大崗山水電站壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

大崗山水電站壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

1工程區(qū)巖體及工程地質(zhì)邊坡巖脈和斷層分布范圍大崗山水庫位于四川省西部大河上游石棉縣。是長期以來涇河公路橋上開發(fā)的大型水電項(xiàng)目之一。壩址區(qū)兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,地應(yīng)力較高,巖體卸荷及風(fēng)化強(qiáng)烈,自然坡度一般40°~65°,相對高差一般在600m以上?；鶐r主要巖性為澄江期花崗巖類。壩址區(qū)巖脈、擠壓破碎帶、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育。其中,左岸發(fā)育有β6、β101、β99、β166、β79、β27、β28、β21、β41(f46)、β118(f49)、f54、f112、f99、f68、f100、f33、f67、β78(f152、f117)等不同規(guī)模的巖脈和斷層;右岸發(fā)育有β5(F1)、γL5、β4、β85、β62、β83、β68、β117(f78)、β43,β8(f7)、XL9-15、XL316-1、β146、f65、f85、f119、β82(f74)、β40(f71)、β73(f118)、β142等主要巖脈、斷層、卸荷裂隙密集帶及兩條深部卸荷帶XL316-9、XL9-15;河床發(fā)育有β88、β144、β145等主要巖脈。節(jié)理裂隙主要發(fā)育有6組。工程區(qū)巖體在施工開挖過程中將形成一系列高陡邊坡。由于邊坡具有高地應(yīng)力、高地震烈度、卸荷風(fēng)化強(qiáng)烈的顯著特點(diǎn),且中、陡傾角的順坡向節(jié)理裂隙較為發(fā)育,因此,邊坡穩(wěn)定問題較為突出。為保證邊坡的穩(wěn)定性,工程上擬采用“逐層開挖逐層支護(hù)”的施工原則。為評價邊坡的穩(wěn)定性及上述施工原則的合理性,本文采用彈塑性有限元法對邊坡開挖、加固進(jìn)行了模擬,通過分析施工過程中的邊坡變形、應(yīng)力、塑性區(qū)、錨桿錨索受力情況,得出了若干對工程建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義的結(jié)論。2模擬方法：固結(jié)巖石和開挖載荷2.1基于等效本構(gòu)模型的錨固力分析為了模擬系統(tǒng)錨桿和錨索群的支護(hù)效應(yīng),首先給出支護(hù)結(jié)構(gòu)的等效模擬方法,在巖體工程地質(zhì)概化的基礎(chǔ)上,對錨固巖體結(jié)構(gòu)加以簡化,認(rèn)為錨固巖體由巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)組成,并假定巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào),而荷載由巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同分擔(dān)。為簡便起見,建立兩套坐標(biāo)系,即巖體的物理量由整體坐標(biāo)系OXYZ表達(dá)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理量由局部坐標(biāo)系oxyz表達(dá),其中z軸指向錨桿軸向方向。本文采用文給出的等效本構(gòu)模型。此等效本構(gòu)模型主要考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)對巖體的“剛度效應(yīng)”,可用于近似模擬全長黏結(jié)式錨桿和全長黏結(jié)式錨索的支護(hù)效應(yīng)。而對于自由式錨索,其加固機(jī)理和受力狀態(tài)均與全長黏結(jié)式錨索不同,但根據(jù)陳安敏等人的試驗(yàn)結(jié)果,在正常荷載條件下采用上述模型模擬自由式錨索將偏于保守。對于預(yù)應(yīng)力錨索,還應(yīng)以下式計算錨索對巖體的錨固力P:式中:P0為錨索初張力噸位;σzb為錨索軸向拉應(yīng)力;E、A、L分別為錨索變模、截面積和長度;u為錨索伸縮變形。式中第一部分適用于全長黏結(jié)式錨索,第二部分適用于自由式錨索。2.2摩擦開挖單元的控制方程在有限單元法中每個單元只受兩種力的作用:一是作用在該單元上的各種荷載,可以化為等效結(jié)點(diǎn)荷載;二是相鄰單元對它的作用,我們把這種作用看作是結(jié)點(diǎn)對單元施加的結(jié)點(diǎn)力。作用在每一個結(jié)點(diǎn)上的力應(yīng)該是平衡的。當(dāng)挖去與i結(jié)點(diǎn)相連接的一個單元時,i結(jié)點(diǎn)上就相當(dāng)于受到了一開挖外力:式中:Rie為該單元所受荷載作用在i結(jié)點(diǎn)上的等效結(jié)點(diǎn)荷載;Pie為i結(jié)點(diǎn)對該單元所施加的結(jié)點(diǎn)力。于是,挖掘面上的開挖外力可以用增量形式的等效結(jié)點(diǎn)荷載表示:式中:Nde為挖掘單元總數(shù);為該區(qū)域挖掘前的巖體應(yīng)力場;為巖體沿各坐標(biāo)軸方向的容重分量。由于本次模擬邊坡開挖我們只考慮自重應(yīng)力場作用,所以控制方程可以寫為式中:為將挖掘單元作為空氣單元后得到的整個計算域的整體剛度矩陣;為開挖引起的位移增量;為初始不平衡余量。根據(jù)式(3)和式(4),每次開挖都可以用增量形式來求解,所以邊坡在整個開挖過程中引起的應(yīng)力和位移的變化情況就很容易通過分級開挖(即分級加載)來模擬計算。對于有錨桿或錨索支護(hù)的邊坡來說,同樣也可以根據(jù)實(shí)際的施工順序在加載的同時改變相應(yīng)的這些單元的性質(zhì)來模擬計算,從而使模擬開挖計算更逼近真實(shí)情況。由于我們已把開挖問題轉(zhuǎn)化成簡單的加載問題,因此應(yīng)用等效節(jié)點(diǎn)荷載法可以連續(xù)跟蹤模擬邊坡的開挖過程,并可應(yīng)用各種屈服準(zhǔn)則或破壞準(zhǔn)則進(jìn)行非線性分析計算。3采用有限誤差計算模式和計算條件3.1邊坡巖脈及斷層模型邊坡三維整體有限元模型建立在局部坐標(biāo)系(X,Y,Z)下,其X軸正方向指向河流上游(即NE26°),Y軸正方向指向右岸(即NW296°),Z軸正方向鉛直向上。模型計算范圍順河向630m(纜機(jī)平臺Ⅸ-Ⅸ線下游180m到纜機(jī)平臺I-I線上游250m),橫河向1850m(從河床中心線向左岸坡內(nèi)和右岸坡內(nèi)各取1040m和810m),垂直向900m(從高程600m到高程1500m),模型從上游向下游依次包括進(jìn)水口I-I線~VII-VII線以及纜機(jī)平臺LPI線~LPIX線。在邊坡三維整體有限元模型中,綜合考慮了邊坡巖體結(jié)構(gòu)及工程邊坡巖體質(zhì)量分類、計算區(qū)域地形地貌的模擬和重要工程結(jié)構(gòu)的模擬等問題。其中,左岸邊坡模擬了β6、β166、β78(f152、f117)、β79、β27、β28、β21、β41(f46)、f112、β118(f49)等主要巖脈和斷層,右岸邊坡模擬了β5(F1)、γL5、β4、β85、β62、β83、β68、β117(f78)、β43、β8(f7)等主要巖脈和斷層。此外,有限元模型還對卸荷及風(fēng)化界線、巖體質(zhì)量分類界線進(jìn)行了細(xì)致模擬。模型的建造遵循從“點(diǎn)→線→面→體”自下而上的建模技術(shù)。計算模型采用六面體等參單元和部分四面體退化單元模擬,共剖分單元156243個,結(jié)點(diǎn)50983個,其中開挖單元24960個,如圖1所示。3.2計算條件以左岸邊緣為例(1)邊坡淺表圍巖應(yīng)力場大崗山水電站邊坡巖體淺表卸荷裂隙發(fā)育,且部分裂隙張開寬度較大,延展性和連通性較好。因此,有理由認(rèn)為邊坡淺表構(gòu)造應(yīng)力已基本釋放,邊坡淺表開挖范圍內(nèi)巖體應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主;另外,在自重應(yīng)力場下,河谷區(qū)巖體的應(yīng)力量值與實(shí)測值接近,且開挖主要涉及淺表卸荷區(qū)巖體,因此,在計算中采用自重應(yīng)力場作為邊坡巖體初始地應(yīng)力場。(2)計算參數(shù)根據(jù)工程區(qū)巖體質(zhì)量分級和工程地質(zhì)分區(qū),有限元計算參數(shù)依據(jù)設(shè)計研究院提供的地質(zhì)概化參數(shù)按表1選用。(3)支護(hù)及支護(hù)模擬大崗山邊坡計算荷載包括巖體自重應(yīng)力場、開挖荷載、預(yù)應(yīng)力錨索荷載、地震荷載、地下水滲透荷載等。在邊坡施工期穩(wěn)定性分析中,開挖荷載是最主要的計算荷載,其計算公式為式中:{F}為開挖荷載向量;[Β]為單元幾何矩陣;[Ν]為形函數(shù)矩陣;{σ}為初始應(yīng)力;為體積力向量;?E為開挖單元集合。對于預(yù)應(yīng)力錨索荷載,按逐層開挖逐層支護(hù)的施工程序?qū)χ饕ёo(hù)措施進(jìn)行計算模擬,但考慮到實(shí)際施工過程中上下坡段之間的施工干擾,對錨索的支護(hù)效應(yīng)滯后一至兩個施工坡段進(jìn)行模擬。為了反映工程實(shí)際,本次計算在初始地應(yīng)力場模擬的基礎(chǔ)上,分如下10個步驟模擬大崗山邊坡開挖及支護(hù)過程:(1)第一步開挖:左岸1390m高程以上開挖模擬;(2)第二步開挖及第一步支護(hù):左岸1390~1360m高程開挖模擬,左岸1390m高程以上錨桿、錨索支護(hù)模擬;(3)第三步開挖及第二步支護(hù):左岸1360~1330m高程及右岸1315m高程以上開挖模擬,左岸1390~1360m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(4)第四步開挖及第三步支護(hù):左岸1330~1300m高程及右岸1315~1295m高程開挖模擬,左岸1360~1330m高程及右岸1315m高程以上錨桿、錨索支護(hù)模擬;(5)第五步開挖及第四步支護(hù):左岸1300~1270m高程及右岸1295~1275m高程開挖模擬,左岸1330~1300m高程及右岸1315~1295m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(6)第六步開挖及第五步支護(hù):左岸1270~1255m高程及右岸1275~1255m高程開挖模擬,左岸1300~1270m高程及右岸1295~1275m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(7)第七步開挖及第六步支護(hù):左岸1255~1225m高程及右岸1255~1225m高程開挖模擬,左岸1270~1255m高程及右岸1275~1255m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(8)第八步開挖及第七步支護(hù):左岸1225~1195m高程及右岸1225~1195m高程開挖模擬,左岸1255~1225m高程及右岸1255~1225m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(9)第九步開挖及第八步支護(hù):左岸1195~1165m高程及右岸1195~1165m高程開挖模擬,左岸1225~1195m高程及右岸1225~1195m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬;(10)第十步開挖及第九步支護(hù):左岸1165~1135m高程及右岸1165~1135m高程開挖模擬,左岸1195~1165m高程及右岸1195~1165m高程錨桿、錨索支護(hù)模擬。4邊坡開挖和彈性增強(qiáng)的有限分析以左岸邊坡為例4.1淺表層巖體變形規(guī)律邊坡在施工過程中,開挖面觀察點(diǎn)(如圖2所示)的變形規(guī)律如圖3所示。由圖3可知:(1)邊坡在開挖過程中,各開挖坡面上的變形以卸荷回彈變形為主,回彈變形的方向垂直向上,并略指向山體內(nèi)部。但在高高程坡段的開挖過程中,邊坡淺表層巖體產(chǎn)生較為明顯的塑性流動變形,塑性流動變形的方向指向臨空面方向。后繼坡段開挖產(chǎn)生的回彈變形將在一定程度上抵消高高程坡段產(chǎn)生的塑性流動變形。(2)邊坡各坡段在開挖過程中產(chǎn)生的變形增量與開挖量大小有關(guān),一般開挖量越大,邊坡的變形增量也越大。壩頂高程以上邊坡在開挖過程中的最大回彈變形出現(xiàn)在1270~1255m高程坡段上,邊坡大面開挖至壩頂高程時的最大變形約為161.5mm。(3)從變形隨開挖的變化過程來看,一是開挖引起的回彈變形范圍隨開挖逐級增大;二是各級邊坡開挖對鄰級邊坡變形的影響最為顯著,對較遠(yuǎn)坡段的影響逐步減弱。后繼邊坡開挖使開挖邊坡變形逐步增大,最終趨于平穩(wěn)。4.2高高程邊坡施工期穩(wěn)定性分析(1)采用逐層開挖逐層支護(hù)的施工程序,邊坡在開挖支護(hù)過程中,邊坡面基本上處于零拉應(yīng)力或雙向受壓狀態(tài),這種應(yīng)力狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定有利。邊坡馬道外緣可能殘留有分布范圍及量值均很小(小于0.1MPa)的拉應(yīng)力,但整體上對邊坡穩(wěn)定性影響不大。(2)邊坡開口線之外的淺表層巖體、特別是β6在自然坡面上的出露位置分布有范圍較大的拉應(yīng)力區(qū),表明需要對邊坡開口線之外的自然邊坡進(jìn)行適當(dāng)清坡,并輔以隨機(jī)錨索支護(hù),以確保高高程邊坡的施工期穩(wěn)定性。(3)邊坡開挖至壩頂高程時,邊坡面上的最大壓應(yīng)力為3.1MPa,出現(xiàn)在1135m高程邊坡坡腳處,邊坡開挖面附近的應(yīng)力水平總體不高。(4)不支護(hù)情況下,邊坡開挖面附近坡面的拉應(yīng)力區(qū)分布范圍及深度明顯增大,對邊坡穩(wěn)定性不利,表明錨固支護(hù)對于改善邊坡淺表層的應(yīng)力狀態(tài)具有重要作用。(5)V類巖體?值提高后,邊坡淺表層的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步改善。采用逐層開挖逐層支護(hù)的施工程序,邊坡淺表層的拉應(yīng)力區(qū)基本得到消除。4.3淺表層穩(wěn)定性(1)邊坡的塑性區(qū)主要沿V類巖體底部(或強(qiáng)風(fēng)化下限)及開挖坡面分布,并在部分剖面上呈貫通趨勢,表明邊坡淺表層穩(wěn)定性較為突出,且邊坡的安全裕度不大。(2)1300m高程以上邊坡的塑性區(qū)埋深較大,預(yù)應(yīng)力錨索的深度應(yīng)盡可能貫穿V類巖體,并插入IV類巖體一定深度,以限制邊坡在開挖過程中的塑性流動變形和塑性區(qū)擴(kuò)展。1300~1195m高程坡段的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)應(yīng)在邊坡開挖過程中及時跟上,以防邊坡出現(xiàn)局部失穩(wěn)。4.4預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡開挖過程中的應(yīng)力各坡段錨桿安裝完成時,錨桿的初始應(yīng)力為零,但通常在臨近2~3個坡段開挖時產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力增量,最大增幅約為40MPa。此后,隨著邊坡開挖及支護(hù)(尤其是預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù))的進(jìn)行,錨桿軸向拉應(yīng)力逐步趨于穩(wěn)定,表明錨桿在限制邊坡局部變形、提供邊坡局部穩(wěn)定性方面起到了良好作用。邊坡開挖至壩頂高程時,錨桿承擔(dān)的最大拉應(yīng)力不超過80MPa,最大剪應(yīng)力不超過60MPa。當(dāng)錨桿選用II級螺紋鋼時(屈服應(yīng)力310MPa),邊坡范圍沒有錨桿發(fā)生屈服現(xiàn)象。按100%初張拉考慮,1000kN級錨索在初張拉后的應(yīng)力約為1020MPa,1500kN級錨索在初張拉后的應(yīng)力約為1071MPa。不同坡段的預(yù)應(yīng)力錨索在后繼坡段邊坡開挖過程中的應(yīng)力變化規(guī)律不盡相同。高高程坡段(1360m高程以上)的錨索在后繼坡段邊坡開挖過程中,由于邊坡產(chǎn)生卸荷回彈先產(chǎn)生微小的應(yīng)力松弛,而后由于邊坡淺表層V類巖體產(chǎn)生塑性流動變形,錨索的軸向應(yīng)力逐步增大,并趨于穩(wěn)定,表明預(yù)應(yīng)力錨索在限制邊坡變形、改善邊坡的應(yīng)力狀態(tài)方面起到了良好作用。1360~1270m坡段的錨索在后繼邊坡開挖過程中其軸向應(yīng)力一般呈增大趨勢,但增幅不大。1270m高程以下坡段的錨索在后繼邊坡開挖過程中,其軸向應(yīng)力因邊坡產(chǎn)生卸荷回彈多表現(xiàn)為松弛,但預(yù)應(yīng)力松弛的幅度也不大。邊坡開挖至壩頂高程