有限元法在取水口邊坡開挖支護中的應用

朱興杰

（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽110003）

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有限元法在取水口邊坡開挖支護中的應用

朱興杰

（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽110003）

［摘 要］某工程取水口常年處于水庫深水位以下，不具備檢修條件，在取水口基坑開挖過程中形成的高邊坡若出現破壞，將會造成取水口阻水甚至堵塞，直接影響整個工程的運行。采取有限元法對邊坡開挖的穩(wěn)定、支護后的應力及分布情況、開挖順序的合理性進行驗證，證明設計的合理性和可行性。

［關鍵詞］有限元 ；應力分析；開挖順序模擬

1　工程概況

某工程取水口在現有大型水庫中修建，進水口及電站檢修閘室位于溝口上游0.8 km處的小溝岔內，溝長約為300 m，溝內水面寬度100.0～ 40.0 m，溝內水面以下地形坡度為1:6左右，地面高程 250.0～310.0 m。取水口右側山體高程為380.46～406.0 m，左側山體高程為367.3～395.0 m。取水口建基面高程254.7 m，施工期邊坡高度達89.9 m；運行期邊坡非臨水最大高度為30.1 m（永久邊坡），臨水最大高度為60.0 m（永久邊坡）。

由于取水口常年處于水庫深水位以下，不具備檢修條件，若邊坡出現破壞，將會造成取水口阻水甚至堵塞問題，投資數百億的工程將面臨癱瘓，直接影響整個工程的運行。因此根據SL386-2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》規(guī)定確定進水口邊坡級別為1級。

2　取水口地質概況

取水口閘門豎井尺寸為33.3m×18.5 m，建基面高程約為254.7 m，頂高程311.5 m。該位置溝寬約35 m，溝底地面高程285.0～296.0 m。兩側山體較陡，坡積物較薄，可見裸露巖體。

該段位于庫水位以下，水底基本無松散堆積物，基巖裸露，巖性主要為元古界二長花崗巖，呈灰白～灰褐色、肉紅色，主要礦物成分為石英、長石及暗色礦物。

受應力卸荷和風化的影響，該區(qū)節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面多平直粗糙，微張～閉合，一般無充填或鈣質充填，可見水銹，一般間距幾十厘米，延伸幾十米。主要節(jié)理面共三組，第一組節(jié)理走向NE15°，傾向SE，傾角72°。第二組節(jié)理走向NE50°，傾向NW，傾角70°。第三組節(jié)理走向NW350°，傾向NE，傾角51°。

3　邊坡運用條件

該工程取水首部布置所影響的開挖邊坡長度56.0 m左右，非臨水邊坡長度約45.0 m左右，臨水邊坡長度約11.0 m左右。

根據工作狀況、作用力出現幾率，確定運用條件如下：

3.1正常運用條件工況

1）樁號B0-033.3～B0+000.0 m，邊坡高度：30.1 m，開挖坡度：1∶0.5，每級開挖高度15.0 m。非臨水邊坡運行期穩(wěn)定分析。

2）樁號B0-180.0～B0-033.3 m，邊坡高度：63.0 m，開挖坡度：1∶0.5、1∶0.75，每級開挖高度5.0 m。臨水邊坡運行期穩(wěn)定分析。

3.2非常運用條件工況

樁號B0-033.3～0+000.0 m，邊坡高度：89.9 m，開挖坡度：1∶0.2、1∶0.5，每級開挖高度15.0 m。非臨水邊坡施工期穩(wěn)定分析。

4　開挖邊坡穩(wěn)定性分析

4.1地質初步分析

擬建取水口于水下（現有庫水位）沖溝溝底，地面高程286.0～296.0 m，兩岸山體較陡，左側山頂高程381.6～395.0 m，右側山頂高程393.3～401.0m，坡度約45°～50°，基巖多裸露，以弱風化為主，現有岸坡基本穩(wěn)定。

該擬開挖邊坡為豎井，基坑為矩形，S-N向布置，其建基面開挖尺寸為22.5 m×37.3 m。建基面高程約為254.7 m，其開挖深度35～45 m。兩側的最大開挖邊坡高度應從山頂計算，左側為144 m，右側為150 m。該邊坡類型為巖質超高邊坡。設計開挖邊坡坡比為1∶0.2和1∶0.5，開挖傾角63°和79°。

根據該區(qū)發(fā)育的三組節(jié)理面特征及豎井上下游邊坡與左右邊坡的產狀，繪制開挖邊坡與主要節(jié)理面赤平投影圖，詳見圖1。

圖1開挖邊坡及主要節(jié)理面赤平投影

從圖中可以看出，三組節(jié)理面的組合交線產狀為：傾向NE30°，傾角46.5°～49°，比開挖邊坡坡角緩。與豎井四面的開挖邊坡均斜交，其中與上下游坡面交角較大，約60°左右，與左右兩側坡面的交角較小，約30°左右。其與上游坡和左側坡傾向相反，對岸坡穩(wěn)定有利。由于該區(qū)巖體為次塊狀結構，因此上游坡面及左側坡面一般不會發(fā)生邊坡變形破壞。組合交線與下游坡面和右側坡面傾向大體相近，但斜交，傾角比坡角緩，對下游坡和右側坡的穩(wěn)定有一定影響，可能發(fā)生滑動型邊坡變形破壞問題。

4.2開挖邊坡處理措施

根據前述分析結果，需對進口邊坡采取如下處理措施：

4.2.1開挖前處理

開挖前清除左右兩側坡頂及坡面上的松散塊石，對于有松動或滑動跡象的大型塊石可提前進行加固處理，防止發(fā)生塊石滾動或墜落現象發(fā)生。上游坡頂以上溝底分布塊徑較大的塊石及卵礫石，應采取攔擋措施，防止溝底塊石、卵石向基坑滾落。

4.2.2地下水的處理

開挖基坑四面邊坡均較陡，巖體以次塊狀結構為主，開挖巖體一般為弱透水，僅右側邊坡局部弱風化巖體為強透水。上游圍堰頂地面高出下游坡口約10 m，所處沖溝狹長，坡降陡。上游及兩側地下水會向基坑匯集，另外，下游庫水水頭高出基坑坑底約50 m，盡管施工前會做圍堰并作防滲處理，但在高水頭作用下，還是會有一定的地下水滲向基坑。

節(jié)理面充水會降低節(jié)理面的抗剪強度，地下水滲流對巖體產生動水壓力和靜水壓力，增大了其對邊坡穩(wěn)定的影響。由于該區(qū)發(fā)育的主要節(jié)理面多為平直粗糙型，一般無充填或鈣質膠結，屬無充填物的硬質節(jié)理面，地下水對邊坡巖體節(jié)理面的抗剪強度影響有限，但對于同傾向的下游坡和右側坡，其對邊坡穩(wěn)定的影響較大。因此基坑開挖前應對其四周進行防水和導水處理，最大限度的降低地下水對邊坡穩(wěn)定的影響。

此外，人類開挖活動是誘發(fā)邊坡變形破壞的主要因素之一，人為的開挖、爆破等破壞了邊坡原有的極限平衡狀態(tài)。施工時應注意觀測上部巖體的變形情況，并應及時采取處理措施。

天然應力的卸荷，造成坡頂節(jié)理面發(fā)育并張開，易造成坡頂巖體的局部失穩(wěn)。當節(jié)理面與坡面同傾向，且傾角較緩時，容易產生滑動。當與坡面反傾向時，上部巖體易發(fā)生傾倒或掉塊現象。

5　邊坡開挖和支護措施

5.1開挖方案

水庫100年一遇洪水位為308.11 m，取水頭部常年處于水下位置。對上游擋墻，根據上開口線位置，預留巖坎，修建擋水圍堰，預留巖坎邊坡按1∶0.2計算預留下開口位置，取水口建成后，圍堰拆除，預留巖坎也采用爆破拆除。

由于穩(wěn)定坡度為全風化巖1∶1，弱風化巖1∶0.5，根據山體兩側地勢，若按照穩(wěn)定邊坡開挖量非常大，而且開挖后上體上部需要做防風化的永久支護，設計采用311.5 m高程以下開挖邊坡按照1∶0.2，311.5 m高程以上按照1∶0.5開挖。

5.2加固支護方案

1）對296.0 m以上坡面，為防止揭露的巖體風化、落塊，在開挖后立即采用錨噴支護，噴射C30 厚100 mm，鋼筋網準8 mm@150 mm×150 mm。

2）281.0～296.0m高程錨桿采用 準22 mm，L= 2.5 m間距2 m，對節(jié)理發(fā)育部位錨桿長度增長至5 m；266～281 m高程錨桿采用準25 mm，L=3.5 m，準25 mm，L=5 m間距2 m，相間布置，對節(jié)理發(fā)育部位錨桿長度全部取5 m；266 m高程以下部位錨桿采用準25 mm，L=5 m間距2 m。

3）針對施工中揭露的不利滑裂面及倒懸體，為避免深層滑動，采用固結灌漿花管代替錨桿加固巖體。填塞巖體縫隙，減少地下水的作用對邊坡穩(wěn)定的影響，提高巖體的整體性。在高程280 m、275 m、270 m、265 m、260 m部位全周設置固結灌漿花管，上游坡固結灌漿花管采用準42 mm，L=5 m間距2.5 m；兩側及下游游坡固結灌漿花管采用準102 mm，L=12 m間距2.5 m。

固結灌漿壓力0.3 MPa，水泥漿液標準濃度采用2∶1，1∶1，0.5∶1，花管眼距200 mm，每個截面設置4個10 mm眼孔，交錯布設。

6　邊坡穩(wěn)定計算分析

6.1物理力學指標

巖體和支護材料的物理力學指標見表1。

表1材料的物理力學指標見表

6.2計算模型

采用彈塑性有限元模型進行計算，計算采取具有代表性的開挖剖面。取水頭部豎井開挖為方形，計算選取洞軸線位置進行開挖邊坡支護結構應力和邊坡位移計算。計算按照實際施工順序從上到下分層開挖模擬，每一個開挖步結束及時進行噴錨支護，然后進行下一步開挖。

6.3開挖位移分析

開挖過程中最大沉降位移為8.9 mm，水平最大收斂位移為7.8 mm，從而可以確定在開挖過程中豎井變形穩(wěn)定。

6.4開挖應力分析

應力分析開挖過程中，豎井周圍產生了應力松弛現象，最大拉應力和最大壓應力發(fā)生在某一開挖步中，最大拉應力值1.37 MPa，最大壓應力-5.47 MPa。開挖過程中和開挖結束后，豎井的最大主壓應力遠遠小于巖層的抗壓強度25 MPa，豎井的最大拉應力亦小于巖石的抗拉強度2.5 MPa。從開挖應力分析結果可以看出，豎井在施工過程和施工結束后都處于應力穩(wěn)定狀態(tài)。

6.5初期支護內力分析

最大彎矩值在豎井腰部，最大值為355.79 kN·m；開挖過程中錨桿最大軸力為30 kN。從初期支護內力分析數值可以看出，噴射混凝土層和錨桿的內力值均滿足強度要求。在初擬支護參數下，支護最大內力值完全滿足承載能力要求，說明開挖過程中，洞室是穩(wěn)定的，支護參數選取合理

6.6施工順序模擬

實際施工中高邊坡豎井開挖為從上部向下部分層開挖和錨噴支護。計算軟件按3層進行模擬計算，每步分3個增量步分兩個增量步分別模擬開挖和噴錨支護。

表2施工步與荷載釋放系數分配表

7　結語

有限元計算表明，邊坡支護加固后穩(wěn)定滿足要求。由于巖層介質的復雜性，在被支護巖層完全開挖暴露以前，很難確定結構面及不穩(wěn)定巖體的實際出露位置。因此，有效的支護方式更應該與具體的巖體實際條件相結合，加強現場監(jiān)控，及時完善支護參數，以確保施工過程及后期運行的穩(wěn)定。

［參考文獻］

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［中圖分類號］TV554

［文獻標識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）05－0015－03

[收稿日期]2016-01-23