽边坡开挖在一定程度上切除了维持边坡稳定的部分外围岩体，从而对工程边坡及上部变形拉裂岩体的稳定性产生了 不利影响。选择拱肩槽ＩＩ．一Ｉｌ，剖面，采用弹塑性有限元法对拱肩槽边坡的开挖进行数值模拟，分析了工程边坡的稳定性，并 对初拟的“逐层开挖，边挖边锚”施工步骤的合理性进行了评价，提出了若干对工程建设具有一定指导意义的建议。 关键词：锦屏一级水电站；拱肩槽边坡；开挖；弹塑性有限元 中圈分类号：ＴＶ３１；ＴＶ６４２；ＴＶ２２２ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２００８）０６４１０８３－０２ １ 引 言 了模拟，通过分析施工过程中边坡的变形、塑性区 等，评价了边坡开挖的稳定性及上述施工原则的 合理性，得出了若干对工程建设具有一定指导意 义的结论。 锦屏一级水电站位于四川省木里县和盐源县 毗邻处锦屏山区雅砻江大河湾洼里乡下游普斯罗 沟与手爬沟之间约１．５ ｋｍ长的河段上，电站坝体 为双曲混凝土拱坝，高３０５ ｍ，坝顶高程１ ８８５ ｍ， 蓄水位高程为１ ８８０ ｍ，是目前世界上在建最高的 混凝土拱坝。锦屏一级水电站是雅砻江水电规划 中的龙头梯级，装机容量３ ６００ ＭＷ，经济效益十 ２有限元计算模型及计算条件 ２．１有限元模型 为了分析左岸拱肩槽边坡在开挖过程中的稳 定性，笔者采用有限元软件ＡＮＳＹＳ，选取拱肩槽 分显著。坝址地段属青藏高原向四川盆地过渡的 斜坡地带，由海拔５ ０００～４ ０００ ｍ降至约２ ０００ ＩＴＩ，地貌上多属侵蚀山地，地形上表现为典型的深 切Ｖ形峡谷…。 左岸拱肩槽边坡陡峻，介于ＩＩ和Ｖ勘探线之 典型的剖面ＩＩ。．ＩＩ，，进行数值模拟研究。模型高 １４５ ｍ，其中坡体高９５ ｍ，并根据坡体下部的地质 资料向下延伸５０ ｍ，模型宽１６０ ｍ。坡体中存在 ｆ４：一。断层，由构造角砾岩、岩屑和断层泥组成，破 碎带风化强烈，宽度０．２～０．４ ｍ；存在完整性较 差的坡面风化带岩体。 由于左岸山体雄厚，顺河向的位移受到限制， 间，岸坡自下而上有“陡－缓”的坡角变化特点， １ ８２０～１ ９００ ｍ高程以下为大理岩，坡度５５。～ ７０。；以上为砂板岩，坡度４０。～５０。，呈山梁与浅沟 相间的微地貌特征。工程区域地质条件复杂，对 边坡稳定性起控制作用的主要是岩层的岩性、断 层、层间挤压错动带和深部拉裂隙。如拱肩槽１ ８８５～１ ８１０ ｍ高程ＩＩ。一Ｉ，探线附近岩性较差，开 挖中易拉裂变形，且发育ｆ４：一。断层，构成岩体内潜 在滑动面。 因此可近似采用平面应变问题进行处理，采用 Ｄｒｕｋｅｒ．Ｐｒａｇｅｒ弹塑性屈服准则和关联流动法 则 Ｊ。模型重点模拟了左岸拱肩槽边坡１ ８８５～ １ ８１０ ｒｎ高程的开挖情况，坡体关键部位共划分出 １ ５６１个单元，１ ５７４个节点。 ２．２计算条件 （１）初始地应力。锦屏一级水电站左岸岩体 由于开挖切除了部分维持边坡稳定的外围岩 体，将对边坡的稳定性产生更加不利的影响。为 保证工程边坡的稳定性，施工中采用“边挖边锚” 及“逐层开挖逐层支护”的原则。笔者采用弹塑 性有限元法对拱肩槽边坡ＩＩ。一ＩＩ 剖面的开挖进行 收稿日期：２００８－０４．１５ 初始地应力场分布规律较为复杂，不仅地应力量 值较高，而且受断层、深部拉裂隙的影响显著，且 开挖主要涉及浅表卸荷区岩体，边坡浅表卸荷较 严重。因此，在计算中考虑首先添加自重应力场 作为边坡岩体初始地应力场。 （２）计算参数。根据工程区岩体质量分级和 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｄ１ 黄春晖等：锦屏一级电站左岸拱肩槽边坡开挖数值模拟分析 ２００８年第６期 工程地质分区，自然坡面至开挖面岩级为ＩＶ：类； 开挖面至深层支护部分岩级为ＩＶ 类；表层采用 挂网喷护Ｃ２５混凝土。各级岩体、断层、锚索等 计算参数见表１。 表１ 各类材料计算参数表 （３）计算荷载及开挖支护模拟。拱肩槽边坡 计算荷载包括岩体自重应力、预应力锚索荷载、开 挖边坡表面喷护钢筋混凝土网和锚杆浅层支护 等。在模拟计算中，按边挖边锚、逐层开挖逐层支 护的施工程序对预应力锚索荷载和开挖表面混凝 土层等进行有限元分析。 为了紧密反映工程实际，笔者进行的计算在 初始地应力场模拟的基础上，分５个步骤模拟研 究拱肩槽边坡在开挖过程中的稳定性。 ３ 边坡开挖弹塑性有限元分析 通过有限元模拟计算分析，边坡在初始状态 和逐阶开挖加固下的变形、塑性区特点如下： （１）边坡在开挖前初始应力场下的变形如图 １所示，由自重引起的最大总位移变形９３．４ ｍｍ， 位于断层ｆ４ 一。和第五阶开挖的坡脚处。最大位移 变形１１．９ ｍｍ（朝向临空面），此时边坡在自重应 力下完成初始应变，处于自然稳定状态。 ｇｕＢ・ｌ ＵＸ ∞ Ｓ＾ 一 “８蛇 ．００￣３４２ ．．００３８４６ ６５１Ｅ．０３ ．００５１４７ Ｏ０９６４４ ．．００６，０９４ ．００１５９７ ００２８９９ ０Ｏ７３９６ Ｄ１１８９２ 图１ 边坡初始应力场下位移变形示意图 （２）边坡在开挖过程中产生的变形以卸荷回 弹变形和向临空面的变形为主。第一步开挖加固 后的情况见图２，边坡表面产生了１Ｉ ｍｍ的总压 圈Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗ盯 缩变形，水平方向产生了向临空面３．４３ ｍｍ的回 弹变形。一定程度的压缩变形有利于提高坡体的 稳定性，而向临空面发展的回弹变形是边坡失稳 的重要原因，但此时变形较小，边坡保持稳定。 （３）分析和对比１～４步的有限元变形结果， 得出边坡开挖加固变形规律：随着边坡开挖和加固 的逐阶进行，坡体产生一定的总压缩变形，且变形 值越来越小，趋于稳定；而水平方向产生向临空面 ＵＸ（ＡＶＧ） ．ｎｌｌ８５ －．００６７２８ ．．００１６０６ ．００３５１６ ．１１０８６３７ －．ＯＯ９２８９ ．．００４１６７ ９．５５Ｅ－０３ ０．０６０７６ ０．１１１￣￣ 图２边坡第一阶开挖位移变形示意图 的回弹变形，先增加后趋于稳定，最大达到１０ ｍｍ。这说明预应力锚索对边坡岩体提供的预应 力使岩体产生了一定程度的压缩变形，这些变形 提高了边坡岩体的密实度和整体性，极大地改善 了边坡整体稳定性；表面喷护混凝土的加固作用， 又在很大程度上限制了边坡变形；使边坡在开挖 支护过程中保持稳定。 （４）第五阶１ ８２５～１ ８１０ ｍ高程开挖的模拟： 按原有支护措施添加有限元单元计算无法收敛，尤 其是ｆ４２ 软弱夹层的部分单元产生了塑性屈服区 域，水平向变形和总变形大大超过了允许值，说明 开挖坡体在此阶段是不够稳定的，建议对软弱夹层 进行灌浆加固处理和加厚混凝土贴坡挡墙。 ４结论 笔者通过有限元模拟分析，得到以下结论： （１）根据边坡岩体的地形、地质条件，采取边 挖边锚、逐层开挖逐层支护的施工程序是合理的， 这种施工方式对于控制边坡变形、改善坡体受力 状态、维持开挖边坡的稳定性有积极的作用。 （２）边坡加固后，整体稳定性可以满足要求， （下转第８８页） 李小余等：瀑布沟电站地下洞室围岩变形特性研究 ２００８年第６期 ［７］ＨＩＢＩＮＯ Ｓ，ＭＯＴＯＪＩＭＡ Ｍ．Ｒｏｃｋｍａｓｓ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｒｇｅ— 李小余（１９８３－），男，重庆忠县人，在读硕士研究生，从事工程监测 ｓｃａｌｅ ｃａｖｅｌＴｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＨＵＤＳＯＮ Ｊ Ａ ｅｄ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎ— 及反演分析研究； ｓｉｖｅ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ，１９９３：６３ １— 费文平（１９７２－）．男，湖北天门人，讲师，博士，从事水工结构及岩 ６５１． 土工程数值模拟分析研究； ［８］ＨＩＢＩＮＯ Ｓ，ＭＯ ＦＯＪＩＭＡ Ｍ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｒｏｃｋ 陈科文（１９８４一），男，四ＪＩＩ南充人，在读硕士研究生，从事监测管理 ｍａｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｃａｖｅｎｌｓ［Ｃ］／／ＦＵＪＩ１ Ｔ 与资料分析工作； ｅｄ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｒｏｃｋ 薛守宁（Ｉ９８３－），男，甘肃白银人，在读硕士研究生，从事监测管理 Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ． 与资料分析工作； Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ：Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｍａ，１９９５：５８３－５８６． 肖钰（１９８２－），男，四川南充人，工程师。硕士．从事水利工程施 工技术工作． （责任编辑：李燕辉） 作者简介 （上接第８４页） 程学报，２００７，２６（１２）：２５４２—２５４３． 而且具有一定的安全裕度。预应力锚索对岩体的 ［２］朱伯芳．有限单元法原理与应用（第二版）［Ｍ］．北京：中 压缩变形，提高了边坡岩体的密实度和整体性，有 国水利水电出版社，１９９８ 利于边坡的整体稳定。锚杆和喷护混凝土限制了 作者简介： 黄春晖（１９８４－），男，河南周口人，在读硕士研究生，从事岩石高边坡研 局部岩体的变形，有利于局部岩体的稳定。 究； 参考文献： 郗举科（１９６４．），男．陕西凤翔人，教授级高工。硕士研究生导师， ［Ｉ］ 祝介旺，刘建友，伍法权．等．锦屏一级水电站左岸深部 从事水电工程施工技术管理与岩石高边坡的研究． 卸荷裂隙的加固方案及数值模拟研究［ｊ］．岩石力学与工 ｌ责任编辑：李燕辉） ｊ『◆…】◆…１４＂…ｆ◆…１４＂ＩＩＩＩ◆…Ｉ◆…】●…ｌ●…Ｉ◆Ｉ Ｉｊ◆…●ｌＩｌ４＂１…●ＩｌＩｌ◆川１◆…◆ＩＩＩＩ◆川；◆…【◆ｌ】ＩＩ●…Ｉ◆１【ＩＩ◆…ｆ◆…｛◆ＩＩＩｌ◆…ｌ◆ＩＩ＿Ｉ◆ｌｌＩＩ◆…Ｉ◆ＩＩ¨◆ＩＩＩＩ◆…◆ＩＩ Ｉ◆１ＩＩｌ◆…｝◆…ｌ◆…【◆ＩＩ¨◆ｌｌＩＩ◆ｌＩＩ◆｛Ｉ ｑｌ●…◆ｌＩＩｌ◆Ｉ Ｉ嘉陵江沙溪航电枢纽工程举行签字仪式 １０月９日，嘉陵江沙溪航电枢纽左岸闸坝及土建工程施工合同签字仪式在成都香格里拉饭店举行。四川港航开发 有限公司董事长贺晓春、副总经理曾崇勇、副书记王建中、水电五局有限公司总经理郑久存、公司党委书记申茂夏、公司 副总经理赵玉、五分局局长张强等参加了签字仪式。贺晓春、郑久存分别代表业主和施工方在合同书上签字。该航电枢 纽工程位于四川阆中沙溪镇嘉陵江干流上，航电枢纽的上游为苍溪梯级，下游与金银台梯级相连，航电枢纽距阆中市约 ｌ２公里，坝区的左岸紧邻２１２国道。沙溪航电枢纽为河床式电站，总装机容量为８．７万千瓦，共安装３台单机容量为２．９ 万千瓦的贯流式灯泡机组，工程等级为Ⅱ等工程。坝顶总长８３０米，左岸挡水坝最大高度３４．５米，顶宽ｌ０米。包括左 岸１１．５孑Ｌ泄洪闸、溢流坝、储门槽坝段及挡水坝、船闸、坝顶交通桥等部分，主要工程量为：土石方开挖８ｌ万立方米，土 石方填筑２８万立方米，锚杆２ ５１１根，混凝土浇筑４５万立方米，钢筋制安７ ３３５吨，固结灌浆１０ ５５５米，帷幕灌浆６ ６３７ 米。总工程２３个月。 专家建议尽快决策上马黄河古贤水利枢纽 近日，参加第十届中国科协年会黄河中下游水资源综合利用专题论坛上的专家建议尽快决策上马古贤水利枢纽，以 减少黄河下游河道淤积，构建完善的水沙调控体系。黄河多年平均径流量为５８０亿立方米，仅为长江的二十分之一，还 不及长江的最大支流——汉江的水量，而年输沙量却高达ｌ６亿吨，为世界之最。黄河水少沙多、水沙不平衡，根在泥沙。 黄河泥沙主要来自黄土高原。经过多年的研究，科研人员发现，１．８８万平方千米的粗沙集中来源区虽然仅占多沙粗沙 区总面积的１／４，而产生的总沙量、大于０．０５毫米和０．１毫米的粗沙分别占多沙粗沙区相应输沙量的三分之一、二分之 一、三分之二，该区域是不言而喻的产粗沙”大户”。古贤水利枢纽位于壶口瀑布上游ｌ０千米处，得天独厚的位置控制了 黄河泥沙的６６％、粗泥沙的８０％。专家认为古贤水利枢纽距离小浪底水利枢纽较近，与小浪底水库联合运用既可对上游 来的水沙进行有效调控，又可为下游的三门峡水库、小浪底水库提供水流动力条件，在黄河水沙调控体系的总体布局中 起着承上启下的作用，其战略地位极为重要。２００２年７月国务院批复《黄河近期重点治理开发规划》，要求”近期要抓紧 河口村、古贤水利枢纽等骨干工程和黑山峡河段开发的论证工作，加快南水北调西线前期工作步伐。”中国工程院曹楚 生院士认为，针对黄河水少、沙多，水沙不协调的实际状况，黄委提出的调水调沙策略是可行的和有效的。此方案的核心 在修建和发挥骨干枢纽的拦蓄洪水，并及时塑造一定量级的下泄的流量，对下游河道和水库进行冲刷和排淤。为此，黄 委提出来的古贤等工程应尽早修建的意见是合适的。 国电科环成立太阳能公司 ｌ０月１３日，国电科环集团注资成立国电宁夏太阳能有限公司。经营范围包括太阳能产品、原材料的生产、技术研 发、销售、经营、进出口业务及租赁业务。国电宁夏太阳能公司将选取全产业链发展战略，统筹规划，分步实施，优先建设 多晶硅原料提纯项目，分期建设多晶硅电池和薄膜电池项目，总体规划１０ ０００吨／年，一期建设２ ５００吨／年电子级多晶 硅生产线；今年ｌ０月开工，并将根据市场情况择期启动二期、三期、四期项目，力争在较短时间内成为世界上少数集成全 产业链、多晶硅、薄膜电池，具备自主开发能力的太阳能行业国际知名企业。 圈Ｓｉｃｈｕａ，ｌ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ