李 浩，曹運(yùn)江,2

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

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某電站施工期高邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬評(píng)價(jià)研究

李 浩1，曹運(yùn)江1,2

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

邊坡穩(wěn)定性分析研究，一直成為巖土工程界的重大研究課題。根據(jù)對(duì)某電站施工期間工程邊坡詳細(xì)的野外實(shí)地調(diào)查,查閱和整理大量的資料，總結(jié)出工程區(qū)邊坡工程特性,獲得邊坡穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)。在建立邊坡巖體穩(wěn)定性研究模型的基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值模擬，對(duì)高邊坡開挖過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)，驗(yàn)證所建立的地質(zhì)模型或概念模型的實(shí)用性和合理性。重點(diǎn)分析電站施工期高邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)，也為高邊坡的開挖施工及支護(hù)措施提供了許多合理的建議。

邊坡; 穩(wěn)定性分析;三維數(shù)值模擬;開挖

工程區(qū)位于西部岷江流域，總的地勢(shì)NW高SE低，相對(duì)高差1 000～3 000 m。區(qū)內(nèi)地層除下古生界普遍缺失外，元古界至第四系皆有出露，南部是以碳酸鹽巖和砂巖、頁(yè)巖沉積為主的碎屑巖區(qū)[1]。條形山脊向斜兩翼邊坡的主要受控于水壩向斜構(gòu)造和層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶。

1 條形山脊開挖高邊坡數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算范圍是取距大壩的下游側(cè)大約500 m處為原點(diǎn)，Z軸正方向垂直向上，基座底面高程550 m，頂面高程750 m，條形山脊山峰最高點(diǎn)高程4 040 m，模型最大高差460 m，邊坡高度260 m；X軸正方向沿岷江指向上游，模型范圍1 000 m。在計(jì)算模型中條形山脊三面臨空，地應(yīng)力基本釋放完畢，故模型的側(cè)面均設(shè)為約束邊界。根據(jù)工程要求、開挖情況、現(xiàn)場(chǎng)勘探及相應(yīng)的工程地質(zhì)條件，將整個(gè)開挖計(jì)算模型共劃分為427 767個(gè)單元，89 036個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1～2所示。

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

根據(jù)所提供的地質(zhì)資料及試驗(yàn)結(jié)果，在賦FLAC3D材料屬性時(shí)，考慮本工程開挖巖體的風(fēng)化情況，經(jīng)綜合分析，確定邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)的建議取值如表1所示。

圖1 賦含開挖體的條形山脊模型及網(wǎng)格劃分

圖2 條形山脊開挖體模型部分及網(wǎng)格剖分展示

表1 條形山脊兩側(cè)邊坡開挖巖體宏觀物理力學(xué)綜合參數(shù)建議取值

根據(jù)條形山脊的地形地貌特征，充分考慮右岸水工建筑物的布置情況。根據(jù)實(shí)際工程邊坡的開挖工況，初步確定宏觀的開挖順序?yàn)椋合韧谶M(jìn)水口邊坡，再挖溢洪道上段邊坡，最后再挖溢洪道下段和洞出水口邊坡。

1.3 主要工程開挖邊坡數(shù)值模擬

1.3.1 變形與位移

從模擬結(jié)果來(lái)看，變形量值不大，最大位移為108.82 cm，EL.885平臺(tái)的合位移量值達(dá)到40～50 mm，y方向位移量最大，有86.44 mm。邊坡的總位移量值主要在5～10 cm，局部為10～15 cm[2]。x、y、z各方向的分位移量值范圍分別為-3.0～2.93，-3.0～3.0，-14～3.13 cm。在邊坡開挖時(shí),由于受開挖程度的影響,出現(xiàn)了不同程度的壓縮變形，變形量級(jí)表現(xiàn)出較大的不均勻性[3]。其位移量值隨開挖步不同而發(fā)生變化，在溢洪道內(nèi)側(cè)回彈變形凸顯。

1.3.2 開挖邊坡的應(yīng)力場(chǎng)

巖體開挖后，較小的壓應(yīng)力或較大的拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)方向在近地表處垂直坡面,深部接近水平；較大的壓應(yīng)力或較小的拉應(yīng)力(第二主應(yīng)力)方向在近地表處順沿坡面,深部接近垂直[4]。其中，最大主應(yīng)力的量級(jí)為-6.025～0.055 MPa，量值呈下大上小分布，以壓應(yīng)力為主；最小主應(yīng)力的量級(jí)為-2.870～0.50 MPa[5-6]。當(dāng)泄洪洞進(jìn)水口邊坡開挖后，開挖所引起的最大、最小主應(yīng)力的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得出最大主應(yīng)力在邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)中的量級(jí)變化范圍為-12.27～0.15 MPa，以壓應(yīng)力為主，僅局部表現(xiàn)出拉應(yīng)力；最小主應(yīng)力的邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布特征與最大主應(yīng)力相似，變化范圍為-6.27～0.532 MPa，同樣呈下大上小分布，幾乎都表現(xiàn)為壓應(yīng)力[7]。

1.3.3 塑性區(qū)

雖然開挖邊坡在施工期整體是穩(wěn)定的，但還是存在不穩(wěn)定的區(qū)域。早期開挖邊坡時(shí)EL.885平臺(tái)附近受損單元就居多，塑性變形區(qū)最明顯。后期溢洪道及其邊坡開挖，條形山脊的塑性區(qū)主要還是在EL.885平臺(tái)附近，斷層出露部位則為次要的塑性變形區(qū)[8]。

2 模擬結(jié)果分析

該邊坡地質(zhì)特征比較復(fù)雜,增加了邊坡的不穩(wěn)定性 ,對(duì)邊坡的原始狀態(tài)進(jìn)行模擬顯得尤為重要。主要方法為在原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)邊坡進(jìn)行開挖,判斷、分析邊坡在開挖條件下的穩(wěn)定性[9]。

通常情況下，系統(tǒng)達(dá)到平衡的標(biāo)志為不平衡力趨于零、速度趨于零、位移持續(xù)為常數(shù)。然而對(duì)數(shù)值分析來(lái)說(shuō)，當(dāng)最大不平衡力與系統(tǒng)中代表單元的不平衡力相比非常小時(shí)，則可以說(shuō)模型處于平衡狀態(tài)[10]。

由以上分析可知，在很多工程問(wèn)題中進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定分析具有重要意義。但是，到目前為止，有關(guān)三維邊坡穩(wěn)定分析方法及其程序開發(fā)方面的工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際工程的需要，大部分研究工作都只局限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié) 論

在利用切割法建模技術(shù)，成功地建立地質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)工程高邊坡整體穩(wěn)定性研究分析,可以得出以下結(jié)論。

1) 利用數(shù)值模擬對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究。對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

2) 基于三維地質(zhì)概化模型仿真數(shù)值模擬，針對(duì)條形山脊含軟巖高邊坡特性，系統(tǒng)地分析了不同工程部位邊坡施工過(guò)程中的形變——應(yīng)力場(chǎng)和塑性變形特征。建議加強(qiáng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。條形山脊兩側(cè)高邊坡開挖的防治重點(diǎn)應(yīng)放在層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育部位。

3) 在施工過(guò)程中，開挖面巖體周圍的位移受影響程度是不均勻的。

[1] 曹運(yùn)江. 含軟巖高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究——以岷江紫坪鋪水利樞紐工程為例[D]. 成都: 成都理工大學(xué)，2006.

[2] 陳健，盛謙，高峰．構(gòu)皮灘工程邊坡開挖數(shù)值模擬分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，13(9)：32-36.

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[4] 馮學(xué)敏, 汪衛(wèi)明, 陳勝宏. 小灣拱壩右岸纜機(jī)基礎(chǔ)開挖邊坡的優(yōu)化分析[J]. 巖土力學(xué), 2004,25(S2): 289-295.

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A Study on a Power Station Construction of Stability of High Slope Numerical Simulation

LI Hao1, CAO Yunjiang1,2

(1.SchoolofResource,EnvironmentandSafetyEngineeringofHunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China; 2.HunanUniversityofScienceandTechnology,HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-utilizationandMineEnvironmentProtection,Xiangtan,Hunan411201,China)

An Analysis of slope stability has become a major research topic of concern in the field of geotechnical engineering. According to the field investigation on the slope of a hydropower station in detail during construction, we have inspected large amounts of data in the characteristics of project area in slope engineering to get slope stability evaluation. In the establishment of the slope stability research on the model, we have got a three-dimensional numerical simulation on high slope excavation process of reproduction to verify the geological model or concept model in practical rationality. We are focusing our views on the stability of high slope in hydropower station during construction period, including the high slope excavation and supporting measures to provide many reasonable suggestions.

Slope; stability analysis; Three-dimensional numerical simulation; Excavation

2016-10-04

湖南省教育廳一般資助項(xiàng)目(15C0530)；巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(16GES05)。

李浩(1991-)，男(滿族)，吉林通化人，在讀碩士研究生，研究方向：環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害，手機(jī)：18773245721，E-mail:951051321@qq.com.

P642.22

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.005