綜合考慮安全性和經(jīng)濟性的料場邊坡開挖方案優(yōu)選

陳 星 郭永成,2 趙二平,2

(1.三峽大學三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室,湖北宜昌 443002;2.武漢大學水利水電學院,武漢430072)

水電工程中需要使用大量的人工骨料,料場開挖后容易形成高陡邊坡.由于不同的開挖方案在施工過程中以及施工結束后所產(chǎn)生的位移應力情況不同,同時開挖方量也會有所區(qū)別,研究在合適的開采區(qū)范圍,盡可能采用合理的開挖方案,達到既保證開挖邊坡的穩(wěn)定,又能夠滿足經(jīng)濟性目標,對于工程施工具有一定的指導意義.

李景[1]采用剩余推力法計算天然斜坡的穩(wěn)定性,并根據(jù)規(guī)范從經(jīng)濟效益考慮,確定在開挖與支護總費用最低時的邊坡開挖坡比為最優(yōu)坡比.張顯書[2]利用ANSYS對巖質高邊坡開挖過程中應力場及位移場的空間變化特征進行了數(shù)值仿真模擬,并優(yōu)化其結構設計,提出了合理經(jīng)濟的治理方案,指導治理工程施工.沈才華[3]引入拓撲優(yōu)化理論,建立隧道拓撲優(yōu)化模型,并結合彈塑性有限元數(shù)值計算方法,提出對隧道支護加固部位進行拓撲優(yōu)化分析的方法.

結合某水電站人工骨料料場邊坡工程項目,建立三維彈塑性有限元模型,對不同開挖高程和開挖坡比的4種開挖方案進行對比分析,得出復雜地質條件下料場邊坡施工的優(yōu)選方案.

1 開挖邊坡概況

(1)地形地貌.料場位于壩址區(qū)李子溝背斜的核部,地層走向NW-SE向,核部地層平緩,走向近南北向;巖層傾向北翼NW355°～NE25°,傾角50°～70°,南翼SE135°～155°,傾角60°～80°.主要地層為天河板組上段(瓘1t2)、天河板組上段(瓘1t1)及石龍洞組下段(瓘1sl1),巖相穩(wěn)定.料場位于大壩約200m的左岸岸坡上,料場頂部山脊尖棱,地形陡峭,山脊高程近700m,山坡坡度50°左右,斜坡走向與地層走向近正交,基巖裸露,溝谷發(fā)育,風化層及剝離層較薄,地表徑流強,無明顯的地質災害.因此,該料場按地形地質條件劃分為Ⅰ類.

(2)地層巖性.料場地層共3段,為石龍洞組下段(瓘1sl1)、天河板組上段(瓘1t2)及天河板組下段(瓘1t1),主要巖體均為厚～中厚層結構.

(3)開采區(qū)范圍.料場上游為水電站拱壩,下游為交通要道李子溝大橋,中間帶為背斜構造.為避免料場開挖對拱壩和大橋的影響,開采帶定為背斜核部,開挖后背斜兩側形成逆向邊坡,有利于穩(wěn)定.

按設計需求(骨料54萬m3),并考慮開采區(qū)周邊地形地質環(huán)境的影響,初定優(yōu)先開采區(qū)范圍如圖1所示,方案1、2開采邊界相同(A-B-C-D-E-FG-H-A),方案3、4開采邊界相同(A-B-C-DE-F-I-A).

圖1 人工骨料場綜合工程地質圖

2 初始物理力學參數(shù)

根據(jù)地勘資料,以及現(xiàn)場查勘,并結合開挖過程中巖石的結構面顯露情況,巖層力學參數(shù)見表1.

表1 巖層初始力學參數(shù)

3 開挖方案

結合現(xiàn)場的地質條件,擬定的料場邊坡開采范圍見圖1(1-1,2-2表示所取的三維模型典型剖面);開挖時,垂直距離每30m左右設置一級馬道,馬道寬3m,370m以下不設馬道,各方案具體開挖步驟如下:

方案 1:分 5步開挖,370～493 m高程坡比1∶0.3,370m以下近似垂直;

方案 2:分 5步開挖,370～493 m高程坡比1∶0.3,370m以下坡比近似1∶0.2;

方案 3:分 6步開挖,490～520 m高程坡比1∶0.5,370～490m高程坡比1∶0.35,370m以下近似垂直;

方案 4:分 6步開挖,490～520 m高程坡比1∶0.5,370～490m高程坡比1∶0.35,370m以下坡比近似1∶0.2.

4 計算模型

針對4種開挖方案,分別建立三維數(shù)值計算模型.模型底部采用豎直向約束,側面采用水平向約束,巖體材料選用Mohr-Coloumb材料.圖2～3分別表示方案1開挖前后的網(wǎng)格劃分圖.

圖2 方案1開挖前網(wǎng)格材料圖

圖3 方案1開挖后網(wǎng)格材料圖

5 計算結果

FLAC3D采用的“顯式拉格朗日”算法和“混合-離散分區(qū)”技術,能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動,是十分強大的巖土工程專用軟件[4],但其在前處理(建模與網(wǎng)格劃分)和后處理(圖形結果輸出)方面卻存在著明顯不足[5-6].對此,首先利用具有強大圖形與網(wǎng)格劃分功能的ANSYS軟件來實現(xiàn)復雜模型構建,然后通過相應程序將模型導入到FLAC3D中進行模擬計算,最后將計算結果導入到TECPLOT軟件中進行后處理分析.限于篇幅,文中僅列出部分圖表,部分計算圖見圖4～8,整體和典型剖面的計算結果統(tǒng)計見表3～4.

圖4 方案1不平衡力變化曲線

圖5 方案1 X方向相對位移

圖6 方案1第一主應力

6 方案比較

6.1 位移比較

分別對邊坡整體和典型剖面的有限元計算成果進行整理,4種方案整個邊坡最大相對位移、最大應力見表3,1-1剖面和2-2剖面的最大相對位移、最大應力見表4.

圖7 方案1 X方向相對位移(1-1剖面)

圖8 方案1 X方向相對位移(2-2剖面)

表3 整體邊坡三維有限元計算成果表

表4 三維計算典型剖面計算成果表

從表3可以看出,4種開挖方案X、Y、Z方向向坡外最大相對位移均較小.X方向向坡外最大相對位移為4 mm,Y方向最大相對位移為9mm,Z方向最大相對位移為16mm.開挖完成后,方案3的相對位移稍大,其它方案差別不大.

針對塑性區(qū)的位置(見后文),在弧形馬道的圈頂外側設置關鍵點.方案1的關鍵點位置在圖3中以星型表示,不同高程關鍵點的位移隨開挖步的變化見圖9.圖9表明,每一步開挖完成后形成開挖平臺,開挖平臺下的關鍵點位移向坡內,而位于開挖平臺上的關鍵點位移由坡內轉向坡外;整個開挖完成后,關鍵點向坡外的位移隨著高程的降低而增加.

圖9 方案1關鍵點位移曲線

6.2 應力比較

從表3可以看出,4種開挖方案第一主應力均小于1MPa.邊坡開挖卸荷并未出現(xiàn)明顯的拉應力區(qū),基本上以壓應力為主.最大拉應力為0.6MPa,最大壓應力為12 MPa.并且開挖完成后,邊坡表面的拉應力區(qū)分布范圍較小.

6.3 塑性區(qū)比較

4種方案的塑性區(qū)體積見表5,圖10表示方案1的剪切塑性區(qū).從4種方案的塑性區(qū)分布圖中可以看出,開挖后的塑性區(qū)分布位置及范圍大致相同,主要分布在開挖面附近;在開挖面附近,塑性區(qū)主要分布在弧形馬道的弧頂外側;邊坡在370 m和400m高程處塑性區(qū)區(qū)域較大;塑性區(qū)均未貫穿坡體,這表明邊坡處于正常工作狀態(tài).

表5 方案比較

圖10 方案1剪切塑性區(qū)

從表5中可以看出,塑性區(qū)體積差別不大,塑性區(qū)的體積能為邊坡穩(wěn)定分析提供參考.

6.4 安全系數(shù)比較

基于有限元強度折減法[7]的邊坡穩(wěn)定分析的基本原理就是將邊坡強度參數(shù)粘聚力c和內摩擦角φ同時除以一個折減系數(shù)F,得到一組新的強度參數(shù)值c′和φ′.然后作為新的材料參數(shù)輸入,再進行試算,直至滿足邊坡失穩(wěn)判據(jù),此時對應的折減系數(shù)F即為最小安全系數(shù).經(jīng)過折減后的剪切強度參數(shù)值c′和φ′為

現(xiàn)行的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有以下幾種:以數(shù)值計算的收斂性作為失穩(wěn)判據(jù);以特征部位位移的突變性作為失穩(wěn)判據(jù);以塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù)[8-9].

在FLAC3D中求解安全系數(shù)時,單次安全系數(shù)的計算過程主要采用的是第一種失穩(wěn)判據(jù).利用“二分法”的思想,采用自編強度折減法實現(xiàn),即對其內置強度折減法進行改進以縮短安全系數(shù)的求解時間.

安全系數(shù)的計算結果見表5,從以上4種方案的安全系數(shù)可以看出,方案4的安全系數(shù)最大.

6.5 開挖方量比較

目前土石方計算的基本方法主要有斷面法、基于數(shù)字高程模型法(DEM).DEM適用于所有場地,且精度較高.多年來,國內外學者對數(shù)字高程模型(DEM)的構建算法進行了大量的研究[10],總的來說可以分為兩個方向:基于規(guī)則格網(wǎng)(GRID)和基于不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN).

采用專業(yè)的GIS軟件計算開挖方量,其基本原理是不規(guī)則三角網(wǎng)法.圖11表示GIS計算方案1土石方的三維視圖.從表5中看出,方案1和方案3的開挖量略大.

圖11 方案1三角網(wǎng)圖

6.6 開采難易程度的比較

493m高程以上接近山頂,施工機械的運輸難度大,開采環(huán)境較為惡劣.開采難度的加大,必然會增加開采費用.根據(jù)現(xiàn)場調查,在保障穩(wěn)定性和開挖方量的前提下,優(yōu)先考慮493m高程以下的開采范圍.

7 結論和建議

通過對料場邊坡的數(shù)值模擬,對邊坡開挖過程模擬和對邊坡位移、應力、塑性區(qū)、安全系數(shù)、開挖量及開采難度的綜合評價,得到如下主要結論:

(1)比較4種方案的位移、應力、塑性區(qū)、安全系數(shù),開挖完成后邊坡的穩(wěn)定性較好,安全性均滿足規(guī)范要求,方案4的穩(wěn)定性略好.

(2)4種方案均能滿足開挖方量,骨料需求能夠得到保證.

(3)料場邊坡開挖方案選擇需要綜合考慮安全性和經(jīng)濟性.考慮料場周邊的地形地貌和開采難度,在保證穩(wěn)定性和開挖方量的前提下,單位開采量的費用最小為優(yōu)化目標.493 m高程以下開采難度較小,且方案1的開挖方量稍大,方案1為最優(yōu)方案.

(4)從4種方案的分析過程中可以看出邊坡在開挖后整體能夠保持穩(wěn)定,但弧形馬道的圈頂外側塑性區(qū)分布較為集中,局部穩(wěn)定性應該重點關注,施工過程應該采取必要的加固措施.

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