李家?guī)r水庫(kù)城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定三維有限元分析

何 楊，張志強(qiáng)，向 勇，王志堅(jiān)

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 工程概況

李家?guī)r水庫(kù)位于岷江一級(jí)支流——西河上游的文井江山區(qū)河段，壩址位于四川省崇州市懷遠(yuǎn)鎮(zhèn)青峰嶺社區(qū)境內(nèi)。該水庫(kù)開(kāi)發(fā)任務(wù)是以供水為主，并為成都市提供應(yīng)急備用水源，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用，為大(2)型工程。李家?guī)r水庫(kù)的設(shè)計(jì)正常蓄水位均為763.0m，最大壩高為123.0m，總庫(kù)容為17346×104m3，為成都市提供常態(tài)供水流量為4.71m3/s，提供應(yīng)急供水流量為16.3m3/s，為崇州市提供常態(tài)供水流量為2.91m3/s。電站裝機(jī)12000kW。

工程總體布置為河床布置混凝土面板堆石壩；右岸布置溢洪道和泄洪放空洞；左岸布置城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)以及壩后電站廠房。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口設(shè)置在壩軸線左岸上游約300m處，采用岸塔式結(jié)構(gòu)，塔井通過(guò)交通橋與左岸壩頂交通洞(兼灌漿平洞)相連，進(jìn)口閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)40m，進(jìn)口底板高程688.00m，頂高程768.00m，凈高80.0。為加強(qiáng)塔井和邊坡整體穩(wěn)定性，在進(jìn)口開(kāi)挖邊坡高程720.60m以下與塔井之間用C15混凝土回填密實(shí)。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡681.00～695.40m高程采用垂直開(kāi)挖，695.40～783.00m高程以上根據(jù)邊坡巖石分類(lèi)開(kāi)挖坡比采用1∶0.5～1∶1，覆蓋層開(kāi)挖坡比采用1∶1.5。

2 地質(zhì)條件

李家?guī)r水庫(kù)城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口處地形為斜坡，坡角25°～40°。地表分布有崩坡積孤塊塊碎石土，厚3～9m，結(jié)構(gòu)松散。下伏基巖為K1j③厚層塊狀礫巖夾薄層透鏡狀巖屑砂巖。巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為8～12m，弱風(fēng)化帶厚度為10～14m。根據(jù)巖土體透水性特征，強(qiáng)風(fēng)化巖體完整性較差，呈碎裂結(jié)構(gòu)，滲透系數(shù)(1.2～7.5)×10-3，為中等透水；弱風(fēng)化巖體構(gòu)造裂隙仍較發(fā)育，透水率62～97Lu，為中等透水層；新鮮巖體透水率4.1～89Lu，為弱—中等透水。

根據(jù)設(shè)計(jì)建基高程，閘基位于K1j③新鮮礫巖上，礫巖以鈣泥質(zhì)礫巖為主，少量泥鈣質(zhì)礫巖，巖體質(zhì)量為CⅣ類(lèi)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

左側(cè)邊坡最大開(kāi)挖坡高90m左右，其中高程720.60m以下為臨時(shí)邊坡。巖層產(chǎn)狀N50～57°E/SE∠45～55°，為斜向坡，巖層視傾坡外，傾角緩于開(kāi)挖坡角。邊坡上部覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)化帶巖體破碎、完整性差；下部新鮮巖體以鈣泥質(zhì)礫巖為主，巖體較破碎、完整性較差；加之為斜順向邊坡，因此存在高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，尤其是施工期臨時(shí)穩(wěn)定問(wèn)題，邊坡巖體開(kāi)挖切腳后可能產(chǎn)生順層滑動(dòng)。

正面邊坡開(kāi)挖坡高95m左右，巖層視傾坡內(nèi)，其中高程720.60m以下為臨時(shí)邊坡。開(kāi)挖邊坡為逆向坡，邊坡整體穩(wěn)定。邊坡巖體725.0m高程以下為鈣泥質(zhì)礫巖，巖體結(jié)構(gòu)較破碎—完整性差，開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性較差，為保證施工期安全，建議支護(hù)并及時(shí)回填；725.0m高程以上為泥鈣質(zhì)礫巖，新鮮巖體較完整，但上部風(fēng)化、卸荷帶巖體較破碎、完整性較差，加之裂隙切割，可能產(chǎn)生局部垮塌。

右側(cè)開(kāi)挖邊坡小于50m，為斜向坡，巖層視傾坡內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定。但邊坡上部覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)化卸荷帶巖體較破碎，開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性較差，可能產(chǎn)生局部垮塌。

4 邊坡支護(hù)方案

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口引渠及塔井周邊開(kāi)挖邊坡主要為砂巖、礫巖互層組成，為避免形成大開(kāi)挖和超高邊坡，邊坡開(kāi)挖按“陡開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)”原則進(jìn)行處理，開(kāi)挖坡比采用1∶0.5，邊坡整體采取噴錨支護(hù)，正常蓄水位以上掛網(wǎng)噴植被混凝土厚12cm，以下噴C25混凝土10cm，并埋設(shè)PVC排水管，孔深9m，坡頂外緣設(shè)地表截排水溝。

巖質(zhì)邊坡：錨桿Φ25mm，長(zhǎng)度4.5～6m，間排距3.0m；每級(jí)邊坡頂部錨桿Φ28mm，長(zhǎng)度9.0m，間排距3.0m，2排。

覆蓋層邊坡：自進(jìn)式錨桿Φ32mm，長(zhǎng)度6m，間排距3.0m。

預(yù)應(yīng)力錨索：695～719高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。

預(yù)應(yīng)力錨索：724～739高程2000kN/L40m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。

隧洞頂部錨桿Φ28mm，長(zhǎng)度9m，間排距3.0m。

5 邊坡計(jì)算參數(shù)

本工程場(chǎng)地基本烈度為7度，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口及其邊坡采用50年超越概率5%的地震動(dòng)參數(shù)值206cm/sec2進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，后緣邊坡和左側(cè)邊坡以及典型斷面位置示意圖如圖1所示。

圖1 后緣邊坡和左側(cè)邊坡以及典型斷面位置示意圖

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡支護(hù)方案剖面如圖2所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖2 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡支護(hù)方案沿水流方向剖面圖

6 供水洞進(jìn)口邊坡三維有限元穩(wěn)定計(jì)算

邊坡有限元計(jì)算采用ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題[1]。

本工程中巖體采用三維四面體10結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D10)或六面體20結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D20)進(jìn)行剖分模擬。接觸面單元采用Katona內(nèi)界面單元模擬。錨索的模擬采用一種能夠分別模擬自由段、錨固段以及反映自由段錨索與孔周?chē)鷰r相互滑移的特殊錨索單元來(lái)模擬。錨桿、錨筋樁均用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

有限元計(jì)算時(shí)采用增量法：對(duì)應(yīng)于第i級(jí)荷載增量Δ{Ri}的位移增量為Δ{δi}[2- 3]，有：

[K]Δ{δi}=Δ{Ri}

(1)

Δ{δi}=(Δ{δi})e+(Δ{δi})p

(2)

式中，[K]—整體剛度矩陣，[K]=[K]e-[Ki]p；[K]e—不變的彈性整體剛度矩陣；[Ki]p—該點(diǎn)的彈性剛度矩陣修正值，可根據(jù)上一級(jí)荷載末的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)確定；(Δ{δi})e—總位移中純彈性的那一部分；(Δ{δi})p—塑性造成的附加位移。

(Δ{δi})e的求解用彈性公式：

[K]e(Δ{δi})e=Δ{Ri}

(3)

(Δ{δi})p的求解用公式通過(guò)迭代計(jì)算：

[K]e(Δ{δi})p=[Ki]p((Δ{δi})e+(Δ{δi})p)

(4)

式中,[Ki]p—根據(jù)上一級(jí)荷載末的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)確定。

靜力工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖3所示。根據(jù)圖3(a)可以看出，該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.77(壓)～0.48MPa(拉)的范圍，邊坡底部一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，拉應(yīng)力不超過(guò)0.5MPa。

根據(jù)圖3(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.39～-0.47MPa的范圍，均為受壓狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)好。

圖3 靜力工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖4所示。根據(jù)圖4可以看出，該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)、第三主應(yīng)力與整體揭示的主應(yīng)力分布規(guī)律相同，量值大小也相同。

圖4 地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

靜力工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖5所示。根據(jù)圖5(a)可以看出，該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.55～0.03MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過(guò)0.1MPa。

如圖5(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-2.06～-0.80MPa的范圍，從第三主應(yīng)力來(lái)看，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

圖5 靜力工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖6所示。根據(jù)圖6(a)可以看出，該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.38～0.15MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過(guò)0.2MPa；根據(jù)圖6(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.06～-0.80MPa的范圍，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

圖6 地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

從以上不同區(qū)域條件上的城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力應(yīng)力范圍、應(yīng)力最大值與最小值以及拉應(yīng)力區(qū)分布等方面的分析，表明該支護(hù)條件下，邊坡巖體中沒(méi)有過(guò)大的拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)且拉應(yīng)力區(qū)很小，邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)較好。

通過(guò)以上計(jì)算說(shuō)明邊坡的控制工況為地震工況，且支護(hù)方案具備優(yōu)化的條件?？紤]到本區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況和施工情況，支護(hù)方案做以下優(yōu)化如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

進(jìn)口閘室后緣邊坡，高程754.40～800.0m：錨桿φ28mm，長(zhǎng)度9.0m，間排距3.0m，20排；優(yōu)化為錨桿φ28mm，長(zhǎng)度6.0m，間排距4.5m；進(jìn)口左側(cè)邊坡，高程727.00以上：錨桿φ32mm，長(zhǎng)度6m，間排距3.0m；優(yōu)化為錨桿φ28mm，長(zhǎng)度6m，間排距4.5m；預(yù)應(yīng)力錨索695～719m高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。優(yōu)化為700～719m高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，3排；其他部位的支護(hù)參數(shù)按原方案進(jìn)行。

根據(jù)圖8所示該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)、第三主應(yīng)力與整體揭示的主應(yīng)力分布規(guī)律相同，量值大小也相同。

圖8 優(yōu)化后地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.39～0.16MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過(guò)0.2MPa；優(yōu)化后地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖8所示。根據(jù)圖8(b)，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.03～-0.76MPa的范圍，從第三主應(yīng)力來(lái)看，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

從以上不同區(qū)域條件上的城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力應(yīng)力范圍、應(yīng)力最大、小值以及拉應(yīng)力區(qū)分布等方面的分析，表明該支護(hù)條件下，邊坡巖體中沒(méi)有過(guò)大的拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)且拉應(yīng)力區(qū)很小，邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)很好。

7 供水洞進(jìn)口邊坡安全系數(shù)

邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)巖體的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)是土的實(shí)際剪切強(qiáng)度與折減后達(dá)到臨界破壞時(shí)的剪切強(qiáng)度之比，具有強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)的概念[4- 5]。邊坡失穩(wěn)破壞主要由巖土體抗剪強(qiáng)度降低、容重增加、坡頂建筑物荷載增大、邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)等多種因素導(dǎo)致。強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)定義為：使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)巖、土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后剪切強(qiáng)度的比值[6- 10]。

使用強(qiáng)度折減法計(jì)算各方案安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口閘室后緣邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)

在原方案下，強(qiáng)度折減法安全系數(shù)分別為2.64和2.15；若按照本報(bào)告提出的優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)，靜力方案安全系數(shù)為2.41、動(dòng)力方案為1.94。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)見(jiàn)表3，從表3可以看出，原支護(hù)方案城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡在靜力和動(dòng)力方案下，強(qiáng)度折減法安全系數(shù)分別為2.76和2.38；若按照本報(bào)告提出的優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)，靜力方案安全系數(shù)為2.51、動(dòng)力方案為2.17。

表3 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)

通過(guò)以上計(jì)算分析，在同樣保證邊坡穩(wěn)定的情況下，方案2比方案1投資節(jié)省23.5萬(wàn)元。

8 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)李家?guī)r水庫(kù)城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡三維在不同工況下邊坡應(yīng)力的對(duì)比分析，根據(jù)各工況下分析結(jié)果提出對(duì)當(dāng)前支護(hù)方案的優(yōu)化建議，并分析了優(yōu)化方案下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，主要成果如下：

(1)利用三維方法計(jì)算時(shí)，能充分考慮邊坡的整體效應(yīng)，邊坡支護(hù)方案可進(jìn)行一定優(yōu)化，從而得到更加經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案。此方案應(yīng)在開(kāi)挖過(guò)程中結(jié)合地質(zhì)條件及施工方法等因素綜合考慮。

(2)在原支護(hù)方案靜力工況下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡閘室后緣邊坡在各工況下整體是穩(wěn)定的、支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

(3)在優(yōu)化后支護(hù)方案錨桿、錨索支護(hù)方案，邊坡巖體變形、應(yīng)力有很小的增加，地震瞬時(shí)條件下邊坡整體安全也可得到保證。

本工程的控制工況為施工期和地震工況。所以在施工期做好排水措施，采取有效可靠的系統(tǒng)排水和防滲措施，盡量減少地表水、地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。