聯(lián)合進(jìn)水口開挖邊坡三維應(yīng)力變形分析

姬永尚

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

新疆和田玉龍喀什水利樞紐工程位于玉龍喀什河干流中游河段上，是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程。水庫設(shè)計(jì)最大壩高233.5 m，正常蓄水位2 170.0 m，庫容5.28×108m3，電站裝機(jī)容量200 MW，屬大(Ⅱ)型Ⅱ等工程。主要建筑物由大壩(壩型為面板堆石壩)、泄水建筑物(表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放水沖沙洞)、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成[1]。

表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放水沖沙洞和發(fā)電引水洞均布置在右岸，采用聯(lián)合進(jìn)水口(圖1)。聯(lián)合進(jìn)口邊坡開挖坡比為1∶0.3，每10 m設(shè)置一級馬道，每級馬道寬2.0 m，開挖高程范圍為2 044～2 240 m，最大開挖高度約200 m[1]。工程邊坡開挖范圍大、邊坡高，進(jìn)行開挖邊坡三維應(yīng)力變形分析非常必要。

圖1 右岸聯(lián)合進(jìn)口開挖邊坡的三維地形擬合圖Fig.1 Three-dimensional terrain fitting figure of the excavation slope in the right bank joint import

1 邊坡基本地質(zhì)條件

岸坡走向約350°，自然坡度45°～65°。岸坡基巖裸露，巖性為二云母石英片巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3 m，風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面上見有部分礦物風(fēng)化蝕變，巖塊內(nèi)部較為新鮮堅(jiān)硬；弱風(fēng)化層厚12～15 m，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，多閉合，僅有鐵質(zhì)浸染，風(fēng)化蝕變礦物少見，錘擊聲清脆。巖體弱風(fēng)化單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=37.0 MPa，軟化系數(shù)0.63，微風(fēng)化～新鮮單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=45 MPa，軟化系數(shù)0.69，定性評價(jià)為中硬巖類。

二云母石英片巖為片理面結(jié)合牢固的薄層狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化層巖體體積節(jié)理數(shù)Jv=3～5條，對應(yīng)的巖體完整性系數(shù)Kv=0.55～0.75，巖體縱波速度Vp=3 600～4 800 m/s，屬較完整巖類，局部較破碎；微風(fēng)化層巖體體積節(jié)理數(shù)Jv=0.1～0.9條，縱波速度Vp=4 800～5 800 m/s，對應(yīng)的巖體完整性系數(shù)Kv>0.75，屬較完整～完整巖類。

根據(jù)揭露該地層的鉆孔統(tǒng)計(jì)，弱風(fēng)化層RQD值40%～73%，平均54%；微～新巖體RQD值平均值53%～92%，平均76%。

該段邊坡主要分布兩條平行次級斷層f1和f2，產(chǎn)狀300°～320°NE∠65°～75°，順坡延伸，陡傾坡內(nèi)，f1斷層破碎帶寬0.2～0.3 m，為小斷層；f2規(guī)模相對較大，斷層破碎帶寬2.0 m左右，帶內(nèi)主要充填碎裂巖和糜棱巖，結(jié)構(gòu)密實(shí)，中等膠結(jié)。

根據(jù)巖體的風(fēng)化卸荷程度，巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體完整性和緊密程度等，對邊坡工程巖體質(zhì)量分類：微風(fēng)化二云母石英片巖為BⅢ1，弱風(fēng)化二云母石英片巖為BⅢ2，弱卸荷帶為BⅣ，強(qiáng)風(fēng)化及斷層破碎帶為Ⅴ。

2 開挖邊坡三維應(yīng)力變形分析

為充分了解引水發(fā)電洞、2#深孔防空沖沙洞、中孔泄洪洞和表孔溢洪洞進(jìn)口邊坡變形及穩(wěn)定性情況，對聯(lián)合進(jìn)水口邊坡進(jìn)行建模型分析。

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算條件

計(jì)算模型見圖2，計(jì)算網(wǎng)格見圖3。數(shù)值模型東西向X軸，指向東正；以南北向?yàn)閅軸，指向北為正；以豎直方向?yàn)檎Ｐ偷撞扛叱虨? 950 m。三維模型尺寸400 m×500 m×400 m，數(shù)值模型包含的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為28 541，四面體單元總數(shù)為156 207。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

圖3 計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.3 Compute grid partition

數(shù)值計(jì)算中，材料本構(gòu)模型均采用彈塑性模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則為摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。模型四周法向約束，底部固定約束，約束條件見圖4。計(jì)算根據(jù)地質(zhì)報(bào)告確定，具體計(jì)算參數(shù)取值見表1。本次對聯(lián)合進(jìn)口邊坡開挖過程分7級進(jìn)行模擬分析，前3步為2#深孔防空沖沙洞和表孔溢洪洞進(jìn)口邊坡開挖，后4步為引水發(fā)電洞和中孔泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖，開挖高程分別是：第一步開挖(2 200 m)、第二步開挖(2 170 m)、第三步開挖(2 150 m)、第四步開挖(2 114 m)、第五步開挖(2 094 m)、第六步開挖(2 064 m)、第七步開挖(2 044 m)。

圖4 模型約束條件Fig.4 Model constraints

表1 計(jì)算參數(shù)取值表Tab.1 Calculation parameter selection table

2.2 初始應(yīng)力場模擬

初始應(yīng)力條件下，邊坡最大、最小主應(yīng)力云圖見圖5。由圖5可以看出，在自重作用下，邊坡體內(nèi)部應(yīng)力大小由表層向深部逐漸增大，且應(yīng)力值基本為負(fù)值，表明邊坡體整體處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，符合邊坡實(shí)際應(yīng)力分布規(guī)律。

圖5 自然邊坡最大最小主應(yīng)力分布云圖Fig.5 Maximum-minimum principal stress distribution nephogram of the natural slope

2.3 邊坡開挖過程變形分析

前3步為2#深孔防空沖沙洞和表孔溢洪洞進(jìn)口邊坡開挖，第四～第七步為開挖引水發(fā)電洞、中孔泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖。

2.3.1 2#深孔防空沖沙洞、表孔溢洪洞進(jìn)口邊坡開挖過程模擬分析

2.3.1.1 邊坡開挖過程變形分布分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知：①邊坡位移主要集中開口線頂部、開挖面底部和斷層在開挖面出露位置附近，符合一般規(guī)律；②X向(東西向)最大位移分別為3.68、8.62和8.93 mm，隨著邊坡開挖量值逐漸增大；③Y向(南北向)最大位移分別為3.12、9.05、10.24 mm；④Z向(東西向)最大位移分別為3.87、37.9和41.4 mm，最大位移位于斷層在開挖面出露位置附近；⑤典型剖面揭示斷層位置位移出現(xiàn)不連續(xù)且導(dǎo)致邊坡整體位移增大，但量值較小(約10 mm)。第三步開挖至2 150 m高程各向位移分布見圖6。

圖6 第三步開挖至2150m高程位移分布圖Fig.6 The displacement map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.1.2 邊坡開挖過程塑性區(qū)分布分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知：①開挖過程中邊坡整體塑性區(qū)分布范圍較小；②塑性區(qū)主要在開挖邊坡高高程開口線附近和斷層附近，沒有形成大面積貫通塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定性良好；③斷層在邊坡開挖面出露位置出現(xiàn)局部拉塑性區(qū)和剪切塑性區(qū)，開挖施工過程中應(yīng)注重該部位的局部穩(wěn)定問題。第三步開挖至2 150 m高程塑性區(qū)分布圖見圖7。

圖7 第三步開挖至2 150 m高程塑性區(qū)分布圖Fig.7 The plastic zone map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.2 引水發(fā)電洞、中孔泄洪洞邊坡開挖過程模擬分析

2.3.2.1 邊坡開挖過程變形分布分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知：①引水發(fā)電洞進(jìn)口邊坡開挖，主要表現(xiàn)為開挖過程的回彈位移，最大位移位于開挖底部高程，符合一般規(guī)律；②由于開挖量較小，中孔泄洪洞進(jìn)口邊坡整體位移量值較小，最大Z向位移為4.32 mm，位于邊坡開挖底部高程；③引水發(fā)電洞、中孔泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖對上部邊坡變形影響較小，位移量值略有增大，不超過2 mm。第七步開挖至2 044 m高程各向位移分布見圖8。

圖8 第七步開挖至2 044 m高程位移分布圖Fig.8 The displacement map of seven step excavation to 2 044 m elevation

2.3.2.2 邊坡開挖過程塑性區(qū)分布分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知：①開挖過程中邊坡整體塑性區(qū)分布范圍較小；②塑性區(qū)主要在開挖邊坡高高程開口線附近和斷層附近，沒有形成大面積貫通塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定性良好；③斷層在邊坡開挖面出露位置出現(xiàn)局部拉塑性區(qū)和剪切塑性區(qū)，開挖施工過程中應(yīng)注重該部位的局部穩(wěn)定問題。第七步開挖至2 044 m高程塑性區(qū)分布圖見圖9。

圖9 第七步開挖至2 044 m高程塑性區(qū)分布圖Fig.9 The plastic zone map of seven step excavation to 2 044 m elevation

3 結(jié) 語

1) 根據(jù)巖體的風(fēng)化卸荷程度、巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體完整性和緊密程度等，對邊坡工程巖體質(zhì)量分類：微風(fēng)化二云母石英片巖為BⅢ1，弱風(fēng)化二云母石英片巖為BⅢ2，弱卸荷帶為BⅣ，強(qiáng)風(fēng)化及斷層破碎帶為Ⅴ。

2) 邊坡開挖過程變形主要表現(xiàn)為開挖卸荷后的回彈位移，量值均不大，最大位移42.1 mm。

3) 開挖過程中邊坡整體塑性區(qū)分布范圍較小，塑性區(qū)主要在開挖邊坡高高程開口線附近和接近斷層地表出露位置附近，沒有形成大面積貫通塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定性良好。

4) 斷層在開挖面出露時(shí)會導(dǎo)致該區(qū)域附近變形量值增大，局部塑性區(qū)增多，施工過程中應(yīng)注重該區(qū)域的局部穩(wěn)定性問題。