基于ansys的楔形體穩(wěn)定性計(jì)算程序的開發(fā)

基于ansys的楔形體穩(wěn)定性計(jì)算程序的開發(fā)

1幾何模型及分析剛體橫截面平衡法歷史悠久，被證明是分析邊坡穩(wěn)定性有用而可靠的方法之一。它具有明確的力學(xué)假設(shè)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以為工程中最受關(guān)注的穩(wěn)定性系數(shù)提供可靠的測(cè)試調(diào)整措施。它對(duì)鞏固邊坡和規(guī)范的應(yīng)用具有糾正措施。目前,二維剛體極限平衡分析已在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并已開發(fā)出一系列應(yīng)用軟件。然而,在巖質(zhì)邊坡中,巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞本質(zhì)上是一個(gè)空間問(wèn)題,其主要形式為由空間幾組結(jié)構(gòu)面和臨空面切割形成的巖塊(楔形體)發(fā)生失穩(wěn),這就要求根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)條件,快速準(zhǔn)確地判斷出可能失穩(wěn)塊體的形狀、規(guī)模、滑移邊界、穩(wěn)定性狀況并及時(shí)提出整治處理措施。針對(duì)楔形體穩(wěn)定性分析,石根華等人提出了塊體理論及DDA方法、,徐明毅等人提出了危險(xiǎn)塊石理論及荷載計(jì)算方法、,常用的分析方法包括赤平投影法、矢量分析法等。目前,國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出了一些關(guān)于楔形體穩(wěn)定性分析的計(jì)算機(jī)軟件,但在一些諸如復(fù)雜形狀塊體幾何建模、最危險(xiǎn)塊體搜尋等關(guān)鍵問(wèn)題上尚未得到有效解決。筆者結(jié)合塊體理論和剛體極限平衡理論,基于通用有限元分析軟件ANSYS的三維建模平臺(tái),以工作平面代替“軟弱結(jié)構(gòu)面”對(duì)邊坡進(jìn)行“切割”,簡(jiǎn)便快捷地建立任意復(fù)雜塊體的三維空間模型;同時(shí),結(jié)合VB語(yǔ)言的可視化編程功能,對(duì)原有楔形塊體穩(wěn)定性分析方法作了改進(jìn)和完善,開發(fā)出了一套計(jì)算分析功能較為完備的楔形體穩(wěn)定性計(jì)算程序,并以西部某水電站進(jìn)水口邊坡為研究背景,考慮了塊體的自重、錨固力、水的滲流作用及地震作用力等荷載作用,開展了巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析,提出了合理的加固處理措施。23d剛性計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)的三維性質(zhì)2.1斜坡坡度和底板高程某水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上,電站壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2km河段,水庫(kù)正常蓄水位高程2865m。右岸進(jìn)水口部位斜坡總體走向?yàn)镾10°W,其中進(jìn)水口底板以下斜坡坡度一般為40°～50°,進(jìn)水口底板以上斜坡坡度相對(duì)較緩,一般為30°～35°,底板高程為2763m。進(jìn)水口邊坡主要發(fā)育有斷層f10、f34-1、f34-2、f34-7、f34-8,邊坡巖體中主要發(fā)育7組優(yōu)勢(shì)裂隙:①N55°～90°W/NE∠55°～85°、②N55°～90°W/SW∠55°～85°、③N0°～30°E/SE∠70°～85°、④N0°～30°E/NW∠70°～85°、⑤N0°～30°E/SE∠5°～35°、⑥N0°～30°E/SE∠40°～60°、⑦N0°～35°W/NE∠5°～30°,其中斷層f10、f34-3、f34-4及優(yōu)勢(shì)裂隙①、③、⑤是控制性軟弱結(jié)構(gòu)面。2.2工程邊坡三維剛體極限平衡模型為研究進(jìn)水口工程邊坡在空間的穩(wěn)定性,根據(jù)進(jìn)水口邊坡的地形地貌及開挖后的邊坡形態(tài),建立了進(jìn)水口工程邊坡三維剛體極限平衡模型(圖1),以進(jìn)水口工程邊坡與底板交界面中心為界,X方向:向河谷延伸237m,向邊坡山體延伸309m;Y方向:向上游延伸447m,向下游延伸523m;Z方向:與X和Y垂直,鉛直向上,底部取至2400m,上部取至地表,最大高差770m。2.3抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)確定在基于三維剛體極限平衡法的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中,巖體物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)巖體工程分類標(biāo)準(zhǔn)建議的力學(xué)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)確定(表1);優(yōu)勢(shì)裂隙力學(xué)參數(shù)和連通率由設(shè)計(jì)參數(shù)確定(表2)。邊坡所發(fā)育的f34-1、f34-2等斷層屬于巖塊巖屑型結(jié)構(gòu)面;在抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)中,摩擦系數(shù)f=0.47,凝聚力c=0.13MPa。而在正常運(yùn)行期,高程2865m以下邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面處于飽水狀態(tài),其容重采取飽和容重,抗剪斷強(qiáng)度的折減系數(shù)取0.8。3水流口前向的邊坡組合的穩(wěn)定性分析3.1進(jìn)水口工程邊坡荷載組合鑒于該水電站進(jìn)水口及開關(guān)站邊坡為Ⅰ級(jí)永久性邊坡,根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5353-2006,該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)持久狀況采用1.3～1.25,短暫狀況采用1.2～1.15,偶然狀況采用1.1～1.05。進(jìn)水口工程邊坡在不同工況下所受的荷載組合見(jiàn)表3,其中暴雨工況采用塊體高度折減法假設(shè)地下水位,折減系數(shù)K分別取1/2、2/3;地震荷載采用擬靜力法,水平向峰值加速度設(shè)計(jì)狀況采用0.137g,校核狀況采用0.1814g,地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取1/4。3.2隨機(jī)質(zhì)塊體組合模式結(jié)合進(jìn)水口工程邊坡區(qū)域地形地質(zhì)條件,考慮到邊坡結(jié)構(gòu)面眾多,主要為順坡向且結(jié)構(gòu)面傾角分布范圍較大,易形成空間滑動(dòng)塊體組合,進(jìn)水口洞臉邊坡坡面產(chǎn)狀為N7°W/NE∠53°(設(shè)計(jì)坡比1∶0.5),開挖坡高約258m,該區(qū)域主要發(fā)育有5組斷層和優(yōu)勢(shì)裂隙,分別為斷層f34-2、f34-3、f10和優(yōu)勢(shì)裂隙LX01、LX05。運(yùn)用赤平極射投影法分析其空間產(chǎn)狀(圖2)得知,斷層及優(yōu)勢(shì)裂隙形成4組可能滑動(dòng)體組合,即:①塊體1:f34-3與斷層f10、f34-3組合,交棱線傾角為46°,易發(fā)生滑移拉裂變形,產(chǎn)生小規(guī)?；?②塊體2:裂隙LX05與斷層f10、f34-2組合,交棱線傾角為27°,可能發(fā)生滑移拉裂變形;③塊體3:裂隙LX01與斷層f34-3組合,交棱線傾角為51°,可能發(fā)生滑移拉裂變形;④塊體4:裂隙LX01與裂隙LX05組合,交棱線傾角為27°,可能發(fā)生滑移拉裂變形。針對(duì)赤平極射投影法分析的結(jié)果,根據(jù)斷層f34-2、f34-3、優(yōu)勢(shì)裂隙LX01、LX05的空間產(chǎn)狀,結(jié)合進(jìn)水口邊坡開挖后的實(shí)際形狀,建立了隨機(jī)楔形體,楔形體以斷層f34-2作為后緣切割面,斷層f34-3、優(yōu)勢(shì)裂隙LX01為主要的滑動(dòng)面,而優(yōu)勢(shì)裂隙LX01由于傾角較陡,僅起切割面的作用。由于優(yōu)勢(shì)裂隙的位置不確定,計(jì)算中通過(guò)不斷改變優(yōu)勢(shì)裂隙的位置與斷層/裂隙進(jìn)行空間組合,獲得不同規(guī)模的滑動(dòng)塊體,通過(guò)三維剛體極限平衡法計(jì)算程序計(jì)算其安全系數(shù),從而確定最危險(xiǎn)的塊體組合模式,并對(duì)上述4種塊體組合進(jìn)行了分析,文中僅列出安全系數(shù)較小的塊體3和塊體4的計(jì)算成果。塊體3和4的計(jì)算模型見(jiàn)圖3,其幾何特征及安全系數(shù)成果分別見(jiàn)表4、5。3.3錨固措施的應(yīng)用一般來(lái)說(shuō),通過(guò)計(jì)算無(wú)支護(hù)條件下邊坡開挖中塊體組合穩(wěn)定性情況,用以確定相應(yīng)的錨固措施。由于塊體3的底滑面較陡,交棱線傾向與邊坡走向接近垂直,且交棱線傾角為51°,故其下滑力較大,計(jì)算所得塊體3在自重和暴雨工況的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求;而塊體4在各工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。塊體3和塊體4在進(jìn)水口邊坡大多數(shù)部分有重疊,故采用的錨固措施是:在進(jìn)水口邊坡2800～2900m高程設(shè)置2000kN全長(zhǎng)粘接式錨索,長(zhǎng)30～40m,間距5m×5m(平距×高差),傾角為-10°。完建期塊體3和塊體4的安全系數(shù)較無(wú)支護(hù)條件下有明顯的提高,均滿足規(guī)范要求;正常運(yùn)行期部分巖體和結(jié)構(gòu)面處于蓄水位以下,力學(xué)參數(shù)有所降低,塊體3和塊體4的安全系數(shù)較完建期有所降低,但仍滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果表明:所采取的錨固措施起到了明顯的作用,達(dá)到了預(yù)期效果;根據(jù)塊體高度折減法,采用K=1/2和2/3兩種折減系數(shù)在塊體上施加水壓力;無(wú)支護(hù)開挖條件下,水壓力對(duì)塊體穩(wěn)定性影響較大,塊體3的安全系數(shù)由自重工況下的1.2降到暴雨工況下的1.05、0.94,而加固后的水壓力對(duì)塊體3的穩(wěn)定性影響較小,塊體安全系數(shù)由自重工況下的1.53降到暴雨工況下的1.45、1.4,加固后水壓力對(duì)塊體4穩(wěn)定性影響較為明顯;采用K=1/2和2/3兩種折減系數(shù)下的塊體3安全系數(shù)差異不大,而塊體4的安全系數(shù)差異相對(duì)較大,這可能與塊體高度不同有關(guān)。4加固后塊體穩(wěn)定性分析(1)巖質(zhì)邊坡中軟弱結(jié)構(gòu)面是控制邊坡塊體穩(wěn)定的主要因素,準(zhǔn)確判斷出可能失穩(wěn)塊體的形狀、規(guī)模、滑移邊界、荷載組合是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。(2)進(jìn)水口邊坡巖體中,因斷層、裂隙發(fā)育,易形成不利的空間滑塊組合,計(jì)算分析表明:在未加固的情況下,塊體3由于底滑面較陡,且滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)較低,在自重和暴雨工況下安全系數(shù)不達(dá)標(biāo),需采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?塊體4底滑面相對(duì)較緩,且滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)相對(duì)較高,各工況下安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。(3)針對(duì)不利組合塊體3,在高程2800～2900m范圍設(shè)置全長(zhǎng)粘接式錨索(2000kN,長(zhǎng)30～40m,間距5m×5m,傾角為-10°)后,塊體3的安全系數(shù)得到顯著提高