某電站施工期高邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬評價研究

李 浩，曹運(yùn)江,2

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 湘潭 411201)

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某電站施工期高邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬評價研究

李 浩1，曹運(yùn)江1,2

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 湘潭 411201)

邊坡穩(wěn)定性分析研究，一直成為巖土工程界的重大研究課題。根據(jù)對某電站施工期間工程邊坡詳細(xì)的野外實地調(diào)查,查閱和整理大量的資料，總結(jié)出工程區(qū)邊坡工程特性,獲得邊坡穩(wěn)定性定性評價。在建立邊坡巖體穩(wěn)定性研究模型的基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值模擬，對高邊坡開挖過程進(jìn)行再現(xiàn)，驗證所建立的地質(zhì)模型或概念模型的實用性和合理性。重點(diǎn)分析電站施工期高邊坡的穩(wěn)定性，同時，也為高邊坡的開挖施工及支護(hù)措施提供了許多合理的建議。

邊坡; 穩(wěn)定性分析;三維數(shù)值模擬;開挖

工程區(qū)位于西部岷江流域，總的地勢NW高SE低，相對高差1 000～3 000 m。區(qū)內(nèi)地層除下古生界普遍缺失外，元古界至第四系皆有出露，南部是以碳酸鹽巖和砂巖、頁巖沉積為主的碎屑巖區(qū)[1]。條形山脊向斜兩翼邊坡的主要受控于水壩向斜構(gòu)造和層間剪切錯動帶。

1 條形山脊開挖高邊坡數(shù)值模擬

1.1 計算模型

計算范圍是取距大壩的下游側(cè)大約500 m處為原點(diǎn)，Z軸正方向垂直向上，基座底面高程550 m，頂面高程750 m，條形山脊山峰最高點(diǎn)高程4 040 m，模型最大高差460 m，邊坡高度260 m；X軸正方向沿岷江指向上游，模型范圍1 000 m。在計算模型中條形山脊三面臨空，地應(yīng)力基本釋放完畢，故模型的側(cè)面均設(shè)為約束邊界。根據(jù)工程要求、開挖情況、現(xiàn)場勘探及相應(yīng)的工程地質(zhì)條件，將整個開挖計算模型共劃分為427 767個單元，89 036個節(jié)點(diǎn)，如圖1～2所示。

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

根據(jù)所提供的地質(zhì)資料及試驗結(jié)果，在賦FLAC3D材料屬性時，考慮本工程開挖巖體的風(fēng)化情況，經(jīng)綜合分析，確定邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)的建議取值如表1所示。

圖1 賦含開挖體的條形山脊模型及網(wǎng)格劃分

圖2 條形山脊開挖體模型部分及網(wǎng)格剖分展示

表1 條形山脊兩側(cè)邊坡開挖巖體宏觀物理力學(xué)綜合參數(shù)建議取值

根據(jù)條形山脊的地形地貌特征，充分考慮右岸水工建筑物的布置情況。根據(jù)實際工程邊坡的開挖工況，初步確定宏觀的開挖順序為：先挖進(jìn)水口邊坡，再挖溢洪道上段邊坡，最后再挖溢洪道下段和洞出水口邊坡。

1.3 主要工程開挖邊坡數(shù)值模擬

1.3.1 變形與位移

從模擬結(jié)果來看，變形量值不大，最大位移為108.82 cm，EL.885平臺的合位移量值達(dá)到40～50 mm，y方向位移量最大，有86.44 mm。邊坡的總位移量值主要在5～10 cm，局部為10～15 cm[2]。x、y、z各方向的分位移量值范圍分別為-3.0～2.93，-3.0～3.0，-14～3.13 cm。在邊坡開挖時,由于受開挖程度的影響,出現(xiàn)了不同程度的壓縮變形，變形量級表現(xiàn)出較大的不均勻性[3]。其位移量值隨開挖步不同而發(fā)生變化，在溢洪道內(nèi)側(cè)回彈變形凸顯。

1.3.2 開挖邊坡的應(yīng)力場

巖體開挖后，較小的壓應(yīng)力或較大的拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)方向在近地表處垂直坡面,深部接近水平；較大的壓應(yīng)力或較小的拉應(yīng)力(第二主應(yīng)力)方向在近地表處順沿坡面,深部接近垂直[4]。其中，最大主應(yīng)力的量級為-6.025～0.055 MPa，量值呈下大上小分布，以壓應(yīng)力為主；最小主應(yīng)力的量級為-2.870～0.50 MPa[5-6]。當(dāng)泄洪洞進(jìn)水口邊坡開挖后，開挖所引起的最大、最小主應(yīng)力的應(yīng)力場計算得出最大主應(yīng)力在邊坡巖體應(yīng)力場中的量級變化范圍為-12.27～0.15 MPa，以壓應(yīng)力為主，僅局部表現(xiàn)出拉應(yīng)力；最小主應(yīng)力的邊坡應(yīng)力場分布特征與最大主應(yīng)力相似，變化范圍為-6.27～0.532 MPa，同樣呈下大上小分布，幾乎都表現(xiàn)為壓應(yīng)力[7]。

1.3.3 塑性區(qū)

雖然開挖邊坡在施工期整體是穩(wěn)定的，但還是存在不穩(wěn)定的區(qū)域。早期開挖邊坡時EL.885平臺附近受損單元就居多，塑性變形區(qū)最明顯。后期溢洪道及其邊坡開挖，條形山脊的塑性區(qū)主要還是在EL.885平臺附近，斷層出露部位則為次要的塑性變形區(qū)[8]。

2 模擬結(jié)果分析

該邊坡地質(zhì)特征比較復(fù)雜,增加了邊坡的不穩(wěn)定性 ,對邊坡的原始狀態(tài)進(jìn)行模擬顯得尤為重要。主要方法為在原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上對邊坡進(jìn)行開挖,判斷、分析邊坡在開挖條件下的穩(wěn)定性[9]。

通常情況下，系統(tǒng)達(dá)到平衡的標(biāo)志為不平衡力趨于零、速度趨于零、位移持續(xù)為常數(shù)。然而對數(shù)值分析來說，當(dāng)最大不平衡力與系統(tǒng)中代表單元的不平衡力相比非常小時，則可以說模型處于平衡狀態(tài)[10]。

由以上分析可知，在很多工程問題中進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定分析具有重要意義。但是，到目前為止，有關(guān)三維邊坡穩(wěn)定分析方法及其程序開發(fā)方面的工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實際工程的需要，大部分研究工作都只局限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，未見實際應(yīng)用。

3 結(jié) 論

在利用切割法建模技術(shù)，成功地建立地質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過對工程高邊坡整體穩(wěn)定性研究分析,可以得出以下結(jié)論。

1) 利用數(shù)值模擬對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究。對邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評價。

2) 基于三維地質(zhì)概化模型仿真數(shù)值模擬，針對條形山脊含軟巖高邊坡特性，系統(tǒng)地分析了不同工程部位邊坡施工過程中的形變——應(yīng)力場和塑性變形特征。建議加強(qiáng)長期監(jiān)測。條形山脊兩側(cè)高邊坡開挖的防治重點(diǎn)應(yīng)放在層間剪切錯動帶發(fā)育部位。

3) 在施工過程中，開挖面巖體周圍的位移受影響程度是不均勻的。

[1] 曹運(yùn)江. 含軟巖高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究——以岷江紫坪鋪水利樞紐工程為例[D]. 成都: 成都理工大學(xué)，2006.

[2] 陳健，盛謙，高峰．構(gòu)皮灘工程邊坡開挖數(shù)值模擬分析及穩(wěn)定性評價[J]．長江科學(xué)院院報，13(9)：32-36.

[3] 陳子進(jìn), 吳斌, 梅連友. 全站儀坐標(biāo)差分法在高邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報, 2005,27(3): 130-134．

[4] 馮學(xué)敏, 汪衛(wèi)明, 陳勝宏. 小灣拱壩右岸纜機(jī)基礎(chǔ)開挖邊坡的優(yōu)化分析[J]. 巖土力學(xué), 2004,25(S2): 289-295.

[5] 黃潤秋. 中國西部地區(qū)典型巖質(zhì)滑坡機(jī)理研究[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2004,19(3)：443-450.

[6] 黃潤秋. 巖石高邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析[M]. 北京：科當(dāng)出版社，2012．

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[10] 張倬元, 王士天, 王蘭生，等. 工程地質(zhì)分析原理(第三版)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2009.

A Study on a Power Station Construction of Stability of High Slope Numerical Simulation

LI Hao1, CAO Yunjiang1,2

(1.SchoolofResource,EnvironmentandSafetyEngineeringofHunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China; 2.HunanUniversityofScienceandTechnology,HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-utilizationandMineEnvironmentProtection,Xiangtan,Hunan411201,China)

An Analysis of slope stability has become a major research topic of concern in the field of geotechnical engineering. According to the field investigation on the slope of a hydropower station in detail during construction, we have inspected large amounts of data in the characteristics of project area in slope engineering to get slope stability evaluation. In the establishment of the slope stability research on the model, we have got a three-dimensional numerical simulation on high slope excavation process of reproduction to verify the geological model or concept model in practical rationality. We are focusing our views on the stability of high slope in hydropower station during construction period, including the high slope excavation and supporting measures to provide many reasonable suggestions.

Slope; stability analysis; Three-dimensional numerical simulation; Excavation

2016-10-04

湖南省教育廳一般資助項目(15C0530)；巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實驗室開放基金資助項目(16GES05)。

李浩(1991-)，男(滿族)，吉林通化人，在讀碩士研究生，研究方向：環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害，手機(jī)：18773245721，E-mail:951051321@qq.com.

P642.22

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.005