某調(diào)壓井邊坡的穩(wěn)定性分析

王玉麗，章朝峰

(江西水利職業(yè)學(xué)院，南昌 330013)

1 工程概況

某水電站調(diào)壓井位于廠房西側(cè)山脊上，邊坡地面高程1 880～2 190 m，地形較緩，平均自然坡度25°～40°。出露地層第四系殘坡積碎石土及沖洪積砂卵礫石，塊石，三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組灰色薄層，極薄層板巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀變化較大，走向N40°W至近EW，傾上游或山內(nèi)，傾角50°～80° 調(diào)壓井井筒圍巖為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組薄層，極薄層夾中厚層含炭質(zhì)板巖，砂板巖，巖層產(chǎn)狀N55°～70°W/SW ∠80°～85°，走向與洞筒軸線近于垂直，陡傾，小褶曲及裂隙發(fā)育。坡表以下0～91.6 m為強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化巖體，巖體破碎，不穩(wěn)定，為Ⅴ類圍巖。91.6～139.5 m為微新巖體，屬Ⅳ類圍巖。該工程的布置圖及計(jì)算所選取的剖面位置見圖1。

圖1 地形分布及剖面位置示意圖

本文以立洲水電站調(diào)壓井邊坡為實(shí)例，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料，運(yùn)用二維剛體極限平衡法[1-3]和三維有限單元法[4]進(jìn)行模擬計(jì)算，主要分析調(diào)壓井運(yùn)行時(shí)內(nèi)水外滲作用對邊坡穩(wěn)定的影響，以及排水洞開挖后對于減小內(nèi)水外滲的影響，維護(hù)邊坡穩(wěn)定的效果。

2 技術(shù)路線

2.1 分析過程

1) 天然邊坡典型剖面二維穩(wěn)定分析。對通過調(diào)壓井中心線的縱剖面11-11運(yùn)用二維剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定分析，應(yīng)用陳勝宏老師課題組程序core-LAM以及Geo-slope軟件進(jìn)行計(jì)算，搜索坡體的最危險(xiǎn)滑面位置，計(jì)算相應(yīng)安全系數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定初步分析。計(jì)算方法包括Sarma法、Spencer法、剩余推力法、改進(jìn)剩余推力法。

2) 不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變分析。通過Ansys建立三維有限元模型，用課題組有限元程序core-FEM305進(jìn)行計(jì)算，得到不同工況下坡體的位移分布、應(yīng)力分布和點(diǎn)安全度的分布圖。選取其中的典型斷面的結(jié)果，分析調(diào)壓井邊坡的穩(wěn)定性變化情況。

2.2 分析工況

工況一：天然邊坡工況。該工況為考慮自重和地下水作用的天然邊坡。

工況二：調(diào)壓井運(yùn)行工況。該工況下，調(diào)壓井開挖完成，但未開挖排水洞。考慮地下水作用，且地下水為調(diào)壓井內(nèi)達(dá)最高涌浪時(shí)分布狀態(tài)。

工況三：排水洞開挖完成工況。該工況為開挖調(diào)壓井后又開挖了1號和2號排水洞的工況。同樣，以地下水分布為調(diào)壓井達(dá)最高涌浪時(shí)的分布狀態(tài)。

2.3 材料參數(shù)

簡化后的各地層的材料參數(shù)見表1。建立模型時(shí)的材料分區(qū)以w-w1剖面的地質(zhì)剖面圖為例說明，見圖2。

表1 巖體材料參數(shù)

圖2 簡化地質(zhì)剖面圖(以w-w1剖面)

2.4 模型建立

天然邊坡工況的有限元模型包含了整個(gè)模擬范圍的巖體，見圖3。工況二的有限元模型包括邊坡和調(diào)壓井的開挖以及調(diào)壓井襯砌；工況三的有限元模型在工況二的基礎(chǔ)上，開挖1號和2號排水洞，排水洞示意圖見圖4。

圖3 有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 二維剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算工況為天然工況，分別運(yùn)用core-LAM程序和Geo-slope程序進(jìn)行二維計(jì)算分析。以11-11縱剖面為典型剖面進(jìn)行初步分析。在Geo-slope中 運(yùn)用Spencer法進(jìn)行最危險(xiǎn)滑面的搜索，得到3處主要的滑弧及其安全系數(shù)，見圖5、圖6、圖7。在core-LAM中，運(yùn)用Sarma法、Spencer法，RTM和RTMI對相應(yīng)滑弧的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，兩種程序計(jì)算得到的安全系數(shù)見表2。

圖5 整體滑弧示意圖

圖6 上部滑弧示意圖

圖7 下部滑弧示意圖

計(jì)算方法Core-lamGeo-slopeSarmaSpencerRTMRTMISpencer安全系數(shù)(1)1.1901.1831.0901.0901.178安全系數(shù)(2)1.3421.3311.330———1.331安全系數(shù)(3)0.9740.9600.9530.9530.960

分析比較可知：

1) Sarma法假定條塊間和底滑面都達(dá)到極限平衡狀態(tài)，是邊坡穩(wěn)定分析的上限解，計(jì)算出的安全系數(shù)最大。

2) Core-lam和Geo-slope兩種不同的程序，運(yùn)用相同的極限平衡條分法——Spencer法時(shí)，計(jì)算所得安全系數(shù)非常接近，相差0.4%左右。

3) 上部滑弧的安全系數(shù)較整體滑弧和下部滑弧的安全系數(shù)大，而邊坡下部的安全系數(shù)最小，即邊坡下部穩(wěn)定性最差。由此推斷，邊坡開挖調(diào)壓井后，調(diào)壓井運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)水外滲作用，將會使得下部的穩(wěn)定性更差?？紤]通過開挖排水洞，改善邊坡內(nèi)滲流場，從而減少調(diào)壓井內(nèi)水外滲對邊坡穩(wěn)定的不良影響，增加邊坡的安全可靠度。

4) 由于工況二條件下，地下水位在較深的巖層中，且在下部最危險(xiǎn)滑弧范圍之外。根據(jù)剛體極限平衡原理可知，二維剛體極限平衡法無法反映地下水位變化對下部可能滑動體的影響。因此，進(jìn)一步考慮用三維有限單元法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析。

3.2 三維有限元計(jì)算結(jié)果分析

1) 工況二下，選取典型剖面11-11位移矢量圖進(jìn)行分析，見圖8。

在調(diào)壓井運(yùn)行工況下，相應(yīng)于自然邊坡，產(chǎn)生了朝向井壁外的最大水平位移為17.4 mm，坡表中下部的位移基本在1～2 mm的大小范圍。這說明與天然邊坡相比，調(diào)壓井運(yùn)行后邊坡產(chǎn)生了不穩(wěn)定的發(fā)展。

圖8 工況二 剖面11-11位移矢量圖

2) 工況三與工況二進(jìn)行對比。選取典型剖面11-11、a-a1的點(diǎn)安全度分布云圖進(jìn)行分析。

對屈服區(qū)域發(fā)生變化的部位用橢圓形符號進(jìn)行標(biāo)記說明，可以觀察出邊坡主要在中部和下部的屈服區(qū)有所減小。說明排水洞的開挖，對于減少調(diào)壓井內(nèi)水外滲作用，維護(hù)邊坡下部的穩(wěn)定有積極作用。見圖9～圖12。

圖9 工況二剖面11-11點(diǎn)安全度分布云圖

圖10 工況三剖面11-11點(diǎn)安全度分布云圖

圖11 工況二剖面a-a1點(diǎn)安全度分布云圖

圖12 工況三剖面a-a1點(diǎn)安全度分布云圖

4 結(jié) 論

1) 運(yùn)用二維剛體極限平衡法對于邊坡穩(wěn)定進(jìn)行定量分析，是比較成熟的分析方法，但是使用范圍有限。尤其對于地下水位在可能滑坡體外部的情況，二維剛體極限平衡法不能進(jìn)一步反映水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，需進(jìn)一步采取三維方法進(jìn)行研究。

2) 該調(diào)壓井開挖后，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了內(nèi)水外滲現(xiàn)象，導(dǎo)致地下水位變化，改變了坡體滲流場，主要對調(diào)壓井下部坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。

3) 在坡體內(nèi)開挖排水洞之后，滲流場得到改善。排水洞的開挖對于調(diào)壓井下部坡體及井周坡體的穩(wěn)定性有增強(qiáng)作用。

4) 對于排水洞圍巖穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步分析。