金川水電站導流洞進口邊坡穩(wěn)定性分析

，， ，，

(1.三峽大學 a.水利與環(huán)境學院；b.土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002； 2.安徽佛子嶺抽水蓄能有限公司，安徽 六安 230088；； 3.大唐四川川北電力開發(fā)有限公司，四川 廣元 628000)

1 工程概況

金川水電站工程以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位2 253.00 m，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。導流洞進口布置在右岸壩線上游450～550 m處，岸坡上部邊坡為30°～50°的緩坡，斜坡上分布有切割深度小于10 m的沖溝，下部由于公路開挖坡形較陡，達60°以上，上部開挖寬度較大，邊坡開挖高度達80～110 m。邊坡巖性為T3z2(8)巖組淺灰色薄～中厚層狀變質(zhì)細砂巖，夾厚層狀變質(zhì)細砂巖透鏡體、炭質(zhì)千枚巖，巖層產(chǎn)狀NW330°～340°，SW∠40～60°。導流洞進口處低高程強卸荷深度在10～20 m，弱卸荷深度在60 m左右；Bxt2發(fā)育在導流洞進口邊坡的2 077 m高程以上，水平深度50～80 m。中上部高程，受巖體傾倒變形的影響，巖體卸荷深度較大，強卸荷帶水平深度大于40 m，50～55 m以后才進入較完整巖體。

為評價邊坡的穩(wěn)定性與初擬開挖方案的合理性，本文首先在有限元計算軟件ADINA平臺上建立導流洞進口邊坡的二維模型，對開挖過程中的錨固措施進行模擬計算并做出優(yōu)化分析[1-3]；然后針對開挖錨固完成后的邊坡建立三維模型，在FLAC3D中進行有限差分計算[4-8]，對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。

2 計算條件

2.1 模型假設

在有限元模型中，做出了以下假設：

(1) 巖體初始應力的選取對邊坡的應力應變計算結(jié)果影響極其明顯。計算不考慮構(gòu)造應力等因素的影響，初始應力為自重應力場。上覆巖體的重量是垂直向主應力σv，沿深度按直線分布增加，水平應力σh由泊松效應產(chǎn)生，σh=λσv，λ為巖體側(cè)壓系數(shù)，λ=υ/(1-υ)，υ為邊坡材料的泊松比。

(2) 模型底部和側(cè)面為法向約束。

(3) 邊坡巖體采用摩爾-庫倫屈服模型。

(4) 考慮了邊坡支護的系統(tǒng)錨桿(索)對邊坡的作用。有限元分析，錨索和錨桿都采用桿單元模擬。錨桿、錨索一般為鋼材，通常在巖體中的是它發(fā)揮的彈性部分，在計算中采用線彈性模型。

(5) 等值線圖中有限元部分相對位移、應力等值線數(shù)據(jù)單位分別為m和Pa，其中拉應力為正，壓應力為負。

2.2 參數(shù)選取

在巖石室內(nèi)、外巖體物理力學指標試驗值基礎上，考慮試驗邊界條件、荷載特征及應力環(huán)境等，并類比參考其它工程巖體力學試驗成果，提出斷裂結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)建議值、巖體力學參數(shù)建議值。本文計算參數(shù)根據(jù)巖體力學參數(shù)建議值與結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值選取，如表1、表2所示。

表1 進口邊坡結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)

3 錨固方案優(yōu)化分析

根據(jù)導流洞進口邊坡的工程地質(zhì)條件并結(jié)合以往開挖邊坡的加固方案，擬采用的錨固方案為：考慮邊坡的地質(zhì)條件較差，采用“逐層開挖逐層支護”的施工原則；開挖前采用錨索進行鎖口，鎖口錨索的設置高程為2 242 m，間距為5 m，在開口部位布置15根；邊坡設置系統(tǒng)錨桿(錨桿Φ25 mm、間排距4 m×4 m、L=4.5 m、梅花形布置)；在2 194.0～2 234.0 m的2個梯段高度內(nèi)布設8排錨索(1 000 kN，L=50 m，間排距5 m×5 m)，每個梯段分別布設4排；在高程2 194 m下邊坡打設錨筋樁(3Φ32 mm、L=12.0 m，傾角27°)；局部采用臨時錨桿加強支護。具體錨固措施如圖1所示，參數(shù)見表3。

表2 巖體物理力學參數(shù)

圖1 導流洞進口邊坡錨固示意圖

表3錨固參數(shù)設置

Table3Settingofanchorageparameters

類型直徑/mm長度/m錨固力/kN鎖口錨索1650.01 000系統(tǒng)錨桿25284.59.07001 000預應力錨索1650.01 000錨筋樁3212.01 000

在有限元軟件ADINA中建立導流洞進口邊坡的二維模型，如圖2所示。模型中節(jié)點(NODE)1 179個，單元(ELEMENT)1 080個，材料組21個，通過錨索單元與錨索單元對相關(guān)錨固措施進行模擬。在錨固方案優(yōu)化分析中，針對預應力錨索、鎖口錨索以及錨筋樁進行敏感性分析。在導流洞進口邊坡上選取8個代表性點作為關(guān)鍵點進行監(jiān)測，見圖3。

圖2 ADINA計算模型示意圖

圖3 關(guān)鍵點位置示意圖

從敏感性計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與開挖前相比很大一部分關(guān)鍵點處位移和應力變化幅度未超過5%。主要有2個原因：一是由于錨索與錨固巖體在協(xié)同變形作用下，錨索對局部巖體變形與應力的改善較小；二是關(guān)鍵點處巖體不夠敏感。但從塑性區(qū)發(fā)生的顯著變化可以發(fā)現(xiàn)，預應力錨索改善了錨固區(qū)域巖體的整體強度和穩(wěn)定性。以下的敏感性計算結(jié)果中，將從塑性區(qū)的角度進行分析，對錨固措施做出評價。

3.1 預應力錨索敏感性分析

為了研究預應力錨索的設置排數(shù)對邊坡加固效果的影響，特分析不設置預應力錨索(0排)，設置2排、3排、5排預應力錨索，與擬采用錨固方案中設置4排預應力錨索的計算結(jié)果進行對比。設置不同預應力錨索排數(shù)情況下塑性區(qū)計算結(jié)果如圖4(a)至(f)所示。

圖4 不同排數(shù)預應力錨索開挖邊坡塑性區(qū)分布

從圖4(a)至(f)中可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 與未設置預應力錨索的坡體相比，經(jīng)過加固后邊坡開挖完成后的塑性區(qū)明顯減少，且50 m長的預應力錨索均穿透了坡體塑性區(qū)，邊坡的整體穩(wěn)定性顯著增強。

(2) 與施工前的天然工況相比，邊坡開挖并加固完成后的塑性區(qū)明顯減少，邊坡的整體穩(wěn)定性增強。

(3) 在每個梯階開挖過程中都會新增一些塑性區(qū)，但通過錨索加固后塑性區(qū)得到了有效控制。

(4) 隨著預應力錨索數(shù)量的增加，邊坡開挖加固完成后的塑性區(qū)面積不斷減少，其中設置2排、3排錨索加固時，塑性區(qū)相對不作加固處理的坡體有較大幅度的減少；設置4排、5排錨索加固時，塑性區(qū)相對設置2排、3排時有一定減少，但減少幅度有限。

3.2 鎖口錨索的敏感性分析

為了研究錨索鎖口(高程2 242 m)對開挖邊坡的錨固效果，在擬選用的加固方案中，對邊坡開挖前設置鎖口錨索與不設置鎖口錨索進行了計算，塑性區(qū)計算結(jié)果如圖5(a)和圖5(b)所示。

從圖5(a)、圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn)：設置鎖口錨索后，當邊坡開挖完成時，鎖口錨索設置高程2 242 m附近的坡體表面塑性區(qū)較未設置鎖口錨索的坡體有較明顯的減少，邊坡的整體穩(wěn)定性得到了一定程度提升，說明鎖口錨索的設置是合理與必要的。

3.3 錨筋樁敏感性分析

為了研究錨筋樁(高程2 194 m)對開挖邊坡的錨固效果，在擬采用的錨固方案中對邊坡開挖前設置錨筋樁與未設置錨筋樁進行了計算，塑性區(qū)計算結(jié)果如圖5(c)和圖5(d)所示。

從圖5(c)、圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)：邊坡開挖完成時，設置錨筋樁較未設置錨筋樁時坡體表面塑性區(qū)在2 250 m與2 170 m高程附近有較明顯的減少，邊坡的整體穩(wěn)定性得到了一定程度提升，說明錨筋樁的設置是合理與必要的。

圖5 未設置錨索鎖口開挖邊坡塑性區(qū)分布圖

3.4 小 結(jié)

通過對開挖邊坡預應力錨索排數(shù)設置、鎖口錨索設置以及錨筋樁設置的塑性區(qū)分布敏感性分析發(fā)現(xiàn)：設置4排預應力錨索和5排預應力錨索均能保證坡體開挖后保持穩(wěn)定狀態(tài)，考慮經(jīng)濟因素采用4排錨索加固更合適；鎖口錨索與錨筋樁的設置對保證邊坡開挖后的整體穩(wěn)定性具有重要意義。因此，初擬加固方案中預應力錨索、鎖口錨索、錨筋樁的設置是合理的，可作為最優(yōu)錨固方案。

表4 三維有限差分計算成果表

4 邊坡整體穩(wěn)定性分析

4.1 三維模型

三維模型以導流洞進口邊坡為研究對象，考慮了對邊坡穩(wěn)定最不利的順坡向裂隙組L。模型底部高程1 860 m，頂部絕對高程為2 475 m，三維模型網(wǎng)格如圖6所示。在整體模型中選取了3個監(jiān)測剖面，如圖7所示，其中x向為水流方向，以水流方向為正；y向為導流洞軸線方向，以向坡外為正；z向為豎直向，以向上為正。材料參數(shù)參照表1、表2進行選取。

圖6 三維模型網(wǎng)格示意圖

圖7 剖面位置示意圖

計算導流洞進口邊坡在天然工況、開挖工況、加固工況、暴雨工況、設計地震工況下的穩(wěn)定性情況。其中，開挖工況不設錨固與采用最優(yōu)錨固方案的加固工況對比；暴雨工況采用對覆蓋層表層進行參數(shù)折減的方法模擬，參考相關(guān)工程經(jīng)驗[4-6]折減系數(shù)取0.85；地震工況采用擬靜力法模擬[8]，對應增加基巖水平峰值加速度為0.097g。

4.2 計算結(jié)果

經(jīng)計算得到導流洞進口邊坡在天然、開挖、加固、暴雨、設計地震5種工況下的穩(wěn)定狀況，結(jié)果見表4所示。

4.3 結(jié)果分析

三維有限差分計算成果表明：

(1) 導流洞進口邊坡在開挖工況下，坡體向坡外的位移主要集中在開挖坡面附近，最大值為2.728 cm；豎直向下的位移主要集中在開挖坡面底部，最大豎直向下位移為4.289 cm。第一、三主應力的拉應力均出現(xiàn)在開挖坡體表層變形體及開挖面附近，拉應力分布范圍較小，最大值分別為0.805，0.761 MPa。僅在坡體表層變形體內(nèi)及開挖面附近的裂隙L出現(xiàn)一定的塑性區(qū)，且縱剖面、1-1剖面和2-2剖面的塑性區(qū)均有貫通的趨勢。

(2) 導流洞進口邊坡在加固工況下，坡體向坡外的位移顯著減小，整體向坡外位移的最大值為0.483 cm，仍集中在開挖坡面附近；豎直向下的位移在加固后也顯著減小，主要集中在開挖坡面底部，最大豎直向下位移為0.470 cm。第一、三主應力的拉應力均出現(xiàn)在開挖坡體表層變形體及開挖面附近，拉應力分布范圍較小，最大值分別為0.805，0.761 MPa。導流洞進口邊坡經(jīng)加固處理后，塑性區(qū)顯著減小，僅在開挖面附近的裂隙L處以及變形體的底滑面附近出現(xiàn)零星塑性區(qū)。

(3) 導流洞進口在暴雨工況下，坡體向坡外的位移相對于加固工況有一定的增大，最大值為0.712 cm，出現(xiàn)在開挖坡面附近；豎直向下的位移相對于加固工況也顯著增加，最大值為1.019 cm，出現(xiàn)在開挖坡面底部?？v剖面、1-1剖面、2-2剖面向坡外的位移及豎直向下的位移相對于加固工況均有一定程度的增加，但最大值出現(xiàn)的位置與加固工況基本一致。第一、三主應力的拉應力均出現(xiàn)在開挖坡體表層變形體及開挖面附近，拉應力分布范圍較小，最大值分別為0.814，0.760 MPa，相對于加固工況數(shù)值上略有增加。導流洞進口邊坡在暴雨工況下，塑性區(qū)相對于加固工況有一定增加。

(4) 由于設計地震的加載方向為順水流向，因此地震對坡體整體和導流洞縱剖面向坡外的位移影響較小。導流洞進口在設計地震工況下，坡體整體和縱剖面向坡外的位移相對于加固工況僅有較小程度的增加，坡體整體向坡外的最大位移值為0.499 cm。設計地震對1-1剖面和2-2剖面順水流方向的位移有較大的增大作用，1-1剖面順水流向的位移最大值為0.630 cm，2-2剖面順水流向的位移最大值為0.759 cm。坡體整體及各剖面豎直向下的位移均沒有明顯變化，只有少量塑性區(qū)分布。

從各工況的三維計算結(jié)果來看，導流洞進口邊坡巖體未出現(xiàn)可能導致邊坡整體失穩(wěn)的大變形與大范圍的拉應力區(qū)域。變形與拉應力主要集中在傾倒變形體、開挖面附近的強風化強卸荷區(qū)域巖體及順坡向的裂隙L中，最大拉應力值遠小于巖石抗拉強度。在開挖工況中，導流洞進口邊坡在傾倒變形體、強風化強卸荷區(qū)域及順坡向的裂隙L附近出現(xiàn)貫通趨勢的塑性區(qū)，影響了坡體的穩(wěn)定性；與之相比，坡體加固后在各工況下塑性區(qū)均有顯著減少，表現(xiàn)出較好的整體穩(wěn)定性。但需要注意的是邊坡向坡外變形主要集中在邊坡開挖面的傾倒變形體、強風化強卸荷區(qū)域巖體中，該巖體完整性相對較差，深度較大，且開挖后傾倒變形體下限出現(xiàn)了一些剪拉破壞區(qū)，為了保證其穩(wěn)定性，可在2 130～2 360 m高程范圍內(nèi)，特別是開挖坡體附近布設監(jiān)測點，加強變形體表層和深部的變形監(jiān)測工作。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合二維有限元與三維有限差分法各自特點，分別對邊坡的錨固方案和邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)進行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1) 導流洞進口邊坡開挖部分坡度較大，地質(zhì)條件較差，有必要采取“逐層開挖逐層支護”的施工原則，這種施工方式經(jīng)模擬驗證對于控制邊坡變形、改善坡體受力狀態(tài)、維持開挖邊坡的穩(wěn)定性有積極作用。

(2) 從二維與三維方法計算結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)：在高陡開挖邊坡中，預應力錨索對局部開挖巖體的位移與應力改善較小，但整體上效果卻很明顯，且對塑性區(qū)抑制效果顯著，有效提高了巖體的整體穩(wěn)定性。

(3) 導流洞進口邊坡的開挖施工中，鎖口錨索與錨筋樁的設置是有必要的，它們有效增強了開挖區(qū)域頂端和底部不利位置巖體的穩(wěn)定性。

(4) 導流洞進口邊坡在5種工況下未出現(xiàn)可能導致邊坡整體失穩(wěn)的大變形或大范圍的拉應力區(qū)域，尤其經(jīng)加固后，坡體表現(xiàn)出較好的整體穩(wěn)定性。

(5) 邊坡在開挖加固后整體表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但在局部區(qū)域，尤其是開挖面的傾倒變形體與風化強卸荷區(qū)域巖體，巖性較差、變形與拉應力分布較集中，存在失穩(wěn)的潛在可能。為確保其穩(wěn)定性應加強該區(qū)域的監(jiān)測。

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