某水電站邊坡卸荷巖體宏觀力學(xué)參數(shù)反演對比研究

蔡 健 ，劉 杰

（1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064）

0 引 言

巖體宏觀力學(xué)參數(shù)在有限元計(jì)算中占有十分重要的地位，沒有正確的力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果不能令人信服。由于巖體試驗(yàn)尺寸及現(xiàn)場選點(diǎn)條件的限制，復(fù)雜巖體的力學(xué)參數(shù)很難通過室內(nèi)外試驗(yàn)直接測得。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于巖體卸荷原理和分級分區(qū)方法的基礎(chǔ)上，對某水電站邊坡區(qū)域進(jìn)行了合理的劃分，并選取具有代表性的區(qū)域進(jìn)行二維與三維參數(shù)反演對比分析，最終得到卸荷巖體宏觀力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步驗(yàn)證了本文研究方法的精確性和合理性。

1 基本方法

1.1 反演方法

以現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、材料試驗(yàn)為基礎(chǔ)，與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的分布狀況、級別及巖體的不同性質(zhì)，對巖體力學(xué)參數(shù)采用分區(qū)分級計(jì)算，最終對整個(gè)工程巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行評價(jià)。具體計(jì)算步驟如下:

（1）根據(jù)工程地質(zhì)勘探成果，對給定的整個(gè)工程巖體各個(gè)區(qū)域分區(qū)分塊。分區(qū)分塊主要考慮巖石的類型及強(qiáng)度、風(fēng)化程度、地應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距及連通率、力學(xué)參數(shù)、地下水情況等。

（2）根據(jù)各個(gè)區(qū)塊內(nèi)所含節(jié)理的尺寸，對各區(qū)塊劃分不同尺寸級別，數(shù)值模擬計(jì)算試塊全面、真實(shí)地反映其對應(yīng)巖體的巖性組合和結(jié)構(gòu)特征。

（3）根據(jù)每個(gè)區(qū)塊的邊界和外荷條件，對各區(qū)塊內(nèi)的分級計(jì)算試塊逐級進(jìn)行大三軸試驗(yàn)數(shù)值模擬，對每個(gè)區(qū)塊的巖體參數(shù)進(jìn)行評定。計(jì)算中應(yīng)模擬區(qū)塊內(nèi)每條裂隙、每個(gè)層面。對同一區(qū)塊不同級別計(jì)算試塊，計(jì)算順序是先小尺寸后大尺寸，先小裂隙后大裂隙。第1級試塊內(nèi)為巖石和小節(jié)理裂隙材料，計(jì)算參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系直接采用室內(nèi)試驗(yàn)成果，通過第1級計(jì)算得到試塊材料的力學(xué)參數(shù)。第2級計(jì)算試塊內(nèi)含第1級計(jì)算試塊材料和中等裂隙材料。根據(jù)以上方法，依次計(jì)算各區(qū)塊內(nèi)不同級別的試塊，直至計(jì)算到該區(qū)塊最大級別試塊，最大試塊計(jì)算所得的參數(shù)就為該區(qū)塊的力學(xué)參數(shù)值。

（4）把各區(qū)塊和大斷層及軟弱厚層組合在一起，建立整體計(jì)算試塊，計(jì)算得到工程整體的力學(xué)參數(shù)，對整個(gè)工程的巖體進(jìn)行評價(jià)。

1.2 計(jì)算公式

在主應(yīng)力空間中，彈性狀態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系服從廣義虎克定律。在平面應(yīng)變狀態(tài)下，應(yīng)變增量Δε3=0，計(jì)算模型在應(yīng)力增量Δσ1、Δσ2的作用下，通過有限元計(jì)算可得到Δε1和Δε2，則可求出泊松比μ、變形模量E。由所求的變形參數(shù)，可得到單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量和應(yīng)力增量之間的關(guān)系式。三維有限元分區(qū)分級參數(shù)模擬同二維有限元，根據(jù)廣義虎克定律推導(dǎo)出泊松比μ′和變形模量E′計(jì)算公式為

2 反演分析

2.1 區(qū)塊劃分

根據(jù)邊坡巖體的類型及強(qiáng)度、風(fēng)化程度、剪切破碎帶、裂隙及斷層的走向和傾向、結(jié)構(gòu)面的間距及連通率、力學(xué)參數(shù)、地下水情況等因素將邊坡劃分為不同的區(qū)塊，選取其中3個(gè)區(qū)塊 （2、3號和4號）進(jìn)行二維、三維參數(shù)反演對比分析，其區(qū)塊劃分見圖1。

圖1 區(qū)塊劃分

（1）第2區(qū)塊:位于左岸弱下風(fēng)化層內(nèi)邊坡上，巖性主要為灰白色英安巖，巖體呈鑲嵌狀、塊裂狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，貫穿性結(jié)構(gòu)面不多見，結(jié)構(gòu)面延展差，多閉合，巖塊間嵌合力較好。

（2）第3區(qū)塊:位于左岸弱上風(fēng)化層內(nèi)邊坡上，巖性主要為灰白色英安巖，巖體呈鑲嵌狀、塊裂狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。

（3）第4區(qū)塊:位于右岸弱上風(fēng)化層內(nèi)邊坡上，巖性主要為灰黑色英安巖，巖體呈鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。

2.2 區(qū)塊二維參數(shù)反演

根據(jù)裂隙大小、性質(zhì)、產(chǎn)狀等因素，將第2區(qū)塊分4級計(jì)算。其概化模型試件見圖2，初始參數(shù)見表1。

在ADINA中建立好宏觀力學(xué)參數(shù)分析模型后，設(shè)定材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行后處理文件，提取出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最后，用巖體初始計(jì)算參數(shù)計(jì)算得到模擬試塊的宏觀變形參數(shù)。第2區(qū)塊巖體二維宏觀參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。同理，第3、第4區(qū)塊巖體二維宏觀參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3、4。

2.3 區(qū)塊三維參數(shù)反演

三維有限元參數(shù)反分析也采用二維參數(shù)分析中各區(qū)域巖體與破碎帶的力學(xué)參數(shù)作為數(shù)值模擬的基本參數(shù)，將幾種不同的巖體和剪切破碎帶斷層等組合在一起構(gòu)成計(jì)算試塊，并對其進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)參數(shù)反分析，計(jì)算試塊的選定也與三維有限元模型結(jié)合起來考慮。進(jìn)行三維模擬區(qū)塊斷層和結(jié)構(gòu)面過程中，各級區(qū)塊大小以及結(jié)構(gòu)面的分布和發(fā)育狀況均與二維模型保持一致，故此處不再贅述。

表1 第2區(qū)塊巖體的初始參數(shù)

圖2 第2區(qū)塊計(jì)算概化二維模型

表2 第2區(qū)塊巖體的宏觀參數(shù)計(jì)算成果

表3 第3區(qū)塊巖體的宏觀參數(shù)計(jì)算成果

表4 第4區(qū)塊巖體的宏觀參數(shù)計(jì)算成果

根據(jù)裂隙大小，性質(zhì)，產(chǎn)狀等因素，將第2區(qū)塊分為4級計(jì)算。其分級概化模型試件見圖3，初始參數(shù)見表1。在ADINA中建立好宏觀力學(xué)參數(shù)分析模型后，設(shè)定材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行后處理文件，提取出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后將統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)代入公式1、2，計(jì)算得到模擬試塊的宏觀變形參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表5。同理，第3、第4區(qū)塊巖體三維宏觀參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6、7。

圖3 第2區(qū)塊分級計(jì)算概化三維模型

表5 第2區(qū)塊巖體三維宏觀參數(shù)計(jì)算成果

表6 第3區(qū)塊巖體三維宏觀參數(shù)計(jì)算成果

表7 第4區(qū)塊巖體三維宏觀參數(shù)計(jì)算成果

2.4 對比分析

3個(gè)區(qū)塊二維與三維模擬計(jì)算變形模量、泊松比對比見圖4。從圖4可以看出，二維和三維模擬裂隙對計(jì)算結(jié)果的影響程度幾乎一致。進(jìn)行三維模擬時(shí)，變形模量的折減幅度比二維模擬略大，趨勢基本一致。同樣，泊松比的變化趨勢基本一致，均隨著計(jì)算級數(shù)的增大而增大，部分存在跳躍現(xiàn)象，其原因可能是:在三維模型中，由于結(jié)構(gòu)面的存在，隨著頂面荷載的施加，另外2個(gè)側(cè)向臨空面中間會出現(xiàn)應(yīng)變集中凸出，使該面的平均位移增加，即側(cè)向應(yīng)變增大，故反求得出的泊松比隨之減小。

圖4 二維與三維計(jì)算變形模量、泊松比對比

3 結(jié)論

（1）本文采用分區(qū)分級計(jì)算試塊法解決了室內(nèi)試驗(yàn)對巖體參數(shù)評價(jià)的局限性和以經(jīng)驗(yàn)為主的方法提供巖體的力學(xué)參數(shù)對巖體參數(shù)選取的隨機(jī)性。

（2）綜合考慮巖體的結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)，將室內(nèi)試驗(yàn)成果運(yùn)用到數(shù)值仿真分級模擬巖體的參數(shù)，由此得出的反演結(jié)果更具科學(xué)性。

（3）從二維到三維參數(shù)反演，精確地模擬巖體內(nèi)部真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，大大提高了巖體參數(shù)分析的精確性。

（4）二維與三維的計(jì)算結(jié)果比較吻合，更加驗(yàn)證了分區(qū)分級方法計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性和合理性。

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