基于ADINA的某水電站開(kāi)關(guān)站邊坡穩(wěn)定性分析

徐 晉，王志剛

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060）

基于ADINA的某水電站開(kāi)關(guān)站邊坡穩(wěn)定性分析

徐 晉，王志剛

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060）

結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)況，對(duì)邊坡的巖體穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)面分級(jí)及巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分等進(jìn)行了綜合分析；運(yùn)用有限元軟件ADINA建立了三維彈塑性有限元模型，動(dòng)態(tài)模擬邊坡的開(kāi)挖加固過(guò)程，并就三種工況下的邊坡穩(wěn)定性予以討論，模擬了加固過(guò)程；最后對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。

邊坡；穩(wěn)定性；有限元軟件ADINA，錨固；水電站

1　有限元ADINA軟件簡(jiǎn)介

有限單元法是20世紀(jì)50年代之后隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值模擬計(jì)算方法。由于有限單元法的通用性和靈活性，適用于具有不規(guī)則幾何圖形和邊界條件比較復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題，而這些問(wèn)題用古典的或常規(guī)的分析方法在以往是很難解答的，因此有限單元法的發(fā)展極為迅速，并且在各向異性、非線性及與時(shí)間有關(guān)的材料等方面有著獨(dú)到之處。

2　工程地質(zhì)基本情況

2.1地層巖性

開(kāi)關(guān)站位于大理巖形成的層面坡上，自然坡度約35°～40°。上游側(cè)分布有厚約0～0.5 m的坡殘積堆積，植被較多?；鶐r巖性為深灰色中厚～厚層狀大理巖、條帶狀大理巖，夾綠片巖透鏡體，總體產(chǎn)狀N20°～40°E，NW∠30°～40°。除f13斷層從開(kāi)關(guān)站后緣高程通過(guò)，以N50°E，SE∠70°產(chǎn)狀往山里延伸外，斷層、層間擠壓破碎帶不發(fā)育。前期地質(zhì)調(diào)查和勘探揭示，場(chǎng)區(qū)自然岸坡中未發(fā)現(xiàn)變形跡象，自然岸坡整體穩(wěn)定。圖1為開(kāi)關(guān)站剖面布置圖，表1為巖體及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)。

2.2滑動(dòng)面確定

開(kāi)挖邊坡中對(duì)開(kāi)挖坡穩(wěn)定起控制作用的主要結(jié)構(gòu)面包括層間擠壓破碎帶、風(fēng)化的綠片巖夾層、層面裂隙、淺表部的NE向卸荷裂隙。以層面裂隙或風(fēng)化綠片巖夾層或?qū)娱g擠壓破碎帶為底滑面，在此底滑面的不同位置作相互平行的陡傾節(jié)理（傾向和傾角固定）作為后緣滑面，然后驗(yàn)算不同組合滑面的安全系數(shù)，得到最小安全系數(shù)的滑面。

圖1　開(kāi)關(guān)站剖面布置圖

表1　巖體及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)

3　邊坡穩(wěn)定性分析

3.1模型的建立［2］

（1）材料模型：巖體和斷層均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，預(yù)應(yīng)力錨索采用雙線性彈塑性本構(gòu)。

（2）荷載條件：主要有地應(yīng)力場(chǎng)、重力，同時(shí)考慮三種工況（正常工況、暴雨工況、地震工況）。

（3）邊界條件：平行邊坡走向界、垂直邊坡走向界和底部邊界分別取法向支座約束。

（4）單元類型：巖體和斷層采用三維四面體四節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用truss單元模擬。

3.2動(dòng)態(tài)應(yīng)力變形分析

3.2.1初始應(yīng)力場(chǎng)分析

由于邊坡開(kāi)挖量不大，且處于邊坡淺表卸荷松弛區(qū)，這種處理對(duì)結(jié)果影響相對(duì)較小，因而采用自重應(yīng)力場(chǎng)來(lái)模擬初始應(yīng)力是合理的。本文著重分析剖面（見(jiàn)圖2）。

圖2　剖面初始有效應(yīng)力分布圖

邊坡在天然狀態(tài)下的初始地應(yīng)力場(chǎng)符合一般初始應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律：地應(yīng)力分布以垂直向分布為主，從地表向巖層深部豎向應(yīng)力σz逐步增大，同時(shí)接近坡面處的最大主應(yīng)力方向和坡面平行，最小主應(yīng)力方向和坡面垂直。從圖2可以看出，由于斷層f13的作用，上下兩盤的應(yīng)力分布呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，斷層帶處的應(yīng)力較小，兩側(cè)應(yīng)力較大，斷層帶附近部分區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2.2應(yīng)力計(jì)算分析圖

邊坡開(kāi)挖過(guò)程中有效應(yīng)力云圖和壓應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3　第一步開(kāi)挖下有效應(yīng)力分布圖

圖4　第三步開(kāi)挖下壓應(yīng)力分布圖

（1）坡體在開(kāi)挖時(shí)，其內(nèi)部有效應(yīng)力分布變化不大，在開(kāi)挖面上存在略微減小，而在斷層f13附近應(yīng)力出現(xiàn)明顯的界限，破壞了其連續(xù)性。

（2）施工工序采用逐層開(kāi)挖，坡體表面近似處于低拉應(yīng)力狀態(tài)。在開(kāi)挖過(guò)程中，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，大小約為0.14 MPa。同時(shí)，邊坡開(kāi)挖表面形成的拉應(yīng)力區(qū)大多分布在開(kāi)挖表面上緣及坡角，可能在施工過(guò)程中引起邊坡淺表局部破壞，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.2.3位移變形分析

分析邊坡的1-1剖面在3種工況（天然工況﹑暴雨工況﹑地震工況）下的位移變化（見(jiàn)圖5～圖8）。

圖5　第二步開(kāi)挖下水平向位移圖（天然工況）

圖6　第三步開(kāi)挖下水平向位移圖（天然工況）

圖7　第三步開(kāi)挖下水平向位移圖（暴雨工況）

圖8　第三步開(kāi)挖下水平向位移圖（地震工況）

在開(kāi)挖過(guò)程中最大變形出現(xiàn)的位置及量值見(jiàn)表2。

表2　坡體開(kāi)挖過(guò)程中水平方向最大位移出現(xiàn)位置及量值

（1）開(kāi)挖過(guò)程中邊坡水平向位移隨開(kāi)挖工程的進(jìn)行出現(xiàn)了增加的變化趨勢(shì)，這主要是由于臨空面的產(chǎn)生導(dǎo)致了邊坡向臨空方向產(chǎn)生位移。在開(kāi)挖過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行錨固監(jiān)測(cè)。

（2）從變形在不同工況下的值來(lái)看：在天然工況下，最大水平方向位移量為1.563 cm；在暴雨工況下，最大水平方向位移量為1.689 cm；在地震工況下，最大水平方向位移量為1.839 cm。表3為各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移。

表3　各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移

4　邊坡加固方案

開(kāi)挖加固方案為：采取以預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿支護(hù)措施和邊坡截、排水為主的方法。其中采用預(yù)應(yīng)力錨索為2 000 kN，錨索深20～60 m，排間距5.0 m×5.0 m，梅花形長(zhǎng)短交錯(cuò)布置，錨固方向?yàn)榇怪逼旅?。在一?jí)邊坡安裝4根錨索，二級(jí)邊坡安裝7根錨索[3]。

5　邊坡加固后穩(wěn)定性分析

邊坡在預(yù)應(yīng)力錨索加固過(guò)程中的位置剖面圖、水平方向位移云圖、壓應(yīng)力云圖如圖9～圖12所示。

圖9　1-1剖面預(yù)應(yīng)力錨索圖

圖10　第三步開(kāi)挖加固后水平方向位移分布

圖11　第二步開(kāi)挖加固后壓應(yīng)力分布圖

圖12　第三步開(kāi)挖加固后壓應(yīng)力分布圖

從圖9～圖12及表4可以得出以下結(jié)論。

（1）邊坡開(kāi)挖加固后的位移變化特征

在支護(hù)條件下，邊坡每步開(kāi)挖加固后水平方向位移分量的量值可見(jiàn)表4。

表4　1-1剖面開(kāi)挖加固后邊坡坡面最大水平方向位移

（2）邊坡的應(yīng)力分布特征

在預(yù)應(yīng)力錨索加固條件下，邊坡應(yīng)力變化不大，相比無(wú)支護(hù)工況，壓應(yīng)力有所增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所改善，并且在第三步開(kāi)挖后出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)已基本消失，限制了裂隙的發(fā)展，各加固狀態(tài)下相應(yīng)開(kāi)挖坡面的塑性區(qū)分布，增強(qiáng)了巖體的整體穩(wěn)定性。

6　整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）在本次有限元模型計(jì)算中，層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、風(fēng)化的綠片巖夾層未考慮在內(nèi)，同時(shí)對(duì)部分節(jié)理裂隙進(jìn)行了概化，與實(shí)際地質(zhì)條件并不完全一致，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的出入，但基本能反應(yīng)開(kāi)挖邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及邊坡穩(wěn)定狀況。通過(guò)三維有限元模擬計(jì)算在自重應(yīng)力作用下的天然邊坡可知，初始應(yīng)力場(chǎng)分布符合一般的應(yīng)力分布規(guī)律，整體應(yīng)力變形場(chǎng)穩(wěn)定，邊坡整體穩(wěn)定性較好，對(duì)邊坡開(kāi)挖施工影響不大[4]。

（2）邊坡開(kāi)挖之后，應(yīng)力重新調(diào)整，在開(kāi)挖面坡腳出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，且?guī)r體拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在各級(jí)邊坡的中上部和各級(jí)馬道部位，可能引起邊坡淺表局部破壞，但開(kāi)挖邊坡的整體位移相對(duì)整個(gè)邊坡來(lái)說(shuō)比較小。

（3）對(duì)邊坡提出如下加固措施：邊坡開(kāi)挖形成的臨空面宜采用大量的錨索進(jìn)行支護(hù)；考慮到施工及風(fēng)化卸荷等因素的影響，不排除淺層破壞的可能，所以有必要加強(qiáng)坡面淺層防護(hù)，如坡面設(shè)計(jì)短錨桿及坡面噴射混凝土。

[1]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1988.

[2]亞得科技有限公司.ADINA在土木交通工程中的應(yīng)用[Z].北京：亞得科技有限公司，2004.

[3]謝建清，夏如伯.節(jié)理巖體中錨索加固作用分析[J].探礦工程，1998（3）：12-14.

[4]張永興.邊坡工程—理論與實(shí)踐最新發(fā)展[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

U417.1

B

1009-7716（2016）04-0185-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.057

2016-01-11

徐晉 (1985-),男,吉林磐石人，工程師，從事巖土工程勘察工作。