瑪爾擋水電站邊坡巖體宏觀力學(xué)參數(shù)優(yōu)化反演及應(yīng)用

，，， ，

(三峽大學(xué) a.水利與環(huán)境學(xué)院;b.土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 工程地質(zhì)條件

工程中，巖體的復(fù)雜性使得其力學(xué)參數(shù)很難通過室內(nèi)外試驗直接測得，一般的試驗僅能獲得巖石及裂隙材料的物理力學(xué)參數(shù)。因此在有關(guān)工程計算和設(shè)計中所需的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)為含裂隙的巖體力學(xué)參數(shù)[1-3]，如何充分利用室內(nèi)試驗成果得到巖體的力學(xué)參數(shù)具有極高的研究價值。本文在楊學(xué)堂等[4-5]關(guān)于裂隙巖體等效數(shù)值計算方法研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)學(xué)者在類似工程中的研究成果[6-8]，對瑪爾擋水電站樞紐區(qū)左岸趾板上游天然邊坡的宏觀力學(xué)參數(shù)進行反演分析，并將結(jié)果應(yīng)用到該邊坡的三維有限元模擬中，對邊坡穩(wěn)定性進行整體分析。

研究的邊坡位于左岸趾板上游河道轉(zhuǎn)彎處的左岸天然邊坡，為兩面臨空的山梁，上游為天然岸坡，下游為左岸趾板邊坡。該段黃河流向由277°轉(zhuǎn)為266°，岸坡沿河長500 m左右，岸頂高程3 325 m，河面高程3 088 m，高差約237 m。岸坡總體向河突出為梁狀地形，多段陡緩相接，其中陡壁一般在75°以上，局部近直立，巖性為二長巖，長大裂隙及緩傾裂隙發(fā)育。

2 反演方法

本研究首先根據(jù)提供的工程地質(zhì)資料整理出邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的分布狀況、級別及巖體的不同性質(zhì)并進行區(qū)域劃分，然后根據(jù)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面的尺寸分級建立概化模型，再以試驗得到的巖體力學(xué)參數(shù)作為初始參數(shù)對各區(qū)域巖體的概化模型進行分級計算，得出各區(qū)域的宏觀力學(xué)參數(shù)。具體計算步驟如下：

(1) 根據(jù)工程地質(zhì)勘探成果將電站樞紐區(qū)左岸趾板上游天然邊坡劃分成不同區(qū)域。劃分主要依據(jù)巖石的類型、強度及風化程度，地應(yīng)力的分布，結(jié)構(gòu)面的走向、傾向以及間距、連通率、力學(xué)參數(shù)等因素。

(2) 根據(jù)各區(qū)域內(nèi)節(jié)理和結(jié)構(gòu)面的尺寸條件，由小到大劃分出不同級別的計算試塊。要求尺寸從小到大、裂隙由小到大且能夠反映其對應(yīng)巖體的巖性組合與巖體結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合計算試塊的邊界條件與荷載條件，建立各級概化模型。

(3) 以室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)，進行分級計算。第1級計算可得到試塊材料的力學(xué)性能；第2級計算試塊內(nèi)含第1級計算試塊材料和中等裂隙材料；依次計算各級試塊直至最大級別。最大級別計算試塊所得的參數(shù)為該區(qū)域的巖體宏觀力學(xué)參數(shù)。各級模型的參數(shù)推導(dǎo)如下。

在彈性應(yīng)力狀態(tài)下，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從廣義虎克定律：

(1)

式中：E為彈性模量；ν為泊松比。

在平面應(yīng)變狀態(tài)下，Δε3=0，計算模型在應(yīng)力增量Δσ1和Δσ2的作用下，通過有限元計算可得到Δε1和Δε2，則根據(jù)式(1)可求出ν和E：

(2)

(3)

3 反演分析

3.1 區(qū)域劃分

根據(jù)左岸趾板上游天然邊坡的地質(zhì)特點劃定了研究范圍，從中選取橫1剖面作為研究對象，進行裂隙巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)計算，橫1剖面在邊坡整體中位置見圖1(a)所示。綜合分析邊坡巖石的類型及強度、巖石的風化程度、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、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)等因素，將左岸趾板上游天然邊坡邊坡劃分為3個不同的區(qū)域，見圖1(b)。

圖1 橫1剖面及工程地質(zhì)圖

擬計算的各區(qū)域地質(zhì)概況為：①區(qū)域，該區(qū)域巖性為灰綠色變質(zhì)砂巖，發(fā)育產(chǎn)狀為NW295°，SW∠69°和NW285°，SW∠62°的陡傾角斷層，斷層在深度上貫穿強風化、弱風化和微風化區(qū)域；②區(qū)域，該區(qū)域巖性為灰綠色變質(zhì)砂巖，集中發(fā)育走向為NW285°,NE77°，傾角為70°左右的陡傾角斷層，在強風化、弱風化區(qū)域均有出現(xiàn)；③區(qū)域，該區(qū)域巖性為中生代黑云母二長巖，多發(fā)育陡傾角裂隙、緩傾角裂隙和陡傾角斷層。

3.2 分級計算

參數(shù)優(yōu)化反演以地質(zhì)報告提供的左岸趾板上游邊坡巖體與破碎帶力學(xué)參數(shù)作為數(shù)值模擬的基本參數(shù)，然后將幾種不同的巖體和剪切破碎帶斷層等組合在一起構(gòu)成計算試塊，在ADINA中建立宏觀力學(xué)參數(shù)分析模型。模型中結(jié)構(gòu)面充分考慮其實際產(chǎn)狀、間距、連通率等因素影響，采用與實際結(jié)構(gòu)面性狀相符的結(jié)構(gòu)面單元模型(2D-SOLID單元模型，Mohr-Coulomb材料模型，結(jié)構(gòu)面作軟弱材料處理)。經(jīng)過試算比選，采用對模型邊界施加水平、豎直向約束與水平向荷載的方式模擬地應(yīng)力效果。根據(jù)裂隙大小、性質(zhì)、產(chǎn)狀等因素分級進行計算。各區(qū)域宏觀參數(shù)模型如圖2所示，巖體的初始參數(shù)見表1。

圖2 各區(qū)域分級試塊概化模型

表1 各區(qū)域巖體的初始參數(shù)

根據(jù)以上3個區(qū)域的模型進行反演計算后，得到各區(qū)域的裂隙巖體宏觀參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 各區(qū)塊巖體宏觀參數(shù)計算成果

4 工程應(yīng)用

為檢驗優(yōu)化反演所得裂隙巖體宏觀參數(shù)的合理性，依照圖1(a)中劃定的范圍建立左岸趾板上游天然邊坡的三維模型，并將反演得到的巖體宏觀參數(shù)應(yīng)用到邊坡模型中，使用大型有限差分軟件FLAC3D進行差分計算。

4.1 計算條件

左岸趾板上游天然邊坡三維模型順河流方向長446.87 m，垂直河流方向596.46 m，底部高程為2 682 m。三維模型主要采用四面體網(wǎng)格，共6 6373個計算節(jié)點，376 808個單元，網(wǎng)格圖如圖3(a)所示，剖面在整體模型中的位置如圖3(b)所示。模型中x向表示垂直河流方向，向坡外為正，向坡內(nèi)為負；模型中y表示河流方向，向下游為正，向上游為負；z向表示豎直方向，向上為正，向下為負。

(a)模型網(wǎng)格

(b)剖面位置

4.2 計算結(jié)果及分析

通過有限差分計算得到左岸趾板上游天然邊坡在天然、開挖和蓄水工況下的應(yīng)力、應(yīng)變以及塑性區(qū)分布狀況，其中整體邊坡與3-3斷面邊坡在開挖與蓄水工況下的塑性區(qū)分布如圖4所示。天然邊坡三維有限差分模型計算結(jié)果如表3所示。

圖4 左岸趾板上游天然邊坡塑性區(qū)云圖

計算成果顯示：在天然、開挖、蓄水3種工況作用下，左岸趾板上游天然邊坡最大坡外位移為7.182 mm，最大豎直向沉降位移為38.620 mm。從最大向坡外和豎直沉降位移可以看出，開挖對整個坡體的位移有較大影響；在坡體開挖面分布有少量拉應(yīng)力區(qū)，第一主應(yīng)力最大拉應(yīng)力值為1.177 MPa，第三主應(yīng)力最大拉應(yīng)力值為0.860 MPa。在開挖工況下，塑性區(qū)集中在開挖面附近，最大深度為42 m；在蓄水工況下，塑性區(qū)集中在高程3 275 m以下的坡表，較開挖工況分布面積更大，最大深度為49 m。2種工況的塑性區(qū)分布較廣，深度較深，但綜合考慮位移、應(yīng)力的情況下，整體邊坡在各工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

現(xiàn)場勘測地質(zhì)報告指出，該邊坡為近壩庫岸邊坡，山梁兩面臨空，岸坡陡峻、長大裂隙發(fā)育，施工期岸坡受開挖爆破影響存在局部塌滑的可能，初期蓄水和蓄水后岸坡存在較大變形或坍塌的可能。邊坡三維有限元模擬的開挖與蓄水工況反映出了可能失穩(wěn)部位，塑性區(qū)分布的變化趨勢符合客觀規(guī)律。結(jié)果表明，采用分區(qū)分級方法優(yōu)化反演得到的巖體宏觀力學(xué)參數(shù)在數(shù)值模擬中的應(yīng)用是可行的。

表3 左岸趾板上游天然邊坡三維有限差分計算成果(極值)

5 結(jié) 語

為解決巖石試驗中尺寸效應(yīng)、現(xiàn)場選點條件限制以及復(fù)雜巖體力學(xué)參數(shù)難以直接取得等問題，在室內(nèi)試驗的成果上，采用分區(qū)分級方法對瑪爾擋水電站邊坡巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)進行了優(yōu)化反演，并將結(jié)果應(yīng)用到三維有限元模擬計算中。

(1) 在宏觀力學(xué)參數(shù)的獲取中，分區(qū)分級方法考慮了結(jié)構(gòu)面尺寸、方向、連通率等因素以及地應(yīng)力影響，與常用的經(jīng)驗公式法相比，克服了以經(jīng)驗為主方法的隨機性。

(2) 宏觀參數(shù)的采用解決了數(shù)值模擬中數(shù)量眾多不同類別裂隙和斷層計算網(wǎng)格限制造成難以統(tǒng)一模擬的問題。

(3) 根據(jù)節(jié)理和結(jié)構(gòu)面的尺寸條件，將其分布區(qū)域合理劃分成不同級別的計算試塊，由此反演得到的等效宏觀力學(xué)參數(shù)，能夠有效削弱巖石試驗中尺寸效應(yīng)的影響與現(xiàn)場選點條件限制。

(4) 采用的反演方法充分有效地利用了室內(nèi)試驗的成果并與工程實際情況相結(jié)合，較真實合理地反映出范圍內(nèi)邊坡的整體變形、破壞力學(xué)特性。

參考文獻：

[1] 哈秋舲，李建林．巖石邊坡卸荷巖體宏觀力學(xué)參數(shù)研究[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996．(HA Qiu-ling, LI Jian-lin. Study on Macro Mechanical Parameters of Rock Slope Unloading Rock Mass[M]. Beijing: China Architecture and Building Press,1996.(in Chinese))

[2] 張志強．非貫通裂隙巖體破壞細觀特征及其宏觀力學(xué)參數(shù)確定方法[D]．西安：西安理工大學(xué)，2009．(ZHANG Zhi-qiang. Meso-mechanical Failure Characteristics & Macro-mechanical Parameters Estimation of Fractured Rock Mass with Nonpenetrative Fissures[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2009. (in Chinese))

[3] 李建林．三峽工程永久船閘陡高邊坡巖體宏觀力學(xué)參數(shù)研究[D]．重慶：重慶建筑大學(xué)，1996．(LI Jian-lin. Study on Macro-mechanical Parameters of Rock Mass in the High Slope of TGP’s Permanent Lock[D]. Chongqing: Chongqing Jianzhu University, 1996. (in Chinese))

[4] 楊學(xué)堂，哈秋舲，張永興，等．裂隙巖體宏觀力學(xué)參數(shù)數(shù)值仿真模擬研究[J]．水力發(fā)電，2004，30(7)：14-16．(YANG Xue-tang, HA Qiu-ling, ZHANG Yong-xing,etal. Study on Numerical Simulation of Macro Mechanic Parameters of Fissured Rock Mass[J].Water Power,2004,30(7): 14-16．(in Chinese))

[5] 李建林，哈秋舲．三峽卸荷巖體宏觀力學(xué)參數(shù)三維數(shù)值模擬[J]．武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報，1997，9(3): 1-6．(LI Jian-lin, HA Qiu-ling. Three-Dimensional Numerical Model of the Mechanical Parameters of Unloading Rock Mass at Three Gorges[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electrical Engineering,1997,9 (3): 1-6．(in Chinese))

[6] 駱世威，劉 杰，肖 蕾，等．西藏如美水電站裂隙巖體力學(xué)參數(shù)模擬反分析[J]．人民長江，2012，43(10)：84-87．(LUO Shi-wei, LIU Jie, XIAO Lei,etal. Back Analysis of Numerical Simulation on Mechanical Parameters of Fractured Rock Mass of Rumei Hydropower Station in Tibet[J]. Yangtze River, 2012, 43(10): 84-87．(in Chinese))

[7] 周濟芳，李建林，劉 杰，等．隔河巖水電站邊坡巖體宏觀力學(xué)參數(shù)的有限元反演分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(增1)：4506-4508．(ZHOU Ji-fang, LI Jian-lin, LIU Jie,etal. Back Analysis on Macromechanics Parameters of Rock Masses of the Slope of Geheyan Hydraulic Power Station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004,23(Sup.1): 4506-4508．(in Chinese))

[8] 周濟芳，李建林，王瑞紅．關(guān)于卸荷巖體尺寸效應(yīng)的數(shù)值仿真研究[J]．四川水利，2008，(4)：69-71．(ZHOU Ji-fang, LI Jian-lin, WANG Rui-hong. Study on Numerical Simulation of Unloading Rock Mass Size Effect[J]. Sichuan Water Resources, 2008, (4): 69-71．(in Chinese))

(編輯：曾小漢)