某水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡加固方案優(yōu)化研究

黃宜勝，羅浩然，黃 強(qiáng)

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

某水電站泄洪洞進(jìn)口邊坡加固方案優(yōu)化研究

黃宜勝，羅浩然，黃 強(qiáng)

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

某水電站深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡為典型巖質(zhì)開(kāi)挖高邊坡，其在施工及運(yùn)行期的變形穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)工程的安全和效益。通過(guò)建立二維有限元模型，考慮邊坡在施工及運(yùn)行期會(huì)遇到及可能遇到的11種工況，對(duì)深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡典型剖面進(jìn)行變形穩(wěn)定性分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該邊坡的加固方案進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，邊坡變形滿足整體要求，錨索錨固傾角為5°時(shí)為最優(yōu)加固方案。

邊坡；變形；有限元；加固方案；優(yōu)化分析

0 引 言

在水電站建設(shè)中，高邊坡的變形穩(wěn)定及加固問(wèn)題一直備受重視。邊坡從開(kāi)挖開(kāi)始遇到的各種不同工況都會(huì)對(duì)邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)和受力情況產(chǎn)生影響。邊坡開(kāi)挖后，由于卸荷作用，坡體受到擾動(dòng)影響，巖體承載力下降，宏觀力學(xué)參數(shù)降低，安全系數(shù)減少。由于水電站泄洪洞邊坡的特殊性，除一般邊坡會(huì)遇到的各種工況外，還會(huì)受到庫(kù)水位升降帶來(lái)的影響。因此，有必要對(duì)泄洪洞邊坡在各個(gè)工況下的變形進(jìn)行計(jì)算分析，為邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固提供參考[1-7]。

作為現(xiàn)今高邊坡的主要加固方式，預(yù)應(yīng)力錨索因其能充分發(fā)揮和提高巖土體的強(qiáng)度、有效控制巖土體的變形而得到了廣泛的應(yīng)用[8]。預(yù)應(yīng)力錨索加固參數(shù)的確定直接影響其錨固效果。本文對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角這一敏感因素進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比不同錨固角度下的泄洪洞邊坡的變形情況，以期得到經(jīng)濟(jì)合理的邊坡加固方案。

1 工程概況

某水電站為控制性水庫(kù)電站工程，水庫(kù)正常蓄水位為2 865 m。深孔泄洪洞進(jìn)口布置在左岸壩線上游350 m處，進(jìn)水口底板高程2 805 m，開(kāi)挖高度達(dá)到285 m。水電站深孔泄洪洞典型邊坡開(kāi)挖剖面見(jiàn)圖1。邊坡開(kāi)挖后，邊坡應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，強(qiáng)卸荷區(qū)主要在開(kāi)挖面附近5 m左右，中卸荷區(qū)深度為5～15 m，弱卸荷區(qū)深度為15～30 m，之后才是比較完整的巖體。

圖1 深孔泄洪洞典型邊坡開(kāi)挖剖面(單位：m)

為對(duì)邊坡變形穩(wěn)定性和擬開(kāi)挖加固方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用有限元法，以ADINA為平臺(tái)建立深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡典型剖面的模型，對(duì)其進(jìn)行變形穩(wěn)定性分析，并對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化[9-10]。

2 二維有限元計(jì)算模型及工況

2.1 二維模型

計(jì)算模型中，Z方向?yàn)榇怪庇诨鶐r方向，向上為正，向下為負(fù)；Y方向?yàn)樗椒较颍蜃鬄樨?fù)，向右為正。模型底部為豎直向約束，左右向?yàn)樗较蚣s束。選取深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡典型縱剖面，邊坡開(kāi)挖方案為從上到下分11步開(kāi)挖。建立的計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 典型縱剖面計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)前期室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及工程類比法，確定巖體初始力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 巖體初始力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)邊坡開(kāi)挖的施工過(guò)程、巖體在開(kāi)挖后力學(xué)性能的變化、水庫(kù)運(yùn)行情況以及本剖面的具體特點(diǎn)等，選取施工及運(yùn)行期的11種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3.1 施工期

(1)天然工況(工況一)。主要分析邊坡在現(xiàn)今自然條件下(沒(méi)有工程措施)時(shí)的應(yīng)力狀況。

(2)開(kāi)挖工況(工況二)。按彈塑性有限元計(jì)算邊坡開(kāi)挖后未加固且不考慮巖體卸荷作用的工況。

(3)卸荷工況(工況三)。考慮邊坡開(kāi)挖后巖體卸荷、但未加固時(shí)邊坡的變形和應(yīng)力情況。研究巖體由于開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致質(zhì)量劣化、材料參數(shù)降低等巖體損傷時(shí)，如果不進(jìn)行支護(hù)，邊坡卸荷后產(chǎn)生的變形和應(yīng)力情況。此工況采用卸荷巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(4)加固工況(工況四)。在考慮卸荷的基礎(chǔ)上對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)的工況。采用“逐層開(kāi)挖逐層支護(hù)”的施工原則，擬采用的加固方案為：設(shè)置系統(tǒng)錨桿(錨桿φ28、L=6 m；φ32、L=9 m，間排距1.5 m×1.5 m，交替、交錯(cuò)布置)，設(shè)置錨索(1 500 kN，L=50 m，間排距4 m×4 m)。在ADINA中，選用Truss單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索和系統(tǒng)錨桿，采用線彈性模型。

(5)地震工況(工況五)。在巖體開(kāi)挖卸荷損傷的前提下，采用擬靜力法計(jì)算特定地震烈度下的邊坡穩(wěn)定性。此邊坡所在水電站壩址50年超概率10%基巖水平向峰值加速度為0.14g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度；100年超越概率2%基巖水平向峰值加速度為0.294g。本工況計(jì)算時(shí)，取地震加速度為0.05g(地震工況1)、0.10g(地震工況2)、0.15g(地震工況3)。

(6)暴雨工況(工況六)。分析降雨對(duì)邊坡變形的影響，主要考慮淺層巖體受雨水浸潤(rùn)后，巖體劣化帶來(lái)的變形。對(duì)受影響區(qū)域巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行弱化(10%～20%)后，容重達(dá)到飽和容重來(lái)進(jìn)行模擬。

2.3.2 運(yùn)行期

(1)蓄水工況(工況七)。分析加固后的邊坡在正常蓄水位下受庫(kù)水浸泡的變形和應(yīng)力情況。

(2)庫(kù)水驟降工況(工況八)。研究巖體卸荷加固后庫(kù)水從正常蓄水位降到進(jìn)水口底板高程以下時(shí)，邊坡的變形和應(yīng)力情況。

表2 計(jì)算結(jié)果

圖3 地震工況下邊坡塑性區(qū)

(3)蓄水暴雨工況(工況九)。模擬分析在正常蓄水位暴雨作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。

(4)蓄水地震工況(工況十)。模擬分析在正常蓄水位地震作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。本工況計(jì)算時(shí)，地震加速度取0.05g。

(5)蓄水暴雨地震工況(工況十一)。模擬分析在正常蓄水位暴雨地震作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。地震加速度取0.05g。

3 邊坡變形分析

選擇擬加固方案的錨索傾角為5°的加固方式對(duì)該邊坡進(jìn)行加固，并計(jì)算分析其在各工況下的邊坡變形穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，指向坡外的位移考慮卸荷比不考慮卸荷的要大；相比不加固，加固之后指向坡外的位移減小很明顯；地震工況下，隨著地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比較明顯，且隨著地震加速度的增大逐漸加快；蓄水工況下邊坡向坡外的位移變小，表明蓄水有利于邊坡的穩(wěn)定；庫(kù)水驟降工況下的位移增大；降雨工況下的位移較小。所有工況中，地震工況產(chǎn)生的位移最大。

地震工況下邊坡塑性區(qū)見(jiàn)圖3。從圖3可知，塑性區(qū)隨著地震加速度的增大有擴(kuò)展趨勢(shì)。其他工況只是在斷層處比較集中。

從表2可知，不考慮卸荷時(shí)，開(kāi)挖造成的邊坡最大水平向坡外位移為20.67 mm；考慮卸荷時(shí)，水平向坡外最大位移為22.57 mm。卸荷影響程度為9.2%。在不進(jìn)行加固的情況下，水平向坡外最大位移為22.57 mm；采取加固措施后，水平向坡外最大位移為13.37 mm。加固效果為40.8%，變形明顯減少，加固效果明顯，說(shuō)明加固方案可行。

總之，該邊坡在施工中應(yīng)考慮卸荷作用的影響。對(duì)邊坡采取一定的加固措施之后，邊坡的卸荷得到了很好的控制，變形減小。在地震工況下，隨著地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比較明顯，且隨著地震加速度的增大逐漸加快。相比而言，電站運(yùn)行后，在蓄水工況下的邊坡變形較小，庫(kù)水驟降對(duì)邊坡變形影響較大，應(yīng)適時(shí)注意變形的發(fā)展。從各工況的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，深孔泄洪洞進(jìn)口邊坡巖體沒(méi)有出現(xiàn)可能導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)的大變形與大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域。所有工況中，地震工況產(chǎn)生的位移最大，塑性區(qū)隨著地震加速度的增大有擴(kuò)展趨勢(shì)，其他工況只是在斷層處比較集中。各工況下塑性區(qū)未貫通，表現(xiàn)出較好的整體穩(wěn)定性。

表4 加固前后關(guān)鍵點(diǎn)水平位移 mm

4 加固優(yōu)化分析

4.1 錨固角度的確定原則

由GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，巖土體內(nèi)摩擦角的范圍為10°≤φ≤50°；對(duì)高邊坡的治理，根據(jù)實(shí)際情況，坡面角度一般為20°≤α≤80°；由土壓力極限平衡理論，水平面與滑動(dòng)面切向的角度在45°+φ/2與45°-φ/2之間。郭湧對(duì)錨索變角度加固技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了錨索最優(yōu)傾角的范圍為θ≤45°，可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到施工質(zhì)量最佳的目的[11]。

為了研究邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的加固效果，本文分別將預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角取為5°、15°、30°進(jìn)行計(jì)算分析。然后通過(guò)分析開(kāi)挖面上關(guān)鍵點(diǎn)(各點(diǎn)高程見(jiàn)表3，各點(diǎn)位置見(jiàn)圖4)加固前后水平位移變化程度Δμ來(lái)判別加固效果，從而選出最佳加固方案。

表3 開(kāi)挖面上關(guān)鍵點(diǎn)高程 m

圖4 開(kāi)挖面上關(guān)鍵點(diǎn)布置

4.2 錨固結(jié)果

不同錨索傾角下關(guān)鍵點(diǎn)水平位移隨開(kāi)挖時(shí)間步的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。圖中，水平向坡外位移為正。從圖5可知，錨索在3種傾角下，前一步開(kāi)挖對(duì)后一步開(kāi)挖面關(guān)鍵點(diǎn)的位移有影響，使得關(guān)鍵點(diǎn)朝坡外的位移變小，但影響不大。當(dāng)前開(kāi)挖加固后，水平向坡外的位移在之后的3個(gè)開(kāi)挖步內(nèi)會(huì)持續(xù)變小，這有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定。從整體趨勢(shì)來(lái)看，關(guān)鍵點(diǎn)的位移隨著加固的進(jìn)行逐漸變小，K1、K2位移相對(duì)于其他高程關(guān)鍵點(diǎn)小，說(shuō)明前2步開(kāi)挖巖體變形較小，而K3～K10變形均較大，為重點(diǎn)加固區(qū)域。

加固前后關(guān)鍵點(diǎn)水平位移見(jiàn)表4。從表4可知，隨著錨索傾角的增大，所有關(guān)鍵點(diǎn)的Δμ不斷減小，向坡外的位移不斷減小，說(shuō)明錨索傾角為5°時(shí)，加固效果最好；第2步開(kāi)挖由于靠近斷層，故加固之后甚至出現(xiàn)向坡外位移增大的現(xiàn)象，說(shuō)明斷層的存在對(duì)加固效果有負(fù)面的影響；第1～9步開(kāi)挖加固效果明顯；第10、11步相對(duì)位移有變小趨勢(shì)，原因在于這2步開(kāi)挖高度大、方量大，加固的效果有變小的趨勢(shì)。但總體而言，錨索的最優(yōu)加固方案應(yīng)選錨索傾角為5°的加固方式。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)二維有限元法對(duì)某水電站深孔泄洪洞進(jìn)水口邊坡典型坡面進(jìn)行了變形穩(wěn)定性分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)錨固方案進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

(1)坡面卸荷工況水平向坡外的位移大于開(kāi)挖工況位移，說(shuō)明卸荷導(dǎo)致巖體質(zhì)量劣化，卸荷效應(yīng)比較明顯。開(kāi)挖后，邊坡經(jīng)過(guò)加固，水平向坡外的位移減小，表明加固效果明顯。

(2)除復(fù)合工況外，地震工況產(chǎn)生的位移最大；庫(kù)水驟降對(duì)邊坡變形的影響僅次于地震作用。地震作用對(duì)邊坡塑形區(qū)分布影響明顯，水平相對(duì)位移都有所增大，施工及運(yùn)行期應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)塑性區(qū)集中的斷層處。

(3)比較不同錨索傾角下的加固效果，錨索傾角為5°的加固方案最優(yōu)。在實(shí)際施工中，可通過(guò)增大錨索參數(shù)或其他加固措施，以減小斷層帶來(lái)的負(fù)面影響。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)水平位移

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Reinforcement Optimization Analysis for the Intake Slope of a Deep Discharge Tunnel

HUANG Yisheng, LUO Haoran, HUANG Qiang

(College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The intake slope of deep discharge tunnel in a hydropower station is a typical high rock excavation slope. The deformation and stability of slope in construction and operation periods will influence the security and benefit of whole project. A 2-D finite element model is established to conduct deformation analyses of the slope. The model introduces 11 kinds of conditions which may be happened during either the construction period or the operation period. Based on analysis results, the reinforcement measures of slope are optimized. The calculation and analysis results show that the slope deformation meets the requirements of whole stability, and the optimal scheme of anchor cable is with a angle of 5 degree.

slope; deformation; finite element; reinforcement measure; optimization analysis

2016-07-13

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015CFB545)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201401029)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51439003)

黃宜勝(1978—)，男，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事巖體力學(xué)研究.

TU457

A

0559-9342(2016)12-0033-05