朱興杰

（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng)110003）

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有限元法在取水口邊坡開(kāi)挖支護(hù)中的應(yīng)用

朱興杰

（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng)110003）

［摘 要］某工程取水口常年處于水庫(kù)深水位以下，不具備檢修條件，在取水口基坑開(kāi)挖過(guò)程中形成的高邊坡若出現(xiàn)破壞，將會(huì)造成取水口阻水甚至堵塞，直接影響整個(gè)工程的運(yùn)行。采取有限元法對(duì)邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定、支護(hù)后的應(yīng)力及分布情況、開(kāi)挖順序的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

［關(guān)鍵詞］有限元 ；應(yīng)力分析；開(kāi)挖順序模擬

1　工程概況

某工程取水口在現(xiàn)有大型水庫(kù)中修建，進(jìn)水口及電站檢修閘室位于溝口上游0.8 km處的小溝岔內(nèi)，溝長(zhǎng)約為300 m，溝內(nèi)水面寬度100.0～ 40.0 m，溝內(nèi)水面以下地形坡度為1:6左右，地面高程 250.0～310.0 m。取水口右側(cè)山體高程為380.46～406.0 m，左側(cè)山體高程為367.3～395.0 m。取水口建基面高程254.7 m，施工期邊坡高度達(dá)89.9 m；運(yùn)行期邊坡非臨水最大高度為30.1 m（永久邊坡），臨水最大高度為60.0 m（永久邊坡）。

由于取水口常年處于水庫(kù)深水位以下，不具備檢修條件，若邊坡出現(xiàn)破壞，將會(huì)造成取水口阻水甚至堵塞問(wèn)題，投資數(shù)百億的工程將面臨癱瘓，直接影響整個(gè)工程的運(yùn)行。因此根據(jù)SL386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定確定進(jìn)水口邊坡級(jí)別為1級(jí)。

2　取水口地質(zhì)概況

取水口閘門(mén)豎井尺寸為33.3m×18.5 m，建基面高程約為254.7 m，頂高程311.5 m。該位置溝寬約35 m，溝底地面高程285.0～296.0 m。兩側(cè)山體較陡，坡積物較薄，可見(jiàn)裸露巖體。

該段位于庫(kù)水位以下，水底基本無(wú)松散堆積物，基巖裸露，巖性主要為元古界二長(zhǎng)花崗巖，呈灰白～灰褐色、肉紅色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石及暗色礦物。

受應(yīng)力卸荷和風(fēng)化的影響，該區(qū)節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面多平直粗糙，微張～閉合，一般無(wú)充填或鈣質(zhì)充填，可見(jiàn)水銹，一般間距幾十厘米，延伸幾十米。主要節(jié)理面共三組，第一組節(jié)理走向NE15°，傾向SE，傾角72°。第二組節(jié)理走向NE50°，傾向NW，傾角70°。第三組節(jié)理走向NW350°，傾向NE，傾角51°。

3　邊坡運(yùn)用條件

該工程取水首部布置所影響的開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度56.0 m左右，非臨水邊坡長(zhǎng)度約45.0 m左右，臨水邊坡長(zhǎng)度約11.0 m左右。

根據(jù)工作狀況、作用力出現(xiàn)幾率，確定運(yùn)用條件如下：

3.1正常運(yùn)用條件工況

1）樁號(hào)B0-033.3～B0+000.0 m，邊坡高度：30.1 m，開(kāi)挖坡度：1∶0.5，每級(jí)開(kāi)挖高度15.0 m。非臨水邊坡運(yùn)行期穩(wěn)定分析。

2）樁號(hào)B0-180.0～B0-033.3 m，邊坡高度：63.0 m，開(kāi)挖坡度：1∶0.5、1∶0.75，每級(jí)開(kāi)挖高度5.0 m。臨水邊坡運(yùn)行期穩(wěn)定分析。

3.2非常運(yùn)用條件工況

樁號(hào)B0-033.3～0+000.0 m，邊坡高度：89.9 m，開(kāi)挖坡度：1∶0.2、1∶0.5，每級(jí)開(kāi)挖高度15.0 m。非臨水邊坡施工期穩(wěn)定分析。

4　開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析

4.1地質(zhì)初步分析

擬建取水口于水下（現(xiàn)有庫(kù)水位）沖溝溝底，地面高程286.0～296.0 m，兩岸山體較陡，左側(cè)山頂高程381.6～395.0 m，右側(cè)山頂高程393.3～401.0m，坡度約45°～50°，基巖多裸露，以弱風(fēng)化為主，現(xiàn)有岸坡基本穩(wěn)定。

該擬開(kāi)挖邊坡為豎井，基坑為矩形，S-N向布置，其建基面開(kāi)挖尺寸為22.5 m×37.3 m。建基面高程約為254.7 m，其開(kāi)挖深度35～45 m。兩側(cè)的最大開(kāi)挖邊坡高度應(yīng)從山頂計(jì)算，左側(cè)為144 m，右側(cè)為150 m。該邊坡類型為巖質(zhì)超高邊坡。設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡坡比為1∶0.2和1∶0.5，開(kāi)挖傾角63°和79°。

根據(jù)該區(qū)發(fā)育的三組節(jié)理面特征及豎井上下游邊坡與左右邊坡的產(chǎn)狀，繪制開(kāi)挖邊坡與主要節(jié)理面赤平投影圖，詳見(jiàn)圖1。

圖1開(kāi)挖邊坡及主要節(jié)理面赤平投影

從圖中可以看出，三組節(jié)理面的組合交線產(chǎn)狀為：傾向NE30°，傾角46.5°～49°，比開(kāi)挖邊坡坡角緩。與豎井四面的開(kāi)挖邊坡均斜交，其中與上下游坡面交角較大，約60°左右，與左右兩側(cè)坡面的交角較小，約30°左右。其與上游坡和左側(cè)坡傾向相反，對(duì)岸坡穩(wěn)定有利。由于該區(qū)巖體為次塊狀結(jié)構(gòu)，因此上游坡面及左側(cè)坡面一般不會(huì)發(fā)生邊坡變形破壞。組合交線與下游坡面和右側(cè)坡面傾向大體相近，但斜交，傾角比坡角緩，對(duì)下游坡和右側(cè)坡的穩(wěn)定有一定影響，可能發(fā)生滑動(dòng)型邊坡變形破壞問(wèn)題。

4.2開(kāi)挖邊坡處理措施

根據(jù)前述分析結(jié)果，需對(duì)進(jìn)口邊坡采取如下處理措施：

4.2.1開(kāi)挖前處理

開(kāi)挖前清除左右兩側(cè)坡頂及坡面上的松散塊石，對(duì)于有松動(dòng)或滑動(dòng)跡象的大型塊石可提前進(jìn)行加固處理，防止發(fā)生塊石滾動(dòng)或墜落現(xiàn)象發(fā)生。上游坡頂以上溝底分布?jí)K徑較大的塊石及卵礫石，應(yīng)采取攔擋措施，防止溝底塊石、卵石向基坑滾落。

4.2.2地下水的處理

開(kāi)挖基坑四面邊坡均較陡，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，開(kāi)挖巖體一般為弱透水，僅右側(cè)邊坡局部弱風(fēng)化巖體為強(qiáng)透水。上游圍堰頂?shù)孛娓叱鱿掠纹驴诩s10 m，所處沖溝狹長(zhǎng)，坡降陡。上游及兩側(cè)地下水會(huì)向基坑匯集，另外，下游庫(kù)水水頭高出基坑坑底約50 m，盡管施工前會(huì)做圍堰并作防滲處理，但在高水頭作用下，還是會(huì)有一定的地下水滲向基坑。

節(jié)理面充水會(huì)降低節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度，地下水滲流對(duì)巖體產(chǎn)生動(dòng)水壓力和靜水壓力，增大了其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。由于該區(qū)發(fā)育的主要節(jié)理面多為平直粗糙型，一般無(wú)充填或鈣質(zhì)膠結(jié)，屬無(wú)充填物的硬質(zhì)節(jié)理面，地下水對(duì)邊坡巖體節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度影響有限，但對(duì)于同傾向的下游坡和右側(cè)坡，其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響較大。因此基坑開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)其四周進(jìn)行防水和導(dǎo)水處理，最大限度的降低地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

此外，人類開(kāi)挖活動(dòng)是誘發(fā)邊坡變形破壞的主要因素之一，人為的開(kāi)挖、爆破等破壞了邊坡原有的極限平衡狀態(tài)。施工時(shí)應(yīng)注意觀測(cè)上部巖體的變形情況，并應(yīng)及時(shí)采取處理措施。

天然應(yīng)力的卸荷，造成坡頂節(jié)理面發(fā)育并張開(kāi)，易造成坡頂巖體的局部失穩(wěn)。當(dāng)節(jié)理面與坡面同傾向，且傾角較緩時(shí)，容易產(chǎn)生滑動(dòng)。當(dāng)與坡面反傾向時(shí)，上部巖體易發(fā)生傾倒或掉塊現(xiàn)象。

5　邊坡開(kāi)挖和支護(hù)措施

5.1開(kāi)挖方案

水庫(kù)100年一遇洪水位為308.11 m，取水頭部常年處于水下位置。對(duì)上游擋墻，根據(jù)上開(kāi)口線位置，預(yù)留巖坎，修建擋水圍堰，預(yù)留巖坎邊坡按1∶0.2計(jì)算預(yù)留下開(kāi)口位置，取水口建成后，圍堰拆除，預(yù)留巖坎也采用爆破拆除。

由于穩(wěn)定坡度為全風(fēng)化巖1∶1，弱風(fēng)化巖1∶0.5，根據(jù)山體兩側(cè)地勢(shì)，若按照穩(wěn)定邊坡開(kāi)挖量非常大，而且開(kāi)挖后上體上部需要做防風(fēng)化的永久支護(hù)，設(shè)計(jì)采用311.5 m高程以下開(kāi)挖邊坡按照1∶0.2，311.5 m高程以上按照1∶0.5開(kāi)挖。

5.2加固支護(hù)方案

1）對(duì)296.0 m以上坡面，為防止揭露的巖體風(fēng)化、落塊，在開(kāi)挖后立即采用錨噴支護(hù)，噴射C30 厚100 mm，鋼筋網(wǎng)準(zhǔn)8 mm@150 mm×150 mm。

2）281.0～296.0m高程錨桿采用 準(zhǔn)22 mm，L= 2.5 m間距2 m，對(duì)節(jié)理發(fā)育部位錨桿長(zhǎng)度增長(zhǎng)至5 m；266～281 m高程錨桿采用準(zhǔn)25 mm，L=3.5 m，準(zhǔn)25 mm，L=5 m間距2 m，相間布置，對(duì)節(jié)理發(fā)育部位錨桿長(zhǎng)度全部取5 m；266 m高程以下部位錨桿采用準(zhǔn)25 mm，L=5 m間距2 m。

3）針對(duì)施工中揭露的不利滑裂面及倒懸體，為避免深層滑動(dòng)，采用固結(jié)灌漿花管代替錨桿加固巖體。填塞巖體縫隙，減少地下水的作用對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，提高巖體的整體性。在高程280 m、275 m、270 m、265 m、260 m部位全周設(shè)置固結(jié)灌漿花管，上游坡固結(jié)灌漿花管采用準(zhǔn)42 mm，L=5 m間距2.5 m；兩側(cè)及下游游坡固結(jié)灌漿花管采用準(zhǔn)102 mm，L=12 m間距2.5 m。

固結(jié)灌漿壓力0.3 MPa，水泥漿液標(biāo)準(zhǔn)濃度采用2∶1，1∶1，0.5∶1，花管眼距200 mm，每個(gè)截面設(shè)置4個(gè)10 mm眼孔，交錯(cuò)布設(shè)。

6　邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析

6.1物理力學(xué)指標(biāo)

巖體和支護(hù)材料的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1材料的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表

6.2計(jì)算模型

采用彈塑性有限元模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采取具有代表性的開(kāi)挖剖面。取水頭部豎井開(kāi)挖為方形，計(jì)算選取洞軸線位置進(jìn)行開(kāi)挖邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和邊坡位移計(jì)算。計(jì)算按照實(shí)際施工順序從上到下分層開(kāi)挖模擬，每一個(gè)開(kāi)挖步結(jié)束及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，然后進(jìn)行下一步開(kāi)挖。

6.3開(kāi)挖位移分析

開(kāi)挖過(guò)程中最大沉降位移為8.9 mm，水平最大收斂位移為7.8 mm，從而可以確定在開(kāi)挖過(guò)程中豎井變形穩(wěn)定。

6.4開(kāi)挖應(yīng)力分析

應(yīng)力分析開(kāi)挖過(guò)程中，豎井周圍產(chǎn)生了應(yīng)力松弛現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力發(fā)生在某一開(kāi)挖步中，最大拉應(yīng)力值1.37 MPa，最大壓應(yīng)力-5.47 MPa。開(kāi)挖過(guò)程中和開(kāi)挖結(jié)束后，豎井的最大主壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖層的抗壓強(qiáng)度25 MPa，豎井的最大拉應(yīng)力亦小于巖石的抗拉強(qiáng)度2.5 MPa。從開(kāi)挖應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，豎井在施工過(guò)程和施工結(jié)束后都處于應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)。

6.5初期支護(hù)內(nèi)力分析

最大彎矩值在豎井腰部，最大值為355.79 kN·m；開(kāi)挖過(guò)程中錨桿最大軸力為30 kN。從初期支護(hù)內(nèi)力分析數(shù)值可以看出，噴射混凝土層和錨桿的內(nèi)力值均滿足強(qiáng)度要求。在初擬支護(hù)參數(shù)下，支護(hù)最大內(nèi)力值完全滿足承載能力要求，說(shuō)明開(kāi)挖過(guò)程中，洞室是穩(wěn)定的，支護(hù)參數(shù)選取合理

6.6施工順序模擬

實(shí)際施工中高邊坡豎井開(kāi)挖為從上部向下部分層開(kāi)挖和錨噴支護(hù)。計(jì)算軟件按3層進(jìn)行模擬計(jì)算，每步分3個(gè)增量步分兩個(gè)增量步分別模擬開(kāi)挖和噴錨支護(hù)。

表2施工步與荷載釋放系數(shù)分配表

7　結(jié)語(yǔ)

有限元計(jì)算表明，邊坡支護(hù)加固后穩(wěn)定滿足要求。由于巖層介質(zhì)的復(fù)雜性，在被支護(hù)巖層完全開(kāi)挖暴露以前，很難確定結(jié)構(gòu)面及不穩(wěn)定巖體的實(shí)際出露位置。因此，有效的支護(hù)方式更應(yīng)該與具體的巖體實(shí)際條件相結(jié)合，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，及時(shí)完善支護(hù)參數(shù)，以確保施工過(guò)程及后期運(yùn)行的穩(wěn)定。

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［中圖分類號(hào)］TV554

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）05－0015－03

[收稿日期]2016-01-23