某水電站擋水壩段左岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定分析摘要邊坡及大壩整體穩(wěn)定分析一直是邊坡工程實際運用的熱點問題。我國西南地區(qū)水電資源豐富，但是開發(fā)條件較差，壩址區(qū)域通常是高山峽谷地帶，邊坡內(nèi)部地質(zhì)條件復雜，外力風化、地下水流作用、地質(zhì)內(nèi)力作用等均非常活躍，斷裂帶較多，對工程運行安全產(chǎn)生較大的威脅。在對沙坪一級選址區(qū)域的前期勘察過程中發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)左岸邊坡內(nèi)部存在較大的斷層F10和白云巖風化層，且左岸開挖面上方存在重要鐵路線，所以本論文選取該工程左岸邊坡及廠房整體，運用有限元法和有限差分法，分析其永久運行期的安全穩(wěn)定情況。本文首先設(shè)計了沙坪一級電站擋水壩段，得到在四種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和截面應力分布都符合規(guī)范要求，證明了所設(shè)計擋水壩型的合理性。本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了左岸邊坡和壩體實體模型，導入FLAC3D進行計算，進行強度參數(shù)折減后進行各個強度儲備系數(shù)下的平衡計算，得到計算圖進行分析。本文采用的臨界失穩(wěn)判據(jù)以產(chǎn)生貫穿型塑性屈服區(qū)域為主，位移突變時的強度儲備系數(shù)為輔，并佐以solvefos進行驗證。對五種工況下進行計算后分別得到各自的安全穩(wěn)定系數(shù)，都滿足規(guī)范要求，左岸邊坡整體在永久運行期是穩(wěn)定的。在失穩(wěn)過程中，均為下游邊坡率先出現(xiàn)貫穿型塑性屈服區(qū)導致剪切型滑坡，整體失穩(wěn)破壞，所以未來運行期對下游邊坡的監(jiān)測是非常重要的。在強度儲備系數(shù)增大直至破壞時，壩基及斷層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著各工況下水位上升，安全系數(shù)增加，這是由于水的壓固作用造成的，符合實際情況。在考慮地下水后，邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)降低，但降低程度不大，受地下水影響不大，主要受下游邊坡覆蓋層強度參數(shù)影響，滿足工程實際情況，也符合規(guī)范要求。關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；有限差分法；強度折減法；強度儲備系數(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論1.1項目研究的背景、目的及意義 表4.1.3壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)構(gòu)造類別變形模量GPa抗剪斷強度抗剪強度f’c’（MPa）fc（MPa）F10巖塊巖屑夾泥（全風化）0.3~0.50.35~0.450.04~0.080.3~0.40巖塊（強風化）1~20.50~0.550.12~0.200.50小斷層巖塊巖屑（f130等）0.3~0.50.45~0.550.10~0.150.4~0.50巖塊巖屑夾泥（f88等）0.35~0.450.05~0.100.3~0.40層面裂隙無充填型0.50~0.550.05~0.100.50~0.550表4.1.4建筑材料靜力特性編號材料容重(kN/m3)軸心抗壓強度（MPa）軸心抗拉強度（MPa）彈性模量（GPa）泊松比線膨脹系數(shù)標準值設(shè)計值標準值設(shè)計值1膠結(jié)砂礫石22.78.06.40.650.5212.00.167/2C2024.013.49.61.541.1025.50.1671.0×10-5/℃3C2524.016.711.91.781.2728.00.1671.0×10-5/℃4C3024.020.114.32.011.4330.00.1671.0×10-5/℃5C4024.026.819.12.391.7132.50.1671.0×10-5/℃6C4524.029.621.12.511.8033.50.1671.0×10-5/℃表4.1.5護坡錨桿力學參數(shù)材料鉆孔直徑（mm）橫截面積（m2）錨固力（KN）容重（kN/m3）彈性模量（GPa）水泥砂漿粘結(jié)剛度（N/m2）水泥砂漿粘結(jié)強度（N/m）與水平方向夾角HRB400螺紋鋼1108.04×10-42502400202.0×1081.0×10620°混凝土及膠結(jié)砂礫石層面抗剪斷強度標準值如下：(1)常態(tài)混凝土（90d）：抗剪斷摩擦系數(shù)fck'=1.4，抗剪斷凝聚力(2)膠結(jié)砂礫石：抗剪斷摩擦系數(shù)fck'=1.0，抗剪斷凝聚力c4.1.2材料滲流參數(shù)主要考慮模型壩基巖體和大壩混凝土的滲透系數(shù)以計算巖體內(nèi)的滲透體積力。在前期勘探結(jié)果中發(fā)現(xiàn)巖體分為透水層和不透水層，兩者的滲透系數(shù)差別較大，各巖體的滲透系數(shù)如表4.1.6所示。表4.1.6壩基巖體及覆蓋層滲透系數(shù)取值表材料種類滲透系數(shù)(cm/s)允許坡降砂卵石3.00×10-30.10~0.15大塊石1.00×10-10.10~0.15覆蓋層4.50×10-20.10~0.15輝綠巖3Lu以上5.12×10-53輝綠巖3Lu以下1.67×10-53白云巖3Lu以上6.73×10-52白云巖3Lu以下2.39×10-52玄武巖3Lu以上8.10×10-53.5玄武巖3Lu以下3.33×10-53.5防滲帷幕1.67×10-5-F10斷層帶-巖7.00×10-40.4F10斷層帶-土5.00×10-50.4斷層影響帶8.50×10-4-混凝土1×10-730膠結(jié)砂礫石1×10-7304.1.3計算工況在壩體完建后，根據(jù)設(shè)計要求主要考慮5種工況進行計算，各個工況對應水位如表4.1.7。表4.1.7各工況水位資料計算工況上游水位（m）下游水位（m）備注工況2：完建情況--工況3：正常蓄水位情況577.00554.63下游1臺機組發(fā)電工況4：正常蓄水位情況577.00560.67下游6臺機組發(fā)電工況5：設(shè)計洪水位情況574.29572.67工況6：校核洪水位情況578.35576.114.2有限元模型建立由于山體內(nèi)部地下水位資料的缺失，在該章節(jié)中的建模計算忽略了左岸邊坡內(nèi)部地下水的影響，僅考慮上下游蓄水水位的影響，計算邊坡內(nèi)部的滲透體積力。在后面的第五章會介紹運用迭代法求解內(nèi)部地下水影響下的邊坡穩(wěn)定情況。4.2.1模型邊界范圍在進行沙坪一級左岸邊坡整體穩(wěn)定分析時，主要研究對象為左岸邊坡和水工建筑物整體的情況，所以在進行建模時著重于工程建設(shè)左岸區(qū)域。本模型對沙坪一級電站完建后永久運行期情況進行分析，考慮基礎(chǔ)灌漿處理以及邊坡支護措施，模型元件包括左岸整體邊坡及F10斷層、左岸廠房安裝間、左岸魚道壩段及其建筑物基礎(chǔ)、開挖前添加邊坡支護以及開挖后的壩基帷幕灌漿和固結(jié)灌漿部分等，對上述整體進行有限元建模網(wǎng)格劃分，運用拉格朗日差分法進行非線性計算。根據(jù)建模內(nèi)容確定模型的邊界為閘門軸線上游300m至下游400m共700m的上下游范圍，取該方向為x方向，朝向下游為正；取閘門左岸126.6m至左岸262.04m為左右岸范圍，取該方向為y方向，左為正；取高程432.7m至647.7m為鉛直范圍，向上為z正方向。建模計算時，對模型上下游、左右岸邊界進行法相約束，對模型底部邊界進行全約束。4.2.2ANSYS建模ANSYS建模為自下而上、點線面體式建模，在此模型中，遵循ANSYS建模規(guī)律，將整體模型分為7斷面8塊體進行塊體建模。首先將設(shè)計院提供的地形線圖紙導入ANSYS中擬合成地形面，后將地質(zhì)斷面圖以及開挖建設(shè)圖依次導入，用截面的連線構(gòu)成各種地質(zhì)分界扭面，后形成各種地質(zhì)體，如下圖4.2.1；進行開挖面布爾操作構(gòu)造開挖模型，根據(jù)廠房關(guān)鍵點位置建立廠房模型，最后得到實體模型。將得到的實體模型進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)計算要求進行單元分組。最終得到369101各單元，并將這些單元按照巖體名稱分為白云巖、輝綠巖、斷層、影響帶、覆蓋層等多種單元組，如下圖4.2.2。圖4.2.1塊體及截面位置圖4.2.2材料分區(qū)單元組4.2.3FLAC3D計算模型對于ANSYS已經(jīng)建立好的模型，需要導入FLAC3D進行有限差分法計算。導入的關(guān)鍵是對ANSYS軟件中劃分完網(wǎng)格的模型，其節(jié)點、單元編號及坐標完整的導出為FLAC3D可讀的文本文檔，筆者編寫了APDL語言進行節(jié)點和單元的導出。之后，對單元分組也需要準確的導出，ANSYS中的單元分組也就是FALC33D中的不同材料參數(shù)的分組，筆者同樣編寫了APDL語言實現(xiàn)單元分組導出為文本文檔的功能。最終將節(jié)點編號及坐標、單元編號及對應節(jié)點、分組名稱及其相應單元都放置于同一個文本文檔建立FLAC3D可讀的計算模型，再編寫FISH命令流實現(xiàn)安全系數(shù)計算，模型圖如4.2.3。圖4.2.3FLAC計算模型4.3完建工況穩(wěn)定分析下圖是各個強度儲備系數(shù)（折減系數(shù)）下的模型state發(fā)展變化圖，其中深藍色區(qū)域表示未屈服區(qū)，也就是模型初期直到平衡也沒有出現(xiàn)塑性屈服破壞的區(qū)域；灰色表示在模型計算平衡之前曾經(jīng)出現(xiàn)過屈服，但是現(xiàn)在并未塑性屈服的區(qū)域；紅色表示現(xiàn)在仍發(fā)生剪切塑性屈服的區(qū)域；洋紅色表示模型現(xiàn)在發(fā)生張拉塑性屈服的區(qū)域。觀察各個強度儲備系數(shù)下的塑性區(qū)域圖，如圖4.3.1，我們可以發(fā)現(xiàn)：當強度儲備系數(shù)為1.0時，模型僅僅先前出現(xiàn)過屈服區(qū)域，但是達到平衡時并沒有屈服區(qū)域，整個邊坡穩(wěn)定情況良好，壩肩部位穩(wěn)定，大壩上下游情況也很好；當強度儲備系數(shù)為1.1時，出現(xiàn)了少量的塑性屈服區(qū)域，主要集中于大壩上下游鐵路以下的邊坡及河床段，斷層中也出現(xiàn)了少量的屈服區(qū)域，但是壩肩較為穩(wěn)定；強度儲備系數(shù)為1.2時，下游塑性區(qū)域發(fā)展，鐵路線以上出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)域并持續(xù)擴大，但是基本都是邊坡表面覆蓋層；強度儲備系數(shù)為1.3時，上下游覆蓋層剪切塑性區(qū)繼續(xù)擴大；強度儲備系數(shù)為1.4時，覆蓋層表面塑性區(qū)域基本不變，但是較深覆蓋層處出現(xiàn)塑性區(qū)域，出現(xiàn)從坡腳發(fā)展的貫通趨勢；當強度儲備系數(shù)為1.5時，下游塑性區(qū)域基本貫通，由后面的監(jiān)測點位移情況發(fā)現(xiàn)位移急劇增加，此時邊坡整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，下游坡面發(fā)生滑動破壞導致邊坡卸荷，上游的塑性屈服區(qū)域逐漸減小。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.1工況2塑性區(qū)變化圖為了更好的研究模型內(nèi)部的塑性區(qū)域變化情況，直觀的觀察到斷層區(qū)域的破壞情況以及發(fā)展規(guī)律，論證從整體邊坡塑性區(qū)域變化圖得到的安全系數(shù)的正確性，我們繼續(xù)選取了閘上0+195.36、壩軸線0+000、閘下0+222.38三個截面分別研究大壩上游邊坡、大壩段、大壩下游邊坡的內(nèi)部巖體的塑性區(qū)域破壞變化情況。在閘上0+195.36斷面，如下圖4.3.2，當強度儲備系數(shù)為1.0時，邊坡內(nèi)部并未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，當強度儲備系數(shù)升為1.1時，覆蓋層表面出現(xiàn)了剪切塑性區(qū)，斷層中也出現(xiàn)了剪切塑性區(qū)，但是并未發(fā)展到斷層以外，且并未產(chǎn)生連續(xù)貫穿，對穩(wěn)定影響不大，當強度儲備系數(shù)一直升至1.4時，覆蓋層的塑性區(qū)域面積持續(xù)增大，但斷層的塑性區(qū)域繼續(xù)減少直至消失，最終全為覆蓋層表面的塑性屈服區(qū)，且并未完全貫通，當強度儲備系數(shù)為1.5，由于下游邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)卸荷，上游應力重分布，覆蓋層穩(wěn)定時并未出現(xiàn)屈服區(qū)。在壩軸線斷面，如下圖4.3.3，安全系數(shù)從1.0升至1.5的過程中，邊坡內(nèi)部及覆蓋層均未出現(xiàn)明顯的塑性屈服區(qū)域，大壩段邊坡較為穩(wěn)定，說明基礎(chǔ)固結(jié)灌漿和壩肩處的支護等措施起到了良好的效果。在壩下0+222.38斷面，如下圖4.3.4，強度儲備系數(shù)為1.0時，邊坡覆蓋層及內(nèi)部巖體未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，當強度儲備系數(shù)逐漸增至1.4時，表面覆蓋層塑性區(qū)域逐步增大，但是并未完全貫通，巖體內(nèi)部也逐漸出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，當強度儲備系數(shù)增至1.5時，覆蓋層出現(xiàn)了從邊界頂部到邊界坡腳的貫穿型塑性屈服區(qū)域，且以剪切塑性區(qū)域為主，符合剪切性滑坡的條件，由于卸荷作用和應力重分布，邊坡內(nèi)部的塑性屈服區(qū)域消失。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.2工況2閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.3工況2壩軸線0+000截面塑性區(qū)（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.4工況2閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖繼續(xù)取順河向斷面研究在順河向方向，上下游塑性屈服區(qū)域變化的不同以及趨勢，觀察塑性屈服區(qū)域出現(xiàn)的位置及上下游的相對破壞程度。所取斷面為閘左0+135.85、閘左0+160.10和閘左0+196三個斷面。在閘左0+135.85斷面和閘左0+160.10斷面，如圖4.3.5和圖4.3.6，強度儲備系數(shù)由1.0至1.5逐步增大過程中，下游邊坡表面的塑性屈服區(qū)域不斷拓展，直至發(fā)展成為從下游邊界到坡腳的貫通形剪切塑性區(qū)，證明了邊坡破壞為剪切形破壞，并在儲備系數(shù)為1.5時出現(xiàn)貫通，但是上游河床以及邊坡出現(xiàn)塑性屈服的區(qū)域范圍較少，對穩(wěn)定的影響不大。在閘左0+196斷面，如圖4.3.7，強度儲備系數(shù)從1.0升至1.4的過程中，由于該處邊坡高程較高，坡度較陡，上下游均出現(xiàn)了不同程度的剪切塑性區(qū)域且不斷拓展，且下游范圍明顯多于上游，下游逐漸具有出現(xiàn)從坡腳到坡頂?shù)呢灤┬挖厔?，在強度儲備系?shù)升至1.5時，下游出現(xiàn)了完全貫穿式的剪切塑性區(qū)域，下游邊坡整體失穩(wěn)滑坡，所以下游邊坡的穩(wěn)定情況決定模型整體的穩(wěn)定情況。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.5工況2閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.6工況2閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.7工況2閘左0+196.00截面塑性區(qū)變化圖為了著重研究斷層的穩(wěn)定情況，特別將F10斷層組件單獨提出觀察其塑性區(qū)域變化情況，如圖4.3.8。在強度儲備系數(shù)從1.0升至1.5的過程中，斷層未出現(xiàn)明顯的大范圍貫通塑性區(qū)域，僅僅在靠近覆蓋層以及靠近斷層影響帶的區(qū)域出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，所以斷層整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，對安全系數(shù)的影響不大。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.3.8工況2F10斷層塑性區(qū)變化圖為了運用臨界失穩(wěn)狀態(tài)的位移判據(jù)側(cè)面證明所得出的強度儲備系數(shù)的合理性，在邊坡模型上取特征點位監(jiān)測位移發(fā)展，點位分別位于上游邊坡、下游邊坡、上游鐵路路基、下游鐵路路基、建基面底部、建基面偏下游位置和F10斷層位置，如下圖4.3.9。繪制監(jiān)測點位移與強度儲備系數(shù)的函數(shù)圖像，查看突變時的強度儲備系數(shù)來確定穩(wěn)定安全系數(shù)。圖4.3.9邊坡各特征點位置分布圖下圖4.3.10是該工況下六個特征點在X、Y、Z三個方向上的位移與強度儲備系數(shù)的統(tǒng)計變化圖。圖中表明，六個特征點在X、Y、Z方向的位移變化基本一致，在強度儲備系數(shù)1.5以下，位移值較低，保持穩(wěn)定升高，在1.5以上后，位移急劇發(fā)展，呈不收斂趨勢。所以，其側(cè)面證明了該工況下安全系數(shù)為1.5的合理性根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》DL/T5353-2006及《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB1001-2016/J447-2016的邊坡穩(wěn)定性評價標準，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY（c）特征點鉛直向位移UZ圖4.3.10特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖4.4正常蓄水一臺機組發(fā)電工況穩(wěn)定分析如下圖4.4.1，下圖為模型整體塑性區(qū)域的變化情況。當強度儲備系數(shù)為1.0時，僅在上游壩肩部位出現(xiàn)一點點的張拉塑性區(qū)域；當強度儲備系數(shù)增大至1.1時，大壩下游覆蓋層及底部出現(xiàn)較多的塑性屈服區(qū)域，但是未發(fā)生貫通；強度儲備系數(shù)逐漸增大至1.4時，下游覆蓋層及壩底處的剪切塑性區(qū)域繼續(xù)擴張，但是上游部分仍未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，這是因為蓄水給上游邊坡表面提供了較大的法向壓應力，提高了覆蓋層抗剪強度，符合摩爾-庫倫強度準則的計算結(jié)果；當強度儲備系數(shù)升至1.52時，我們可以很明顯的看到下游覆蓋層出現(xiàn)了從坡腳到左側(cè)以及下游坡頂?shù)呢灤┬退苄詤^(qū)域，剪切形塑性區(qū)域集中在邊坡中部，張拉形塑性區(qū)域集中在邊坡頂部的小部分區(qū)域內(nèi)，坡面各特征點位移急劇增大，整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.1工況3塑性區(qū)變化圖繼續(xù)采用完建工況時確定的斷面研究邊坡內(nèi)部的塑性區(qū)域變化情況，如下圖4.4.2、圖4.4.3、圖4.4.4。在閘上0+195.36斷面，強度儲備系數(shù)從1.0增加至1.52的過程中，覆蓋層和邊坡內(nèi)部基本不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，符合摩爾-庫倫強度準則。在壩軸線位置，強度儲備系數(shù)為1.0時，出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，主要為壩肩以上覆蓋層表面，當強度儲備系數(shù)逐步增加到1.4時，塑性屈服區(qū)域逐漸擴大，覆蓋層與斷層的塑性屈服區(qū)域逐漸相連，但是未出現(xiàn)明顯的從坡腳到坡頂?shù)呢灤┬退苄詤^(qū)域，但強度儲備系數(shù)提高到1.52時，塑性屈服區(qū)域減少，這是因為下游邊坡失穩(wěn)滑坡導致卸荷作用，壩肩應力重分布。在閘下0+222.38斷面，當強度儲備系數(shù)為1.0時，覆蓋層和邊坡內(nèi)部均為出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，當強度儲備系數(shù)升至1.1時，覆蓋層出現(xiàn)了很大范圍的塑性屈服區(qū)域，鐵路以下以剪切型塑性區(qū)為主，鐵路以上以張拉型塑性區(qū)為主，但是未向河床發(fā)展，強度儲備系數(shù)發(fā)展到1.4時，剪切型塑性區(qū)域向鐵路上方擴展，當強度儲備系數(shù)增至1.52時，河床全部出現(xiàn)剪切塑性區(qū)域，出現(xiàn)連續(xù)貫通，邊坡整體已經(jīng)超過臨界穩(wěn)定狀態(tài)，下游邊坡出現(xiàn)剪切型滑坡。（a）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.2工況3閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.4（c）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.3工況3閘軸線0+000截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.4工況3閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖在順河向所取斷面依舊不變，如下圖。在閘左0+135.85和閘左0+160.10斷面處，在強度儲備系數(shù)從1.0到1.4升高的過程中，壩基底部和下游邊坡覆蓋層的塑性屈服區(qū)域不斷擴展，壩基處在該斷面雖出現(xiàn)了貫通，但是壩基其他斷面仍未貫通，所以壩基處不出現(xiàn)剪切型滑坡，下游覆蓋層逐漸出現(xiàn)貫通，當強度儲備系數(shù)升為1.52時，出現(xiàn)了從下游邊界頂部到大壩下游壩基處的貫穿型剪切型滑坡。在閘左0+196.60斷面，強度儲備系數(shù)從1.0增至1.52時，首先在壩基以及下游邊坡覆蓋層下層出現(xiàn)剪切型塑性區(qū)，壩基部位屈服區(qū)域慢慢發(fā)展到壩基深層，但是未在壩基表層出現(xiàn)貫穿通道，覆蓋層部位漸漸向表層拓展，到達1.52時，覆蓋層表面甚至河床水下部分均出現(xiàn)了滑坡破壞，整個下游邊坡完全失穩(wěn)。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.5工況3閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.6工況3閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.7工況3閘左0+196.60截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.4.8，下圖是該工況下F10斷層的塑性區(qū)域發(fā)展情況。在強度儲備系數(shù)從1.0升至1.52的過程中，斷層中的剪切型塑性區(qū)域不斷拓展，主要集中在壩基部位，主要趨勢是由斷層表面向深層擴張，但是并未在壩基表面出現(xiàn)貫穿型的塑性區(qū)域，所以斷層整體是穩(wěn)定的，對安全系數(shù)的影響不大。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.4.8工況3F10斷層塑性區(qū)變化圖對該工況下的特征點進行三個方向的位移監(jiān)測，建立強度儲備系數(shù)與位移的關(guān)系統(tǒng)計圖，如下圖4.4.9。不同特征點和不同方向上的位移變化趨勢基本一致，強度儲備系數(shù)在1.0至1.4之間，增長緩慢且位移值不大；強度儲備系數(shù)進入1.4后，位移開始出現(xiàn)波動，在1.48至1.52之間，出現(xiàn)位移突變，邊坡進入失穩(wěn)狀態(tài)。通過位移突變判據(jù)側(cè)面論證，基本可以確定工況三下的邊坡整體安全系數(shù)為1.52。該邊坡是穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY（c）特征點鉛直向位移UZ圖4.4.9特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖4.5正常蓄水六臺機組發(fā)電工況穩(wěn)定分析如下圖4.5.1，下圖是模型整體在不同強度儲備系數(shù)下的塑性屈服區(qū)域變化情況。當強度儲備系數(shù)為1.0時，邊坡表面覆蓋層基本不出現(xiàn)塑性區(qū)域；當強度儲備系數(shù)變?yōu)?.1時，下游靠近大壩邊坡部分出現(xiàn)少量的塑性區(qū)域，壩基也出現(xiàn)剪切塑性區(qū)；當強度儲備系數(shù)逐漸升至1.4時，塑性屈服區(qū)域由壩下游坡腳向坡頂和壩肩靠上游部分擴展，但是由于上下游蓄水的作用，上游和下游河床部分基本不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)升至1.52時，下游塑性區(qū)域完全延伸至下游邊界坡頂，產(chǎn)生兩邊環(huán)繞的塑性屈服區(qū)域并貫通至河床，邊坡失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.1工況4塑性區(qū)變化圖如下圖4.5.2至圖4.5.4，下圖是三個典型橫河斷面的塑性屈服區(qū)域變化圖。在閘上0+195.36斷面，在強度儲備系數(shù)增大的過程中，除斷層靠近覆蓋層部分出現(xiàn)少量的剪切塑性屈服區(qū)域外，基本沒出現(xiàn)塑性屈服，上游部分蓄水，作用于河床表面的法向水壓力使上游部分較為穩(wěn)定。在壩軸線斷面，強度儲備系數(shù)為1.1時，壩肩以下覆蓋層及斷層出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，隨著強度儲備系數(shù)增大至1.4時，塑性屈服區(qū)域逐漸拓展至覆蓋層上部及斷層下部，但是并未貫通，隨著強度儲備系數(shù)升至1.52，下游覆蓋層出現(xiàn)滑坡，下游的卸荷作用導致壩肩部位塑性屈服區(qū)域面積突降。在閘下0+222.38斷面，強度儲備系數(shù)為1.0時，整體是穩(wěn)定的，在強度儲備系數(shù)從1.1升至1.4的過程中，覆蓋層的剪切塑性區(qū)域取代了張拉塑性區(qū)域，在強度儲備系數(shù)為1.52時，產(chǎn)生了從坡頂?shù)狡履_的貫通型剪切破壞區(qū)，下游邊坡發(fā)生破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1.3（b）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.2工況4閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.3工況4閘軸線0+000截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.5.4工況4閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.5.5至圖4.5.7，下圖是三個順河向的塑性屈服區(qū)域變化斷面圖。在閘左0+135.85和閘左0+160.10斷面處，隨著強度儲備系數(shù)從1.0升至1.52時，壩基處出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，先由壩基表面向內(nèi)部延伸，后逐漸降低，但是始終未產(chǎn)生貫通，下游邊坡塑性屈服區(qū)域逐漸增大，在1.52時產(chǎn)生覆蓋層產(chǎn)生貫通型塑性屈服區(qū)域，上游河床由于水壓力的作用，并未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，整體較為穩(wěn)定。在閘左0+196.00斷面，強度儲備系數(shù)變?yōu)?.1時，壩下游邊坡覆蓋層底部和壩基處均出現(xiàn)了塑性屈服區(qū)域，隨著強度儲備系數(shù)的增大，塑性屈服區(qū)域開始向覆蓋層表面、壩基底部以及壩上游斷層部分拓展，當強度儲備系數(shù)變?yōu)?.52時，下游覆蓋層出現(xiàn)了從下游邊界坡頂?shù)酱髩蜗掠蚊娴呢灤┬图羟兴苄郧^(qū)，下游邊坡整體失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.5圖4.5.5工況4閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.6工況4閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.7工況4閘左0+196.60截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.5.8，下圖是F10斷層內(nèi)部的塑性屈服區(qū)域的變化情況。當強度儲備系數(shù)逐漸增大時，斷層的塑性屈服區(qū)域主要集中在壩基部位以及壩下游部分，隨著強度儲備系數(shù)的增大，面積也逐漸增大，但并未產(chǎn)生貫通的屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)變?yōu)?.52時，由于下游覆蓋層滑坡，斷層在壩基靠上游部位的屈服區(qū)域消失。在變化過程中，斷層整體是穩(wěn)定的。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.52圖4.5.8工況4F10斷層塑性區(qū)變化圖如下圖4.5.9，下圖是特征點的位移隨強度儲備系數(shù)變化的關(guān)系圖。三個方向上的位移在1.0至1.5之間穩(wěn)定上升且數(shù)值較小，在1.52時下游鐵路和下游邊坡位移發(fā)生突變，位移急劇增長，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。所以下游邊坡最先失穩(wěn)，且失穩(wěn)時上游部分以及斷層仍較為穩(wěn)定。綜上所述，此工況下整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.52，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價標準，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY特征點鉛直向位移UZ圖4.5.9特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖4.6設(shè)計洪水位工況穩(wěn)定分析如圖4.6.1，下圖是模型整體在不同強度儲備系數(shù)下的塑性屈服區(qū)域變化圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)，在強度儲備儲備系數(shù)為1至1.1的過程中，只有下游邊坡覆蓋層和壩基表面出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，F(xiàn)10斷層區(qū)域也出現(xiàn)少量的屈服單元；當強度儲備系數(shù)為1.2時，塑性屈服區(qū)域擴大，主要為下游邊坡覆蓋層表面零星出現(xiàn)以及壩肩鐵路以下部位；當強度儲備系數(shù)為1.3時，下游坡面塑性屈服區(qū)域急劇增大，由零星變?yōu)橄嗷ミB接的塑性屈服區(qū)域，但是集中在壩下游河床以上段；強度儲備系數(shù)逐漸增大至1.5時，塑性屈服區(qū)域逐漸擴展到更下游邊坡處，但是覆蓋層底部未完全貫通；當強度儲備系數(shù)未1.54時，下游坡面覆蓋層屈服區(qū)域完全貫通，從坡頂至坡腳均出現(xiàn)塑性區(qū)域，整體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5（g）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.1工況5塑性區(qū)變化圖如圖4.6.2至圖4.6.4，是模型三個典型橫河向斷面塑性區(qū)域變化圖。由圖可知，在閘上0+195.36處，強度儲備系數(shù)增大直至破壞，均未產(chǎn)生明顯的塑性屈服區(qū)域，整體非常穩(wěn)定，對穩(wěn)定系數(shù)的影響很小。在壩軸線0+000斷面處，強度儲備系數(shù)增至1.1的過程中，基本不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，當強度儲備系數(shù)增至1.2時，壩基及斷層上表面出現(xiàn)少量的剪切塑性屈服區(qū)域，強度儲備系數(shù)增至1.5時，塑性屈服區(qū)域繼續(xù)增長，從壩基覆蓋層坡腳延伸至鐵路以下坡頂，斷層內(nèi)部也出現(xiàn)延伸，但是未產(chǎn)生貫通，當強度儲備系數(shù)為1.54時，下游邊坡整體破壞發(fā)生滑坡卸荷，壩肩部位的塑性屈服區(qū)域面積降低。在閘下0+222.38斷面處，強度儲備系數(shù)增至1.1的過程中，基本只出現(xiàn)零星的塑性屈服區(qū)域，當變?yōu)?.2時，下游覆蓋層頂部率先出現(xiàn)剪切型塑性屈服區(qū)域，主要與下游水位升高有關(guān)，法向水壓力的作用范圍以及壓力值均升高，所以坡腳較為穩(wěn)定，當安全儲備系數(shù)增至1.4時，覆蓋層塑性屈服區(qū)域逐漸連續(xù)并向坡腳擴展，最終當安全儲備系數(shù)為1.54時，覆蓋層完全出現(xiàn)了貫穿型塑性屈服區(qū)域，邊坡不再穩(wěn)定，發(fā)生滑坡。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.2工況5閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.5（d）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.3工況5閘軸線0+000截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.4工況5閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.6.4至圖4.6.6，下圖是順河向斷面的塑性區(qū)域變化圖。在閘左0+160.10和閘左0+135.85斷面，強度儲備系數(shù)從1增至1.5的過程中，壩基處和下游順河向邊坡出現(xiàn)了塑性屈服區(qū)，且面積原來越大，呈貫通趨勢，主要存在于下游覆蓋層表層，河床部位由于蓄水的影響以及大壩上游邊坡并未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)，當安全儲備系數(shù)變?yōu)?.54時，下游邊坡出現(xiàn)貫穿型塑性區(qū)域，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，由于卸荷作用壩基處的部分塑性區(qū)域消失。在閘左0+196.00斷面處，強度儲備系數(shù)為1.1時，壩基下游以及下游順河向邊坡覆蓋層底部出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，隨著強度儲備系數(shù)從1.1增至1.5的過程中，塑性屈服區(qū)域面積逐漸擴大，從覆蓋層底層向靠近大壩以及覆蓋層表層擴展，壩基處塑性屈服區(qū)也大面積擴張至底部和壩上游，但是都未出現(xiàn)貫穿地基和邊坡的塑性區(qū)域，當強度折減系數(shù)變?yōu)?.54時，下游邊坡覆蓋層剪切型塑性區(qū)完全從坡頂貫穿到大壩下游面，整個邊坡失穩(wěn)破壞，地基塑性區(qū)域減小。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.5工況5閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.6工況5閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.7工況5閘左0+196.60截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.6.8，下圖是該工況下F10斷層內(nèi)部的塑性區(qū)域變化情況圖。強度儲備系數(shù)增大的過程中，塑性屈服區(qū)域主要集中于壩基底部大壩下游部分，且剛開始位于靠近覆蓋層表面，之后越來越深入斷層內(nèi)部，但是并未見到明顯的貫通區(qū)域。當強度儲備系數(shù)增至1.54時，壩基處的塑性屈服區(qū)域面積減小。在強度儲備系數(shù)增大至下游邊坡失穩(wěn)的過程中，斷層始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.54圖4.6.8工況5F10斷層塑性區(qū)變化圖如下圖4.6.9是邊坡特征點的位移與強度儲備系數(shù)的關(guān)系變化圖，由圖可知，當安全系數(shù)變?yōu)?.54時，下游邊坡特征點在三個方向上都產(chǎn)生了位移突變，下游鐵路點也產(chǎn)生了較大位移，其他特征點仍沒有明顯的位移突變。所以邊坡破壞率先發(fā)生在下游邊坡。綜上所述，該工況下模型整體安全系數(shù)未1.54。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價標準，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY（c）特征點鉛直向位移UZ圖4.6.9特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖4.7校核洪水位工況穩(wěn)定分析如下圖4.7.1是模型整體在不同強度儲備系數(shù)下的塑性區(qū)域變化情況圖。在強度儲備系數(shù)為1時，邊坡表面基本未出現(xiàn)塑性區(qū)域；當強度儲備系數(shù)為1.1時，壩基底部、壩肩上部以及邊坡下游邊界處出現(xiàn)了少量的塑性區(qū)域；當強度儲備系數(shù)升至1.2時，壩肩和壩基處的塑性區(qū)域面積擴大，下游鐵路上下邊坡部位均出現(xiàn)了少量的塑性屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)升至1.3時，塑性區(qū)域向河床和邊坡頂部延伸，下游邊界處也向河床部位擴展，但是上游部位一直未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)為1.4時，鐵路上部和下部邊坡的塑性屈服區(qū)域基本連接，但是未完全延伸至河床底部，出現(xiàn)貫通趨勢；當強度儲備系數(shù)最后升至1.55時，下游邊坡出現(xiàn)了完整的貫穿型塑性屈服區(qū)域，壩基處屈服區(qū)域減小，下游邊坡完全失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.5（g）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.1工況6塑性區(qū)變化圖如下圖4.7.2至圖4.7.4，是三個典型橫河向斷面內(nèi)部的塑性區(qū)域分布圖。在閘上0+195.36斷面，在強度儲備系數(shù)增大的過程中，由于較高的水位，上游邊坡及內(nèi)部基本沒出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域。在壩軸線0+000斷面，強度儲備系數(shù)為1.0至1.1時，基本不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，強度儲備系數(shù)為1.2時，壩底及斷層出現(xiàn)剪切型塑性屈服區(qū)域，隨著強度儲備系數(shù)增大至1.5，塑性屈服區(qū)域逐漸增大，集中于大壩底部以及斷層靠近覆蓋層位置，當強度儲備系數(shù)最終升至1.55時，塑性屈服區(qū)域面積突然降低，說明發(fā)生了卸荷作用導致應力重分布，下游壩坡失穩(wěn)破壞。在閘下0+222.38斷面，強度儲備系數(shù)增大至1.5的過程中，首先在鐵路周圍的邊坡覆蓋層出現(xiàn)剪切型塑性屈服區(qū)域，然后慢慢擴展到邊坡底部河床部分，呈現(xiàn)覆蓋層貫穿趨勢，最后當強度儲備系數(shù)變?yōu)?.55時，下游邊坡出現(xiàn)連通的貫穿型塑性屈服區(qū)，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生滑坡。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.2工況6閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.5（d）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.3工況6閘軸線0+000截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.5（d）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.4工況6閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.7.5至圖4.7.7，下圖是三個順河向斷面的塑性區(qū)域變化圖。在閘左0+135.85斷面，強度儲備系數(shù)為1時，不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，強度儲備系數(shù)從1.1增至1.5的過程中，壩基和下游邊坡靠下游邊界的坡頂出現(xiàn)剪切型塑性屈服區(qū)域，并且一直在不斷擴大，強度儲備系數(shù)為1.55時，壩基處減小，下游邊界坡頂覆蓋層表面出現(xiàn)貫穿塑性屈服區(qū)域。在閘左0+160.10斷面，強度儲備系數(shù)從1.0升至1.5的過程中，下游邊坡出現(xiàn)較大的塑性屈服區(qū)域，且剛開始為覆蓋層底部先出現(xiàn)剪切型破壞，慢慢轉(zhuǎn)移到覆蓋層表面且具有貫通趨勢，壩基處的塑性屈服區(qū)域也慢慢由中間向上下游兩側(cè)及底部拓展，但是未出現(xiàn)貫穿型屈服區(qū)，當強度儲備系數(shù)增至1.55，壩基處塑性屈服區(qū)域減小，下游邊坡形成貫穿型塑性屈服區(qū)域，發(fā)生滑坡破壞。在閘左0+196.60斷面，強度儲備系數(shù)為1.1時，在壩肩下游和覆蓋層底部出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，隨著強度儲備系數(shù)的增大，慢慢拓展到壩基深層及壩基上下游較大區(qū)域，邊坡覆蓋層塑性屈服區(qū)向大壩下游面拓展，直至河床，逐漸出現(xiàn)貫通趨勢，在強度儲備系數(shù)為1.55時，邊坡完全失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.5工況6閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.6工況6閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.5（d）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.7工況6閘左0+196.60截面塑性區(qū)變化圖如下圖4.7.8是F10斷層內(nèi)部塑性屈服區(qū)域的變化情況。在強度儲備系數(shù)增大的過程中，剪切型塑性屈服區(qū)域面積不斷增大，主要集中于壩基以及大壩下游不遠處，直至增長至下游邊坡失穩(wěn)破壞，斷層內(nèi)部也仍未出現(xiàn)貫穿型塑性屈服區(qū)域，斷層整體是穩(wěn)定的。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.5（c）強度儲備系數(shù)為1.55圖4.7.8工況6F10斷層塑性區(qū)變化圖如下圖4.7.8，下圖是特征點三個方向上位移與強度儲備系數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系圖。在強度儲備系數(shù)為1.5之前，位移數(shù)值基本較小，增長情況不明顯，基本保持穩(wěn)定。在強度儲備系數(shù)為1.55后，下游邊坡和下游鐵路的位移發(fā)生根本變化，出現(xiàn)了驟增，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，發(fā)生區(qū)域主要集中在下游邊坡部分，斷層、邊坡上游及壩基表面位移依舊較小，未發(fā)生滑坡破壞。綜上所述該工況下邊坡及大壩整體安全系數(shù)為1.55，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價標準，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY（c）特征點鉛直向位移UZ圖4.7.9特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖4.8左岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定分析小結(jié)將上述五種工況下得到的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計如表4.8.1所示。 表4.8.1各工況下邊坡安全系數(shù)計算工況安全系數(shù)fos位移突變前強度儲備系數(shù)工況2：完建情況1.501.50工況3：正常蓄水位一臺機組情況1.521.52工況4：正常蓄水位六臺機組情況1.521.52工況5：設(shè)計洪水位情況1.541.54工況6：校核洪水位情況1.551.55對上述五種工況下的安全系數(shù)、整體塑性屈服區(qū)域變化圖、各個斷面塑性區(qū)域變化圖以及特征點位移和斷層的分析，可以得到如下分析結(jié)果：隨著水位的升高，邊坡的安全系數(shù)略有上升。高水位條件下，作用在河床覆蓋層法向水壓力數(shù)值以及范圍都增大，一定程度上提高了覆蓋層部分土體的抗剪強度，有利于維持邊坡穩(wěn)定。壩基固結(jié)灌漿效果顯著，壩基處塑性區(qū)域不連貫，壩基基本穩(wěn)定。在強度儲備系數(shù)增大的過程中，壩基處僅出現(xiàn)小范圍的塑性屈服區(qū)域，且塑性屈服區(qū)域較為分散，不能形成連續(xù)的滑動面，壩基不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。當下游邊坡在某種強度系數(shù)折減下出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡時，壩基處應力重分布，塑性屈服區(qū)域面積減小，壩基整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。整體失穩(wěn)破壞主要集中在左岸邊坡下游覆蓋層。在五種工況下，邊坡失穩(wěn)滑坡全部發(fā)生在下游覆蓋層，且基本為剪切型滑坡，塑性屈服區(qū)域先出現(xiàn)在河下游水位以上的坡腳，隨后向坡頂延伸。這是因為下游邊坡覆蓋層較厚，覆蓋層松散且下游水位較低，為環(huán)向覆蓋層，覆蓋層表面面積極大。斷層整體穩(wěn)定。在五種工況下，隨著強度儲備系數(shù)的增大，斷層會逐漸部分出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，以剪切型塑性屈服區(qū)域為主，但是并未出現(xiàn)貫穿斷層及其他巖體的塑性屈服區(qū)域，僅在斷層內(nèi)部壩軸線附近出現(xiàn)少量的豎直方向的塑性屈服區(qū)域，且斷層內(nèi)部特征點也并未表現(xiàn)出較大位移發(fā)生，所以斷層總體在下游邊坡失穩(wěn)時都為穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述，左岸邊坡整體在永久階段均能保持穩(wěn)定狀態(tài)，電站可以維持安全穩(wěn)定運行。

第5章考慮地下水作用下的整體穩(wěn)定分析由于地下水資料的不全，前一章局限介紹了不考慮山體內(nèi)部地下水作用下的邊坡整體穩(wěn)定分析，但是在工程的實際運行期，山體內(nèi)部地下水作用也是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素?？紤]到地下水物理力學作用的本質(zhì)是水頭差作用下的滲流作用力，本章選取上下游水頭差最大的情況，就工況三（上游正常蓄水、一臺機組發(fā)電）進行考慮地下水作用的整體穩(wěn)定分析。模型建立力學模型考慮地下水后，地下水以下飽和土體和巖體顆粒骨架主要受到孔隙水壓力以及骨架自重力作用，孔隙水壓力的等效作用力表現(xiàn)為滲透力和浮力。土水滲流力學模型采用土—水分算，水下部分巖土體取浮密度，作為骨架自重和浮力作用下的等效力，再計算上下游水位以及地下水位作用下的穩(wěn)定滲流下的滲透體積力，并賦值給模型邊坡內(nèi)的節(jié)點[24、25]。在計算大壩壩底揚壓力時，由于考慮到大壩滲透系數(shù)非常小，大壩內(nèi)部假設(shè)為不滲水情況，不存在內(nèi)部孔隙水壓力，所以假設(shè)內(nèi)部不存在揚壓力體力；而且本文重點在于分析整體穩(wěn)定情況，而非壩體內(nèi)部應力情況，將揚壓力作用在大壩壩基表面做等效處理，大壩內(nèi)部的受揚壓力情況與真實情況差別不大[26、27]。地下水位模型左岸邊坡進行工程地基開挖后的地下水位是會發(fā)生變化的，這是由于開挖面的滲流邊界條件發(fā)生了改變，一般來說地下水位是會降低的；同樣的，當完成建壩和蓄水后，上游的水位提升也會導致上游地下水位雍高[28]，但是雍高高程會至蓄水位以上的小范圍內(nèi)；由于建壩時會在地基處進行帷幕灌漿來減小滲流，以及建壩導致的下游水位變化并不大，所以在一般的工程中建壩蓄水導致的下游地下水位變化并不是很大[29]。通常情況下，建壩蓄水后壩肩及壩基處的地下水位面變化較為復雜，需要通過迭代計算的方式推導出來。筆者針對該工程，編寫了一套APDL命令流進行地下水位面的計算。具體是先確定壩肩及壩基部位的滲流邊界條件，滲透系數(shù)初次計算時采用原本巖體的滲透系數(shù)，上下游確定相應的節(jié)點總水頭，進行初次計算，得到總水頭云圖，如下圖5.1.1。在初次計算基礎(chǔ)上，對得到的壓力水頭小于零的單元設(shè)置很小的滲透系數(shù)模擬基本不滲流的情況繼續(xù)計算。反復循環(huán)后，最終得到滲透系數(shù)極小的單元就是干單元（不滲水單元），其他單元便為地下水單元，如下圖5.1.2。圖5.1.1總水頭云圖圖5.1.2迭代計算地下水單元對得到的地下水模型，導入FLAC3D進行計算。在參數(shù)選擇時，根據(jù)計算的力學模型，將巖體分為水上水下部分，水下取浮密度和水下強度參數(shù)，水上取天然密度和天然強度參數(shù)。正常蓄水一臺機組穩(wěn)定分析如下圖5.2.1，下圖是考慮地下水滲流時模型整體在不同強度儲備系數(shù)下的塑性區(qū)域變化圖。當強度儲備系數(shù)為1.0時，上下游基本都未出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)從1.1增大至1.4時，率先在下游邊坡覆蓋層出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，然后向下游邊界擴展，呈現(xiàn)貫穿趨勢，上游部分基本穩(wěn)定，不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域；當強度儲備系數(shù)增大至1.46時，下游邊坡覆蓋層塑性屈服區(qū)域出現(xiàn)環(huán)狀從坡頂至坡腳的貫通區(qū)域，下游邊坡失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.1工況3考慮地下水時塑性區(qū)變化圖如下圖5.2.2至圖5.2.4是三個橫河向塑性屈服區(qū)域斷面圖。在閘上0+195.36斷面處，在強度儲備系數(shù)增大的過程中，基本沒有出現(xiàn)塑性屈服區(qū)。在壩軸線0+000斷面處，強度儲備系數(shù)增大的過程中，基本不出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，這與不考慮地下水時有很大不同，觀察最大剪應力云圖和最大主應力云圖后發(fā)現(xiàn)，考慮山體內(nèi)部地下水后，壩軸線斷面壩基和壩肩處的最大剪應力迅速降低，而主應力降低幅度較小，隨著剪應力的大幅度降低導致該情況下壩肩和壩基基本不出現(xiàn)剪切塑性屈服區(qū)域。在閘下0+222.38斷面，其變化情況與不考慮地下水基本相似，在強度儲備系數(shù)增大的過程中，邊坡出現(xiàn)塑性屈服區(qū)域，剪切型塑性屈服區(qū)域增大，張拉型塑性屈服區(qū)域減小，向坡腳河床處延伸，呈貫穿趨勢，斷層處塑性屈服區(qū)域增加，結(jié)合整體圖形，在強度儲備系數(shù)為1.46時出現(xiàn)貫穿型塑性屈服區(qū)域，下游邊坡整體發(fā)生破壞，此時斷層應力重分布，塑性區(qū)域消失。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.2工況3考慮地下水時閘上0+195.36截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.3工況3考慮地下水時閘軸線0+000截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（d）強度儲備系數(shù)為1.3（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.4工況3考慮地下水時閘下0+222.38截面塑性區(qū)變化圖如下圖5.2.5至5.2.7是順河向三個斷面的塑性區(qū)域變化情況圖。在三個斷面中，大壩上游均不產(chǎn)生塑性屈服區(qū)域，當強度折減系數(shù)從1.0增至1.4時，下游邊坡塑性屈服區(qū)域逐漸增加并呈現(xiàn)貫通趨勢，當強度儲備系數(shù)為1.46時，出現(xiàn)貫穿型剪切塑性屈服區(qū)域，下游邊坡失穩(wěn)破壞。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.5工況3考慮地下水時閘左0+135.85截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.1（c）強度儲備系數(shù)為1.2（e）強度儲備系數(shù)為1.4（f）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.6工況3考慮地下水時閘左0+160.10截面塑性區(qū)變化圖（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.2（c）強度儲備系數(shù)為1.4（d）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.7工況3考慮地下水時閘左0+196.60截面塑性區(qū)變化圖如下圖5.2.8是斷層內(nèi)部的塑性區(qū)域變化圖，在強度儲備系數(shù)增大直至下游邊坡失穩(wěn)破壞的過程中，下游斷層出現(xiàn)少量的剪切型塑性屈服區(qū)域，斷層整體非常穩(wěn)定。（a）強度儲備系數(shù)為1（b）強度儲備系數(shù)為1.3（c）強度儲備系數(shù)為1.46圖5.2.8工況3考慮地下水時F10斷層塑性區(qū)變化圖如下圖5.2.9，下圖是模型特征點三個方向位移與強度儲備系數(shù)間的關(guān)系圖。在強度儲備系數(shù)增大的過程中，三個方向位移均增大，但是當強度儲備系數(shù)增至1.4以上，尤其是在1.46時，下游邊坡及鐵路處位移快速增大甚至出現(xiàn)突變，下游邊坡部分出現(xiàn)滑坡，上游邊坡、壩基以及斷層仍然穩(wěn)定，綜合模型整體塑性區(qū)域變化圖以及各斷面圖，得到考慮地下水作用時工況三下邊坡整體的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.46。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價標準，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。（a）特征點順河向位移UX（b）特征點橫河向位移UY（c）特征點鉛直向位移UZ圖5.2.9特征點位移隨強度儲備系數(shù)變化圖考慮地下水穩(wěn)定計算小結(jié)在本章中，我們通過建立地下水分組對邊坡整體密度和強度參數(shù)進行水上和水下的劃分，將地下水單元賦予總水頭參與滲透體積力計算，得到工況三下考慮地下水后的穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)?.46，比不考慮地下水時降低了0.06。據(jù)前人工程經(jīng)驗以及做過的眾多數(shù)值模擬，考慮地下水后的穩(wěn)定系數(shù)是會降低的，地下水是影響邊坡穩(wěn)定的一個很重要因素[30]。但是在本工程中，地下水對穩(wěn)定的影響并不是很大，原因在于在考慮地下水和不考慮地下水兩種情形下，隨著強度儲備系數(shù)的增大，始終是下游邊坡覆蓋層率先產(chǎn)生貫穿型塑性屈服區(qū)域，導致邊坡失穩(wěn)破壞，位移突變，此時邊坡上游、壩肩及壩基位置以及斷層內(nèi)部均不產(chǎn)生貫穿型塑性屈服區(qū)域，特征點位移變化也不明顯，始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以，下游邊坡覆蓋層狀態(tài)是影響模型整體穩(wěn)定系數(shù)的主要原因。在考慮地下水前后，下游邊坡覆蓋層失穩(wěn)部分基本在水上，地下水導致的浮力和強度參數(shù)減小對破壞部分的影響不大，所以在考慮地下水后邊坡模型的穩(wěn)定系數(shù)降低情況并不明顯。

第6章結(jié)論與展望6.1結(jié)論本論文以沙坪一級電站為背景，建立了左岸邊坡內(nèi)部巖層、斷層及其影響帶、開挖和建設(shè)廠房的有限元模型，分考慮地下水和不考慮地下水兩種情形，并用有限差分法進行計算，得到了完建上下游無水、正常蓄水一臺機組發(fā)電、正常蓄水六臺機組發(fā)電、設(shè)計洪水位和校核洪水位五種工況各安全儲備系數(shù)下的計算結(jié)果圖，對其進行塑性屈服區(qū)域和位移分析，得到了以下的結(jié)論：下游邊坡覆蓋層最先失穩(wěn)破壞導致整體失穩(wěn)。在考慮地下水和不考慮地下水時，沙坪一級左岸邊坡整體在強度儲備系數(shù)增大的過程中，均為下游覆蓋層率先出現(xiàn)剪切型塑性屈服區(qū)域，下游鐵路和邊坡處的特征點位移率先發(fā)生突變，邊坡失穩(wěn)破壞，且以剪切型滑坡為主。所以邊坡下游覆蓋層的強度決定了左岸整體的抗滑穩(wěn)定性，在工程建設(shè)期需要對下游覆蓋層進行必要的支護處理，在運行期間需要重點監(jiān)測下游邊坡的應力應變以及位移等數(shù)據(jù)，隨時應對可能發(fā)生的滑坡。永久運行期間斷層和壩基均是穩(wěn)定的，固結(jié)灌漿對維持壩基穩(wěn)定起到了良好的效果。在五種工況下隨著強度儲備系數(shù)的增大，斷層和壩基部位均會出現(xiàn)少量的塑性屈服區(qū)域，且以剪切型塑性屈服區(qū)域為主，但是均未出現(xiàn)貫穿型區(qū)域，且下游邊坡失穩(wěn)會導致整體應力重分布，壩基和斷層處的塑性屈服區(qū)域明顯減少。斷層部位均為零星式的塑性屈服區(qū)域，壩基部位會出現(xiàn)較為集中的屈服區(qū)域，但是在固結(jié)灌漿處變成零星散點式，固結(jié)灌漿提高了部分壩基巖體強度，很好的防止了壩基處出現(xiàn)貫穿型塑性屈服區(qū)域?qū)е聣位茐?。在建基面和斷層?nèi)部設(shè)置的位移特征點也表明，在強度儲備系數(shù)增大直至破壞的過程中，其位移也并沒有發(fā)生突變，均維持在極小水平，所以斷層和壩基是穩(wěn)定的。五種工況下左岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，左岸邊坡整體是穩(wěn)定的。在強度儲備系數(shù)增大的過程中，下游塑性屈服區(qū)域會擴展直至出現(xiàn)貫穿型塑性屈服區(qū)域，以此為主要臨界失穩(wěn)判據(jù)是可行的，以solvefos和位移突變判據(jù)很好的證明了其得到的穩(wěn)定安全系數(shù)的正確性。在各工況水位逐漸升高時，穩(wěn)定安全系數(shù)也是少量的提高，這是水的壓固作用導致的，水位抬升導致作用于河床法向壓應力提高，覆蓋層抗剪強度有一定程度的提高，這與摩爾-庫倫理論思想是一致的。地下水對穩(wěn)定安全系數(shù)的影響并不明顯。在工況三水頭差最大的情況下考慮地下水后，穩(wěn)定安全系數(shù)降低值為0.06，降低3.9%，降低程度非常小，所以地下水對穩(wěn)定安全系數(shù)影響不是很大。這因左岸邊坡整體的失穩(wěn)破壞主要由下游覆蓋層滑坡導致，在考慮地下水后，下游覆蓋層絕大部分單元依舊在水上，受地下水影響較小，強度參數(shù)基本沒有發(fā)生改變，發(fā)生破壞時的折減系數(shù)變化不大。6.2展望本論文對沙坪一級左岸邊坡整體進行了五個工況下的穩(wěn)定分析，得到了一定的結(jié)論。但是在實際工程中由于地質(zhì)條件的復雜性，需要考慮的因素太多，設(shè)計院在工程初期提供資料不全，實際工程施工僅僅才進行到邊坡開挖階段，而且研究的過程受到時間、物質(zhì)條件以及自身學術(shù)積累的限制，所以本論文和計算模型仍存在很多的不足和可以改善的地方。本模型建模時采用斷面分塊建模，勘察圖紙為七個斷面，相鄰斷面之間距離較遠，斷面之間簡單的采用扭面形成地質(zhì)體，不能最真實的反應邊坡內(nèi)部的巖層實際情況，模型精度不夠精確，計算結(jié)果與實際情況可能有一定的誤差。本文計算模型采用FLAC3D中的摩爾-庫倫模型，認為各巖層始終是連續(xù)的且各向同性的，考慮了粘聚力、內(nèi)摩擦角等強度參數(shù)，但是忽視了巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙等對應力應變的影響以及各巖層在層理間的相互作用，沒有考慮到實際的內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，在一定程度上與工程實際有一小部分誤差。本文假設(shè)大壩為不透水材料，對揚壓力進行了簡單平均處理。揚壓力實際上是浮脫力和滲透力共同作用造成的大壩的體力，但是在本文中假設(shè)大壩內(nèi)部為不透水材料，將揚壓力施加在壩基表面法向，與實際有一定的出入。由于邊坡開挖的復雜性，壩基高程在順河向和橫河向有一定的變化，所以本文進行簡化處理，對橫河向一定范圍內(nèi)高程取上下游壩基平均高程計算壩底揚壓力。實際上，可以進行FISH語言編程，提取大壩各節(jié)點處位置信息計算揚壓力，將體積力等效到節(jié)點上并確定該節(jié)點處的法向，這樣可以施加更精確的揚壓力，由于筆者時間和能力的限制，未能實現(xiàn)這一想法。由于實際工程進度僅進行到邊坡開挖階段，仍不能得到實際蓄水后的地下水位信息，所以根據(jù)擬定的邊界條件迭代求出的壩肩部位地下水位的合理性沒有得到驗證。如果未來的實際監(jiān)測水位與計算結(jié)果區(qū)別不大，則考慮地下水后求出的穩(wěn)定安全系數(shù)具有較高的參考價值；如果實際監(jiān)測水位與計算結(jié)果區(qū)別較大，則應力場給滲流場帶來較大的影響，需要根據(jù)實際水位進行參數(shù)反演后再重新進行數(shù)值計算。

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