開挖卸荷速率變化對巖質邊坡應力應變影響作用研究

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(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)

1 研究背景

在邊坡開挖施工過程中，實際上往往伴隨著巖體開挖卸荷過程。開挖卸荷作用會引起巖體質量的迅速劣化，因此在邊坡巖體開挖的穩(wěn)定分析中需考慮卸荷的作用[1-2]。在考慮巖體開挖卸荷作用影響的前提下，不同開挖卸荷速率對巖質開挖邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性影響也是一個值得研究的問題。易長平等[3-4]對采用不同的開挖順序及爆破荷載作用下邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性進行了研究，首先提出了瞬時卸荷的動態(tài)卸荷概念；黃潤秋等[5]對高地應力條件下卸荷速率對大理巖力學特性的影響規(guī)律進行了研究；王瑞紅等[6]在考慮巖體開挖卸荷動態(tài)變化條件下，對水電站壩肩高邊坡的三維穩(wěn)定性進行了分析研究；但基于巖體開挖卸荷理論，直接考慮不同開挖卸荷速率的變化對邊坡應力應變特性影響的研究并不多見。

本文基于巖體開挖卸荷理論，以大渡河某水電站泄洪洞進口開挖高邊坡的穩(wěn)定性分析為工程背景，考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用的影響。通過數值模擬的方法，對不同開挖速率下邊坡模型的應力應變以及塑性區(qū)變化進行分析，得到不同開挖速率對該邊坡應力應變特性的影響成果。

2 工程概況

該水電站工程以發(fā)電為主，裝機容量860 MW，屬二等大(2)型工程，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸地下廠房、右岸溢洪道和右岸泄洪洞等組成。開挖邊坡位于右岸壩線上游,開挖邊坡上部高程2 400 m，岸坡高差達350 m，岸坡整體坡度50°左右。邊坡表部強風化帶內，巖體質量為Ⅳ級，弱風化帶內巖體質量為Ⅲ2級，進入弱風化帶以里，巖體質量普遍為Ⅲ1級，局部受構造影響地段為Ⅲ2級。

3 巖體力學參數

3.1 巖體基本力學參數

在對邊坡開挖巖體進行數值分析時，關鍵的問題是如何建立相應的幾何模型、如何選擇合適的本構關系以及如何選取合適的宏觀力學參數[7-9]，巖體宏觀力學參數的研究方法有很多，常用的有試驗法、數值分析法、經驗法等[10-11]。由于在室內外試驗條件下試驗尺寸效應的影響以及實驗現場環(huán)境的條件制約，復雜巖體的力學參數是很難通過室內試驗直接測得的。因此，目前數值分析方法已逐步成為巖體宏觀力學參數分析的有效方法之一。

通過在初始力學參數的基礎上，結合Hoek-Brown法確定巖體的初始力學參數并將開挖邊坡巖體分為6組。各組巖體初始基本力學參數的取值見表1。

表1 巖體基本力學參數

3.2 巖體卸荷力學參數

邊坡巖體在開挖之后，巖體的開挖卸荷作用會引起巖體質量的劣化。然而隨著開挖方式的不同，開挖巖體的卸荷區(qū)域和卸荷量大小也是不同的。因此不同巖體開挖卸荷速率的模擬過程也是一個巖體卸荷力學參數不斷調整的過程，應根據不同的開挖方式確定相應的卸荷區(qū)域，對不同卸荷區(qū)按照卸荷程度的大小采用相應的巖體力學參數[12-13]。

圖1 開挖卸荷巖體力學參數分析流程

具體分析計算時，應根據巖體開挖卸荷前后的應力場變化確定卸荷區(qū)大小，調整力學參數；再根據卸荷區(qū)是否擴展這一判據，判定最后的動態(tài)開挖卸荷巖體力學參數。具體的動態(tài)開挖卸荷巖體力學參數分析流程如圖1所示。據此計算得到的動態(tài)卸荷巖體力學參數如表2所示，其中重度、泊松比以及其它巖層組的力學參數均不變(如表1所示)，卸荷巖體主要分布在弱風化層。

表2 巖體卸荷力學參數

4 三維有限差分分析

在建模過程中，由于模型網格類型以及大小的限制，要模擬所有不同類別的裂隙和斷層是難以實現的[14]。在該工程實例中，由于實際巖體中并不存在大的斷裂或裂隙，且零星分布的幾個小斷裂均為逆斷層，對邊坡巖體向坡外的位移是有阻礙作用的，一定意義上說是有利于邊坡穩(wěn)定的，故在實際建模中并未考慮。

4.1 計算模型

三維有限元模型選取右岸泄洪洞開挖邊坡為研究對象，模型y向645 m，x向632 m，模型最低點絕對高程1 700 m，最高點絕對高程為2 560 m；其中x為垂直于河流方向，以向下游為正；y為沿坡向，以順坡向為正；z為高程方向，以向上為正。模型底部邊界采用豎直向約束，豎直方向施加重力荷載，水平邊界采用水平向約束。三維有限元模型主要采用四面體劃分網格，共有56 725個節(jié)點(node)和268 235個單元(element)，具體如圖2和圖3所示。

圖2 邊坡三維模型

圖3 三維網格模型

4.2 不同開挖速率模擬

巖體工程開挖變形具有很強的時空效應[15]，施工進度(開挖速率)不同，巖體卸荷速率差異明顯?？紤]到邊坡的實際開挖情況及該項目預可行性研究報告中關于邊坡開挖的建議，數值模擬中采用表3所示的快、中、慢3種開挖速率(即3步、5步、7步開挖)模擬邊坡不同開挖速率下的開挖施工過程，并在開挖過程中考慮每一步的動態(tài)卸荷作用，開挖方式示意圖如圖4。

表3 3種開挖方式

注:圖中“7-1”表示7步開挖中的第1步；“5-1”表示5步開挖中的第1步；“3-1”表示3步開挖中的第1步；其它依此類推。

5 邊坡開挖卸荷巖體有限元分析

5.1 不同開挖速率下邊坡的位移分布

根據不同開挖方式，考慮不同開挖速率下的巖體應力應變動態(tài)變化，利用三維有限差分法計算各開挖步下y向最大位移以及最大拉應力變化如圖5和圖6所示。

圖5 考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用下3種開挖速率的位移和應力

圖6 不考慮巖體開挖卸荷作用下3種開挖速率的位移和應力

從圖5(a)、5(b)以及表4可以看出：考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用時，隨著開挖速率的減小，y向最大位移值在開挖過程中逐漸減小，最大拉應力值隨著開挖速率的減小也呈相同趨勢，說明開挖速率越慢，可以一定程度上減小開挖巖體的變形。從圖6(a)、6(b)以及表4可以看出，在不考慮開挖卸荷作用時，隨著開挖速率的減小，最大位移值和最大拉應力值沒有變化。對比圖5和6中考慮與不考率巖體動態(tài)開挖卸荷作用時的應力應變變化規(guī)律，可以發(fā)現，考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用時，開挖坡體的應力應變變化趨勢比不考慮時更加平緩自然，區(qū)別更加明顯，更能體現開挖速率對開挖邊坡應力應變狀態(tài)的影響。

表4 3種開挖速率下的最大位移和最大拉應力

綜上可以發(fā)現：在考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用時，開挖速率的變化才會對開挖巖體的應力應變狀態(tài)產生明顯的影響。這是由于考慮動態(tài)開挖卸荷作用時，每一步開挖卸荷狀態(tài)都不同，每一步開挖考慮了巖體地應力隨開挖的推進逐步變化的過程，即考慮卸荷瞬態(tài)效應作用，使得巖體的破壞范圍也隨開挖速率不同而不同。

5.2 不同開挖速率下邊坡的塑性區(qū)分布

根據不同開挖方式，為了使結果更加有可比性，選取3種開挖速率下均開挖至2 165 m高程時對應的塑性區(qū)圖加以比較，如圖7和圖8所示。

圖7 考慮動態(tài)開挖卸荷時不同開挖速率下塑性區(qū)變化

從圖7可以看出：隨著開挖速率的減小，塑性區(qū)范圍有較大減小趨勢。這說明開挖速率越慢，雖然短期內減少了塑性變形的擴展時間，但是考慮到開挖卸荷的時間效應以及卸荷量的穩(wěn)定變化過程，可以一定程度上減小由于巖體開挖的瞬時卸荷作用對巖體的擾動作用，從而減少塑性區(qū)范圍。

從圖8可以看出，隨著開挖速率的減小，塑性區(qū)范圍沒有變化。同時對比上述3種開挖卸荷速率下的塑性區(qū)變化規(guī)律，可以發(fā)現相比于考慮卸荷瞬態(tài)效應作用下開挖坡體的塑性區(qū)范圍，不考慮巖體開挖卸荷作用時開挖巖體的塑性區(qū)范圍更大，這也說明在考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用時開挖速率的變化才會對開挖巖體的塑性區(qū)范圍產生明顯的影響。

圖8 不考慮開挖卸荷時不同開挖速率下塑性區(qū)變化

6 結 論

基于巖體開挖卸荷理論，考慮巖體動態(tài)開挖卸荷的作用，以大渡河某水電站泄洪洞開挖高邊坡的穩(wěn)定性分析為工程背景，不同開挖速率下邊坡的應力應變場以及塑性區(qū)變化的分析結果表明：

(1) 高邊坡施工過程中，在考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用的前提下，開挖速率越慢，邊坡開挖過程中的應力應變變化越小，塑性區(qū)范圍也越小。因此，在施工過程中應嚴格合理控制施工進度，保持合理地開挖速度，保證開挖施工的連續(xù)性，并在開挖過后及時合理的對邊坡進行加固，尤其是中下部(文中高邊坡2 230 m以下高程)開挖區(qū)域。

(2) 在考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用時比不考慮巖體開挖卸荷作用時，開挖邊坡應力應變以及塑性區(qū)范圍在不同開挖速率下對開挖卸荷產生的影響作用更加敏感，因此在實際施工過程中應充分考慮巖體動態(tài)開挖卸荷作用，合理選擇施工方案及錨固時機。

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