GTS在邊坡動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

郭 波 路 娟

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地質(zhì)工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

GTS在邊坡動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

郭 波1路 娟2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地質(zhì)工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

以某電站廠房后緣邊坡開(kāi)挖為工程依托，介紹了該廠房的地質(zhì)水文條件，利用GTS軟件建立了邊坡的模型，并模擬了邊坡開(kāi)挖的施工步驟，對(duì)各施工步驟下的邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行了分析，為邊坡開(kāi)挖支護(hù)提供了依據(jù)。

邊坡開(kāi)挖，GTS，穩(wěn)定性，應(yīng)力，等值線

各個(gè)工程行業(yè)中如交通、水利水電等都涉及到邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)往往考慮邊坡的幾個(gè)工況下的安全穩(wěn)定問(wèn)題，具體施工由施工單位進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)，不同的施工方案對(duì)工程地質(zhì)體也是有影響的，而且施工方案也受各種因素的影響，施工后的坡體有時(shí)可能與預(yù)計(jì)的相差較大，設(shè)計(jì)方根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況評(píng)價(jià)工程地質(zhì)體的穩(wěn)定性，修改設(shè)計(jì)支護(hù)方案，需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，實(shí)效性差。若不重新計(jì)算評(píng)價(jià)工程地質(zhì)體，施工方一般根據(jù)邊坡的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)支護(hù)，這種方式可能造成支護(hù)過(guò)度或支護(hù)不足的情況，工程的經(jīng)濟(jì)性及安全性都得不到保障。GTS數(shù)值模擬軟件可以進(jìn)行施工階段的模擬，不需要重復(fù)建模，對(duì)不同的施工階段及施工步驟都可以進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到了一個(gè)預(yù)警作用，對(duì)邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。下文將以某電站的廠房后緣邊坡開(kāi)挖為例，說(shuō)明GTS軟件在邊坡開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的指導(dǎo)作用。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

電站廠房采用地面廠房，橫向長(zhǎng)約100 m，縱向?qū)捈s42 m，最大開(kāi)挖深度約67 m，建基面高程約108.50 m。邊坡為電站廠房的后緣邊坡，邊坡總體高63.5 m，廠房基坑底高程為108.5 m，分為6級(jí)邊坡，底部?jī)杉?jí)邊坡坡高分別為7.5 m和13.5 m，平臺(tái)寬為16.0 m，坡比為1∶0.5和1∶0.75，上部四級(jí)坡高為5.0 m，平臺(tái)寬為2.5 m，坡比為1∶0.5。

1.2 廠房工程地質(zhì)條件

1)地形地貌。廠址區(qū)位于左岸RCC重力壩壩后近河邊的山坡上，山坡地形總體較緩，自然坡度一般為5°～15°，但靠河邊地形多較陡，部分為基巖陡壁。2)地層巖性。廠區(qū)多基巖出露，覆蓋層較薄，可忽略不計(jì)。出露的基巖為全～強(qiáng)風(fēng)化及部分弱風(fēng)化的千枚巖，巖層產(chǎn)狀為N35°～40°E,SE∠75°～90°。巖層走向與廠房縱軸線呈85°相交，為逆向坡。3)地質(zhì)構(gòu)造。該地區(qū)無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造，僅節(jié)理較發(fā)育。主要發(fā)育的節(jié)理有三組：a.層節(jié)理，延伸一般較長(zhǎng)；b.近垂直于層節(jié)理的節(jié)理(基本順河向)，主要產(chǎn)狀N50°～65°W,NE∠80°～90°,少量陡傾向SW，發(fā)育間距一般0.3 m～1.5 m不等，可見(jiàn)延伸長(zhǎng)一般1 m～3 m，部分較長(zhǎng)；c.近水平向的緩傾角節(jié)理，略?xún)ANE向或SW向，主要產(chǎn)狀N20°～35°W,NE∠10°～20°或SW∠10°～25°，其在地表的發(fā)育間距一般0.2 m～0.6 m，延伸較短，一般0.5 m～2.0 m，并根據(jù)鉆孔資料，該組節(jié)理在該部位的強(qiáng)～弱風(fēng)化的基巖中多見(jiàn)發(fā)育，在微風(fēng)化及新鮮巖體中發(fā)育較少。節(jié)理面多平直粗糙，部分充填有石英和巖屑。4)物理地質(zhì)現(xiàn)象。廠址區(qū)基巖全風(fēng)化層下限埋深一般為0 m～5.4 m；強(qiáng)風(fēng)化層下限埋深一般為2.2 m～12 m；弱風(fēng)化層下限埋深一般為7.3 m～16.80 m；以下為微風(fēng)化～新鮮巖體。其中，全風(fēng)化巖體呈散體結(jié)構(gòu)；強(qiáng)風(fēng)化巖體以碎裂結(jié)構(gòu)為主；弱風(fēng)化巖體多呈互層～中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部為薄層及厚層狀結(jié)構(gòu)，RQD值為25.6%～67.1%；微風(fēng)化及新鮮巖體多呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部夾薄層～互層狀結(jié)構(gòu)，RQD值為49.3%～91%。巖體主要卸荷界限基本沿弱風(fēng)化下限。5)水文地質(zhì)條件。該區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，水位埋深一般4 m～14.50 m不等，總體埋深較淺。廠房段弱風(fēng)化及微風(fēng)化～新鮮巖體透水率多小于4.4Lu，多屬于弱～微透水巖體。

2 工程地質(zhì)體模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 邊坡模型的建立

廠房的后緣邊坡較高，采用廠房的縱軸線剖面建立模型，為簡(jiǎn)化建模的復(fù)雜性，邊坡模型對(duì)巖體的節(jié)理、構(gòu)造等不進(jìn)行建模，而在本構(gòu)模型的選取中給予考慮。邊坡范圍內(nèi)均為千枚巖，巖層產(chǎn)狀與剖面大角度相交，且?guī)r體內(nèi)地下水穩(wěn)定，滲流系數(shù)小，不考慮地下水滲流情況，水對(duì)巖體的影響僅在巖石的重度中體現(xiàn)。模型中包括沖積層、各個(gè)風(fēng)化層巖體，邊坡原始部分和挖出的部分。邊坡體主要由千枚巖組成，為巖質(zhì)逆向邊坡，巖體較堅(jiān)硬，故將坡體簡(jiǎn)化成理想的彈塑性材料，計(jì)算模型選取摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則[1]。受開(kāi)挖影響，邊坡穩(wěn)定性分析主要集中在表部巖體，邊坡網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)邊坡表部巖體進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格劃分，對(duì)深部巖體進(jìn)行粗網(wǎng)格劃分。模型計(jì)算時(shí)受荷載及邊界條件影響，對(duì)計(jì)算模型荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，荷載簡(jiǎn)化為主要為自重；邊界上限制節(jié)點(diǎn)向廠房的上、下游位移，計(jì)算范圍的底部邊界巖體單元節(jié)點(diǎn)采用固定約束。廠房地質(zhì)剖面圖及廠房網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖1和圖2。水平方向?yàn)閄軸方向，豎直方向?yàn)閅軸，垂直于剖面為Z軸方向。

2.2 參數(shù)的選取

模型計(jì)算的參數(shù)主要依據(jù)為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的成果，計(jì)算所用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)取值

3 施工步驟的模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 邊坡的應(yīng)力場(chǎng)特征

自重應(yīng)力在邊坡應(yīng)力場(chǎng)中起主導(dǎo)作用，隨著邊坡的逐步開(kāi)挖，邊坡的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變。邊坡初始應(yīng)力狀態(tài)下(見(jiàn)圖3)，最大主應(yīng)力分布大致與坡面平行，隨著埋深的加大，最大主應(yīng)力值逐漸增大，最大主應(yīng)力值為1.1 MPa～5 268 MPa，小值位于邊坡表面處，大值位于埋深較大的微風(fēng)化基巖。最大主應(yīng)力方向，邊坡淺部的水平方向逐漸變化為邊坡表部的豎直方向，邊坡坡腳處主要為順Z軸方向。深部基巖處的最大主應(yīng)力為順Z軸方向，邊坡坡腳處的深部基巖主要為順X軸方向；開(kāi)挖到第7步(見(jiàn)圖4)，邊坡的應(yīng)力狀態(tài)改變較大，邊坡的最大主應(yīng)力分布隨開(kāi)挖邊坡改變而改變，大部分與坡面平行，在開(kāi)挖邊坡中部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力值為1.47 MPa～4 759 MPa，小值位于開(kāi)挖邊坡較緩處，大值位于深度基巖處。最大主應(yīng)力方向，邊坡淺部的最大主應(yīng)力由順X軸方向逐漸變?yōu)榇怪庇陂_(kāi)挖坡面，深度基巖處為順Z軸方向，邊坡坡腳處的深部基巖順X軸方向逐漸向邊坡X軸負(fù)方向轉(zhuǎn)移。其余開(kāi)挖步驟中的最大主應(yīng)力狀態(tài)位于上述兩種狀態(tài)之間。

3.2 邊坡位移特征

從邊坡的開(kāi)挖位移等值線圖可以得出，邊坡隨著開(kāi)挖的步驟，位移的主要表現(xiàn)為開(kāi)挖面的卸荷回彈(見(jiàn)圖5～圖9)。圖5是邊坡開(kāi)挖1位移等值線圖，顯示最大位移發(fā)生在開(kāi)挖邊坡的坡腳處，最大位移值為0.26 cm。圖6顯示開(kāi)挖2的最大位移發(fā)生在開(kāi)挖邊坡坡面及邊坡坡腳處，最大位移值為0.5 cm。圖7顯示開(kāi)挖3的最大位移發(fā)生在開(kāi)挖邊坡坡腳附近的平臺(tái)上，最大位移值為0.84 cm。開(kāi)挖4、開(kāi)挖5和開(kāi)挖6的最大位移發(fā)生的位置均位于邊坡坡腳處的平臺(tái)上，與開(kāi)挖3類(lèi)似，最大位移值分別為1.18 cm,1.48 cm和1.72 cm。開(kāi)挖7的最大位移發(fā)生在開(kāi)挖坡面及坡底平臺(tái)處，最大位移值為1.84 cm。

從等值線圖中可以看出隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，卸荷回彈量最大的地方在開(kāi)挖坡腳及平臺(tái)部位，其中開(kāi)挖2和開(kāi)挖7步驟下的開(kāi)挖面坡面也出現(xiàn)了較大的卸荷回彈，隨著開(kāi)挖深度的增加，卸荷回彈量逐漸增大。 利用強(qiáng)度折減法對(duì)各個(gè)開(kāi)挖步驟的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其安全系數(shù)均為4，邊坡?tīng)顟B(tài)為穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

1)該廠房后緣邊坡巖體工程地質(zhì)條件較好，大部分基巖出露，風(fēng)化較淺，巖體完整性較好，且在弱風(fēng)化及微新巖體中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，其模擬參數(shù)取值與實(shí)際試驗(yàn)值相符，模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)工程具有實(shí)際指導(dǎo)作用。2)邊坡開(kāi)挖后，開(kāi)挖面及其下部的坡體內(nèi)的最大主應(yīng)力大部分由平行于坡面轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谄旅妫以谄履_及少量坡體中部產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但坡體本身由較好巖體組成，在應(yīng)力集中部位未出現(xiàn)邊坡局部破壞情況。3)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，開(kāi)挖邊坡的坡腳及坡腳附近的平臺(tái)處卸荷回彈較其他部位較大。隨著開(kāi)挖高程的降低，卸荷回彈量逐漸增大。尤其在進(jìn)行開(kāi)挖2和開(kāi)挖7步驟時(shí)，開(kāi)挖坡面也出現(xiàn)了較大回彈位移，在設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí)應(yīng)引起重視。4)模擬計(jì)算是采用的二維模擬，實(shí)際坡體存在不利結(jié)構(gòu)面組合，可能產(chǎn)生局部順不利組合面的掉塊或失穩(wěn)情況，但邊坡總體較穩(wěn)定，不存在較大規(guī)模的開(kāi)挖邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

[1] 陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

The application of GTS in side slope dynamic design and construction

Guo Bo1Lu Juan2

(1.KunmingSurveyDesignResearchInstituteLimitedCompany,ChinaElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China;2.YunnanGeologicalEngineeringSecondExplorationInstitute,Kunming650051,China)

Based on trailing edge side slope excavation project of a powerhouse slope excavation, this paper introduced the geological and hydrology conditions of this building, set up the slope model using GTS software, and simulated the construction procedures of side slope excavation, analyzed the side slope stability of each construction step, provided basis for side slope supporting.

side slope excavation, GTS, stability, stress, isoline

2014-11-24

郭 波(1982- )，男，工程師； 路 娟(1984- )，女，工程師

1009-6825(2015)04-0078-02

TU413.62

A