王麗秋

(朝陽(yáng)天浩水利建筑有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 工程背景

雙龍水電站為河床式水電站設(shè)計(jì)，其壩址位于遼寧丹東太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)，是半拉江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的重要工程，建成之后可以有效緩解當(dāng)?shù)氐挠秒娋o張情況[1]。雙龍水電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高56.0 m，壩頂寬8.0 m。水庫(kù)的正常蓄水位為157.50 m，校核水位為158.50 m。大壩右壩肩存在長(zhǎng)度約150 m的順層巖邊坡，平均厚度約6.0 m，坡向110°～115°，坡角約32°，其巖性主要為大理巖，由于巖質(zhì)較為疏松，因此經(jīng)常發(fā)生崩塌滑落現(xiàn)象。工程區(qū)的河床和兩岸基巖主要是三疊紀(jì)變質(zhì)巖，同時(shí)存在少量后期侵入煌斑巖脈，第四系松散堆積層主要是河流沖積物。受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造特征的影響，工程區(qū)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，存在明顯的斷層、裂縫和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)。這些結(jié)構(gòu)面中以斷層F3和煌斑巖脈H2的規(guī)模最大，影響最為顯著。由于工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地應(yīng)力水平較高，風(fēng)化卸荷也比較嚴(yán)重。受到上述諸多不利因素的影響，該邊坡開(kāi)挖難度大，如果開(kāi)挖方式不當(dāng)，就會(huì)對(duì)工程區(qū)邊坡穩(wěn)定性造成不利影響?；诖?，此次研究旨在探討邊坡不同開(kāi)挖角度對(duì)穩(wěn)定性的影響，以便為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供支持和借鑒。

2 FIAC3D有限元計(jì)算模型

2.1 模型的構(gòu)建

FLAC有限元軟件模擬邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)破壞及大變形方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其程序包含了錨索單元、彈性體單元以及樁單元，可以較好模擬巖體工程方面的人工結(jié)構(gòu)[2]。因此，研究中采用FLAC有限元軟件構(gòu)建邊坡的有限元模型。在模型的構(gòu)建過(guò)程中，首先基于前期工程資料，利用CAD進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，然后導(dǎo)入ANSYS軟件再轉(zhuǎn)接入FLAC的方式進(jìn)行[3]。

在模型的構(gòu)建過(guò)程中，需要詳細(xì)閱讀地質(zhì)勘查報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙以及施工組織設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上抓住研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，而忽視對(duì)研究對(duì)象影響不大的次要因素，從而將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化為可操作的數(shù)值計(jì)算模型[4]。研究中根據(jù)圣維南原理確定模擬研究的范圍，也就是分布在彈性體上的一小塊體積內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在距離荷載作用相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域，一般僅和荷載的合力矩有關(guān)，而荷載分布情況僅影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布[5]。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況，其最大挖方深度為42.3 m，上覆層厚度為2～5 m，擬采用1∶0.6左右的坡比進(jìn)行放坡處理?，F(xiàn)取K33+102斷面右側(cè)的最大挖方邊坡進(jìn)行計(jì)算和分析。為了方便后續(xù)建模，利用AutoCAD 軟件進(jìn)行原始邊坡及開(kāi)挖過(guò)程的簡(jiǎn)化。

對(duì)于模型網(wǎng)格的剖分，可以利用CAD軟件配合FLAC3D進(jìn)行網(wǎng)格前處理，而網(wǎng)格的剖分主要依據(jù)坡體巖層的分布狀況，不僅要做到對(duì)邊坡真實(shí)情況的還原，同時(shí)還應(yīng)該盡量合理細(xì)致，最大限度減小計(jì)算結(jié)果的誤差[6]。最終，整個(gè)模型劃分為607 720個(gè)網(wǎng)格單元，612 097個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖1為有限元模型示意圖。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

由于項(xiàng)目區(qū)表層地下水較為貧乏，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響極為有限，因此可以忽略其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[7]。計(jì)算中將巖體視為各向同性材料，采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型的初始應(yīng)力場(chǎng)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)，鑒于邊坡開(kāi)挖范圍均在卸荷巖體內(nèi)，不會(huì)引發(fā)高地應(yīng)力現(xiàn)象，因此主要考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。模型的邊界條件采用位移約束條件[8]。其中，模型的底面施加全位移約束，側(cè)面施加水平位移約束，上表面為自由邊界條件，不施加位移約束。以相關(guān)資料為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合工程區(qū)工程地質(zhì)條件的詳細(xì)調(diào)查結(jié)果，最終確定如表1所示的模型材料物理力學(xué)參數(shù)。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

根據(jù)背景工程的初步設(shè)計(jì)資料，該邊坡的開(kāi)挖角度為55°，為了進(jìn)一步分析開(kāi)挖邊坡坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以上述設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，選擇50°和60°兩個(gè)不同的開(kāi)挖角度，對(duì)上述三種不同開(kāi)挖角度下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，以獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位 移

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)3種不同開(kāi)挖角度方案下的邊坡位移量進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出各向位移的最大值，結(jié)果如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著開(kāi)挖角度的增大，Y向位移呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，而X向位移、Z向位移和總位移均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)。究其原因，主要是開(kāi)挖角度60°與開(kāi)挖角度55°相比，開(kāi)挖完成之后的邊坡陡峭程度更大，造成邊坡的坡腳應(yīng)力比較集中，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生更為明顯的卸荷回彈，因此會(huì)產(chǎn)生更大的位移變形。但是，在開(kāi)挖角度為50°的情況下，會(huì)造成煌斑巖脈和F3斷層的出露，特別是在煌斑巖脈出露的部位，局部位移量相對(duì)較大，會(huì)造成十分明顯的臨空面位移(X向)，因此邊坡局部發(fā)生崩塌滑落的可能性較大，容易造成局部失穩(wěn)。從三種方案位移量的計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，開(kāi)挖角度為55°時(shí)位移量的最大值相對(duì)較小，特別是臨空面位移量明顯較小，這對(duì)于保持邊坡的穩(wěn)定性較為有利。

表2 邊坡位移最大值

3.2 應(yīng) 力

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)3種不同開(kāi)挖角度方案下的邊坡應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出應(yīng)力的最大值，結(jié)果如表3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著開(kāi)挖角度的增大，邊坡的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值均呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特點(diǎn)。當(dāng)開(kāi)挖角度為55°時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力最小，當(dāng)開(kāi)挖角度為50°時(shí)的最大主壓應(yīng)力和最小主應(yīng)力值最大。從具體的應(yīng)力分布來(lái)看，三種開(kāi)挖方式下煌斑巖脈附近均存在應(yīng)力突變現(xiàn)象，應(yīng)力明顯集中，應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較大。但是，開(kāi)挖角度為55°和60°時(shí)，邊坡的未開(kāi)挖地表應(yīng)力較小。當(dāng)開(kāi)挖角度為50°時(shí)，由于煌斑巖脈出露地表，因此邊皮的應(yīng)力分布受到明顯影響，同時(shí)開(kāi)挖坡腳部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象也更為明顯，不利于邊坡的穩(wěn)定性。

表3 邊坡應(yīng)力最大值

3.2 安全系數(shù)

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)3種不同開(kāi)挖角度方案下的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)開(kāi)挖角度為50°、55°和60°時(shí)邊坡安全系數(shù)分別1.223、1.875和1.422。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)開(kāi)挖角度為55°時(shí)，開(kāi)挖后邊坡的安全系數(shù)最大，與1.30的工程設(shè)計(jì)值相比有較大的冗余量。當(dāng)開(kāi)挖角度為60°時(shí)，開(kāi)挖后邊坡的安全系數(shù)雖然也大于工程設(shè)計(jì)值，但是冗余量較小。當(dāng)開(kāi)挖角度為50°時(shí)，開(kāi)挖后邊坡的安全系數(shù)小于工程設(shè)計(jì)值。綜合位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用55°的開(kāi)挖角度設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

在水利水電工程建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)高邊坡進(jìn)行放坡開(kāi)挖。此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方式對(duì)三種不同角度開(kāi)挖方式下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果顯示，開(kāi)挖角度為55°時(shí)的位移量最小、應(yīng)力水平最低，安全系數(shù)最高，為最佳工程設(shè)計(jì)方案，推薦在工程設(shè)計(jì)中采用。當(dāng)然，受到計(jì)算量等因素的影響，此次研究中沒(méi)有考慮邊坡小斷層、節(jié)理裂隙以及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶等細(xì)節(jié)之處的影響。因此，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性仍需要經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。