基于FLAC3D的某溢洪道進水渠段高邊坡設計優(yōu)化計算分析研究

劉吉強

(烏魯木齊市水利勘測設計院(有限責任公司)，烏魯木齊 830000)

1 概 述

水利工程建設時常常會遇到高邊坡等不利地質(zhì)現(xiàn)象，其對水工結構工程施工期及運營期均是較大威脅，因而在實際工程建設時常常需要考慮對邊坡安全穩(wěn)定性進行評價[1-3]。從邊坡巖土體材料應力或滲透系數(shù)允許安全方面出發(fā)，計算邊坡內(nèi)巖土體的應力位移狀態(tài)，進而側(cè)面評價邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)是當前應用較為廣泛的一種方法。已有一些學者或工程師基于對邊坡內(nèi)巖土體開展室內(nèi)試驗，研究巖土體的強度、滲流等特性，以此來評價邊坡體安全穩(wěn)定性[4-6]。也有一些學者基于在邊坡等工程現(xiàn)場安裝監(jiān)測傳感器，如微震系統(tǒng)等設備，以獲得邊坡內(nèi)巖土體在一定時間內(nèi)的細觀數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之間內(nèi)在聯(lián)系，預判邊坡失穩(wěn)節(jié)點[7-8]。數(shù)值方法作為工程計算中高效手段，依據(jù)不同工況條件施加不同邊界約束條件在數(shù)值模型內(nèi)，并借助有限元軟件計算獲得位移應力參數(shù)[9-11]，評價邊坡安全穩(wěn)定性，對工程設計具有重要意義。

2 工程概況

某水庫位于華中地區(qū)，是區(qū)域內(nèi)重要蓄水工程，承擔著周邊區(qū)域內(nèi)水資源供應調(diào)度以及豐枯水季河道水位調(diào)控作用，該水庫工程涵蓋溢洪道、水閘以及大壩等水工結構。其中，溢洪道作為重點設計工程已開展穩(wěn)定性加固等施工措施，保證溢洪道在所控制的45m長度溢流段內(nèi)處于滲流與靜力穩(wěn)定。該溢洪閘為多孔式，每孔寬度為15 m，中心軸線長度達380 m，包括有進水渠、消能池連接過渡段、兩側(cè)翼墻等結構。消能池連接段末端與輸水干渠連接，可保證泄洪水流進入農(nóng)業(yè)輸水干渠中，提高泄流水資源利用度，干渠渠首流量控制在0.58 m3/s；兩側(cè)翼墻分布在泄流段，分別由緩坡與陡坡段組成，坡度分別為1/50和1/3，泄流段內(nèi)巖體完整性均較好，穩(wěn)定性較佳。但在進水渠段中左岸邊坡高度超過80 m，發(fā)育較多節(jié)理裂隙，具有懸空面，其穩(wěn)定性對溢洪道水位調(diào)控運營具有重要影響。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查分析，進水渠段左岸邊坡所處工程場地巖性以火成巖為主，包括有安山玢巖、花崗巖等，巖體完整性較好，但局部分布有破碎夾層，發(fā)育有泥質(zhì)等膠結物。室內(nèi)土工試驗測定表明，強度較高，靜水壓力下孔隙度低于1%，現(xiàn)場巖體受風化影響較低，計算研究時可考慮巖性為完整性強度未有缺失的巖層。上覆土層為粉質(zhì)壤土與人工雜填土，其中粉質(zhì)壤土承載力較好，現(xiàn)場分布厚度最厚處超過3.5 m，密實性較佳，輸水干渠即以該層為基礎的持力層，含水量亦較低。人工雜填土為第四系人工活動搬運沉積形成土層，較為松散，厚度較薄，其主要影響邊坡的豎向荷載。高邊坡所處溢洪道泄流區(qū)域局部工程地質(zhì)剖面圖見圖1。由于邊坡正處于開挖施工階段，本文主要針對該高邊坡在開挖有無支護措施下的穩(wěn)定性開展研究討論，并探討優(yōu)化設計后高邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

圖1 溢洪道局部區(qū)段工程地質(zhì)剖面圖

3 原設計方案邊坡計算分析

3.1 計算模型及工況

FLAC3D作為有限差分數(shù)值計算軟件，內(nèi)嵌有多種巖土本構模型，本文借助該數(shù)值軟件構建進水渠段高邊坡模型，X、Y、Z空間坐標系中分別為溢洪道泄流方向、溢洪道上垂線、溢洪道豎向，所建模型見圖2，共劃分出網(wǎng)格單元184 216個，節(jié)點數(shù)93 006個。為簡化計算，本文僅考慮該高邊坡模型中粉質(zhì)壤土層與基巖層材料，相關參數(shù)均以室內(nèi)試驗報告為準，由于開挖面為最危險斷面，因此重點開展開挖斷面安全穩(wěn)定性計算分析。

圖2 數(shù)值模型圖

原設計開挖方案為5級馬道，除第二級馬道為12 m，其他馬道寬度均為3 m，坡度均為2∶1，以直徑15 mm錨桿為正方形支護網(wǎng)架，每根錨桿長度為5 m，并噴射混凝土。優(yōu)化方案為4級馬道，其中第二級馬道加寬為15 m，其他馬道寬度一致，坡度優(yōu)化為5∶2，以直徑25 mm錨桿為正方形支護網(wǎng)架，每根錨桿長度為10 m，并噴射混凝土。由于溢洪道進水渠段水位變化，因而本文在每種研究方案基礎上分別拓展有無水工況。

3.2 開挖無支護

3.2.1 無水工況

圖3為開挖無支護時無水工況下高邊坡位移與應力分布特征云圖。從圖3中可知，邊坡最大位移集中在開挖斷面底板處，最大位移達4.71 cm，在坡頂面位移量值較低，分布僅為7.5 mm左右，沿著開挖斷面底板延伸至坡頂，位移分布逐漸遞減，最大遞減幅度達84.1%。從應力分布來看，第一主應力最大拉應力為0.52 MPa，分布在各級馬道邊緣區(qū)域，坡面上拉應力量值較低；從第三主應力特征參數(shù)云圖可知，開挖后各級馬道邊緣處存在拉應力，而坡面上以壓應力為主，最大壓應力達5 MPa，沿著坡頂至坡底部，壓應力逐漸增大。分析開挖無支護方案位移應力表現(xiàn)可知，當無支護措施時，開挖斷面底板處所承受較大坡體滑移威脅，對邊坡穩(wěn)定性是潛在威脅，隨著開挖斷面深入，各級馬道邊緣拉應力與坡體底板處位移量勢必會持續(xù)增大，一旦超過一定承受界限，易造成滑坡或土體張拉破壞等現(xiàn)象。

圖3 原設計無支護方案下位移應力分布(無水工況)

3.2.2 有水工況

本文以水庫處于正常蓄水位時開展高邊坡位移應力計算，結果見圖4。從圖4中可知，有水工況下邊坡位移分布與無水工況有所類似，最大位移量均集中在坡底板處，其最大位移相比無水工況增長幅度并不大，僅為4.7%，達4.93 mm，坡頂仍分布較小位移。有水工況下最大拉壓應力分別為0.53和5 MPa，與無水工況下分布區(qū)域及量值基本接近。分析表明，在無支護措施下，有無水工況位移、應力分布特征與量值均為一致，即水位對高邊坡位移、應力變化無影響，此時由于在無支護措施條件下邊坡按照原設計方案開挖，滑移失穩(wěn)已占據(jù)主導作用，不受水位影響。

圖4 原設計無支護方案下位移應力分布(有水工況)

3.3 開挖支護

3.3.1 無水工況

在有支護措施條件下，獲得原設計開挖方案邊坡位移應力特征云圖，見圖5。對比圖3與圖5可知，支護措施下最大位移量值雖未發(fā)生較大改變，但其分布區(qū)域得到降低，減弱了對坡內(nèi)的變形延伸趨勢，緩解了坡底板處土體滑移面向坡底部的傾向性，最大位移仍為4.71 cm。第一、第三主應力相比量值并未在開挖支護措施下顯著降低，且各開挖馬道邊緣處仍分布有一定拉應力。分析表明，無水工況下，即使具有開挖支護措施，但高邊坡所具有的位移、應力并未相比無支護措施下顯著降低，僅對大位移、拉應力區(qū)域分布面積有所緩解，對量值無影響。筆者認為這主要是由于原開挖設計方案馬道數(shù)量過多、寬度間隔較短，且支護措施對坡體穩(wěn)定性加固并無顯著作用。

圖5 開挖支護方案位移應力分布(無水工況)

3.3.2 有水工況

圖6為在蓄水條件下原開挖設計支護方案時高邊坡位移應力特征。對比前述分析工況可知，在有水位時，坡頂面位移分布傾向于開挖面，一定程度降低了開挖面失穩(wěn)性，從量值上看，與無支護措施下基本一致，但坡底板處高位移分布區(qū)間在坡內(nèi)的延伸區(qū)域減小，表明有支護措施下可一定程度降低坡底板處大位移引起的邊坡土體滑移面。第一主應力表征了邊坡內(nèi)拉應力分布狀態(tài)，相比圖4(b)所示結果，圖6(b)所示結果馬道邊緣仍存在拉應力，量值與前者一致，但支護后拉應力由馬道邊緣逐漸遞減至坡內(nèi)，支護措施能一定程度削弱拉應力與位移在坡內(nèi)的延伸。對比上述計算工況可知，不論有無支護措施下，高邊坡開挖后最大壓應力均為5 MPa左右，不受水位與支護措施影響。

圖6 開挖支護方案位移應力分布(有水工況)

4 優(yōu)化設計后邊坡計算分析

在上述分析基礎上，該高邊坡開挖穩(wěn)定性與原設計方案相關，而支護措施對潛在滑移面具有一定影響，因而本文針對優(yōu)化后開挖支護方案下高邊坡應力位移場開展計算分析。

4.1 無水工況

圖7為優(yōu)化設計開挖方案位移應力分布圖。從圖7中可知，坡頂面上位移分布由臨空面逐漸擴散至各馬道內(nèi)部，一定程度上發(fā)揮了馬道降低滑坡面的向下滑移能力；與原設計方案一致，優(yōu)化后方案最大位移仍分布在坡底板區(qū)域，但由于支護錨桿滿足實際工程需求，較大位移并未出現(xiàn)往坡內(nèi)延伸發(fā)展現(xiàn)象，降低了坡底板隨滑坡面滑移能力。從應力分布來看，最大拉應力為0.45 MPa，相比原設計方案降低15.1%，所處區(qū)域并不存在于馬道邊緣，而是位于坡底板區(qū)域，且僅是局部分布，坡面以壓應力為主，分布為0.25～0.75 MPa，最大壓應力為4.86 MPa，由于更改原設計方案，在無水工況下大位移、最大拉應力分布均處于穩(wěn)定狀態(tài)，可減弱潛在滑動面威脅。

圖7 優(yōu)化設計開挖支護方案位移應力分布(無水工況)

4.2 有水工況

圖8為優(yōu)化設計方案后有水工況下位移應力分布結果。從圖8中可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化設計方案后，高邊坡各臺階馬道位移分布更趨于層次條帶狀，馬道階次減少后位移遞減程度并未發(fā)生較為顯著突變，有助于在保證邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)下提升施工速率，各臺階馬道最大位移為1 cm左右，僅為坡高的0.01%，符合安全允許值[12-13]，且大位移分布對坡內(nèi)延伸顯著減弱。從應力分布來看，在有水工況中拉應力分布區(qū)域顯著降低，最大拉應力位于坡底板與第一級馬道接觸邊緣處，為0.45 MPa，相比原設計方案降低13.5%，且由馬道與坡底板頂面至坡內(nèi)，拉應力遞減，馬道在高邊坡開挖過程中安全穩(wěn)定性得到提高；最大壓應力位于開挖面，由開挖面至坡內(nèi)逐漸增大。分析表明，優(yōu)化后設計方案極大降低了大位移與拉應力對潛在滑動面的威脅，又減少了馬道施工工作量，在溢洪道進水渠段有水位時亦能保持較好穩(wěn)定性。

圖8 優(yōu)化設計開挖支護方案位移應力分布(有水工況)

5 結 論

針對某溢洪道進水渠段高邊坡開挖設計方案開展優(yōu)化分析，分別針對原設計方案與優(yōu)化后方案進行計算，優(yōu)化后設計開挖方案高邊坡位移應力均處于較為安全狀態(tài)。結論如下：

1) 原設計開挖無支護方案下有水工況相比無水工況下最大位移增長僅4.3%，位移與應力分布基本一致，水位對高邊坡位移、應力變化無顯著影響，兩工況下最大位移均延伸至坡內(nèi)，最大拉應力位于馬道邊緣，坡面以壓應力為主，最大壓應力達5 MPa。

2) 原設計開挖支護方案下有無水工況中最大位移、應力變化并無顯著改變，但支護措施下減弱了大位移對坡內(nèi)的延伸趨勢，分布面積減少；有無支護措施不改變最大拉、壓應力量值，但減弱拉應力對滑移面影響。

3) 優(yōu)化設計支護方案下有無水工況中高邊坡最大位移均無顯著往坡內(nèi)延伸趨勢，最大拉應力均為0.45 MPa，相比原設計方案降低15.1%，各級馬道拉應力分布減少，最大壓應力為4.86 MPa，馬道最大位移為1 cm左右，僅為坡高的0.01%；邊坡優(yōu)化設計開挖方案下安全穩(wěn)定性得到提高，滑動面滑移趨勢降低。