基于ADINA的某水電站開關站邊坡穩定性分析

徐 晉，王志剛

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

基于ADINA的某水電站開關站邊坡穩定性分析

徐 晉，王志剛

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

結合實際工程現況，對邊坡的巖體穩定性、巖體結構面分級及巖體結構類型的劃分等進行了綜合分析；運用有限元軟件ADINA建立了三維彈塑性有限元模型，動態模擬邊坡的開挖加固過程，并就三種工況下的邊坡穩定性予以討論，模擬了加固過程；最后對邊坡穩定性進行定量分析。

邊坡；穩定性；有限元軟件ADINA，錨固；水電站

1　有限元ADINA軟件簡介

有限單元法是20世紀50年代之后隨著計算機的廣泛應用而發展起來的一種數值模擬計算方法。由于有限單元法的通用性和靈活性，適用于具有不規則幾何圖形和邊界條件比較復雜的連續介質問題，而這些問題用古典的或常規的分析方法在以往是很難解答的，因此有限單元法的發展極為迅速，并且在各向異性、非線性及與時間有關的材料等方面有著獨到之處。

2　工程地質基本情況

2.1地層巖性

開關站位于大理巖形成的層面坡上，自然坡度約35°～40°。上游側分布有厚約0～0.5 m的坡殘積堆積，植被較多。基巖巖性為深灰色中厚～厚層狀大理巖、條帶狀大理巖，夾綠片巖透鏡體，總體產狀N20°～40°E，NW∠30°～40°。除f13斷層從開關站后緣高程通過，以N50°E，SE∠70°產狀往山里延伸外，斷層、層間擠壓破碎帶不發育。前期地質調查和勘探揭示，場區自然岸坡中未發現變形跡象，自然岸坡整體穩定。圖1為開關站剖面布置圖，表1為巖體及結構面強度參數。

2.2滑動面確定

開挖邊坡中對開挖坡穩定起控制作用的主要結構面包括層間擠壓破碎帶、風化的綠片巖夾層、層面裂隙、淺表部的NE向卸荷裂隙。以層面裂隙或風化綠片巖夾層或層間擠壓破碎帶為底滑面，在此底滑面的不同位置作相互平行的陡傾節理（傾向和傾角固定）作為后緣滑面，然后驗算不同組合滑面的安全系數，得到最小安全系數的滑面。

圖1　開關站剖面布置圖

表1　巖體及結構面強度參數

3　邊坡穩定性分析

3.1模型的建立［2］

（1）材料模型：巖體和斷層均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，預應力錨索采用雙線性彈塑性本構。

（2）荷載條件：主要有地應力場、重力，同時考慮三種工況（正常工況、暴雨工況、地震工況）。

（3）邊界條件：平行邊坡走向界、垂直邊坡走向界和底部邊界分別取法向支座約束。

（4）單元類型：巖體和斷層采用三維四面體四節點的實體單元模擬，預應力錨索采用truss單元模擬。

3.2動態應力變形分析

3.2.1初始應力場分析

由于邊坡開挖量不大，且處于邊坡淺表卸荷松弛區，這種處理對結果影響相對較小，因而采用自重應力場來模擬初始應力是合理的。本文著重分析剖面（見圖2）。

圖2　剖面初始有效應力分布圖

邊坡在天然狀態下的初始地應力場符合一般初始應力場分布規律：地應力分布以垂直向分布為主，從地表向巖層深部豎向應力σz逐步增大，同時接近坡面處的最大主應力方向和坡面平行，最小主應力方向和坡面垂直。從圖2可以看出，由于斷層f13的作用，上下兩盤的應力分布呈現不連續狀態，斷層帶處的應力較小，兩側應力較大，斷層帶附近部分區域有應力集中現象。

3.2.2應力計算分析圖

邊坡開挖過程中有效應力云圖和壓應力云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3　第一步開挖下有效應力分布圖

圖4　第三步開挖下壓應力分布圖

（1）坡體在開挖時，其內部有效應力分布變化不大，在開挖面上存在略微減小，而在斷層f13附近應力出現明顯的界限，破壞了其連續性。

（2）施工工序采用逐層開挖，坡體表面近似處于低拉應力狀態。在開挖過程中，出現了拉應力，大小約為0.14 MPa。同時，邊坡開挖表面形成的拉應力區大多分布在開挖表面上緣及坡角，可能在施工過程中引起邊坡淺表局部破壞，需加強監測。

3.2.3位移變形分析

分析邊坡的1-1剖面在3種工況（天然工況﹑暴雨工況﹑地震工況）下的位移變化（見圖5～圖8）。

圖5　第二步開挖下水平向位移圖（天然工況）

圖6　第三步開挖下水平向位移圖（天然工況）

圖7　第三步開挖下水平向位移圖（暴雨工況）

圖8　第三步開挖下水平向位移圖（地震工況）

在開挖過程中最大變形出現的位置及量值見表2。

表2　坡體開挖過程中水平方向最大位移出現位置及量值

（1）開挖過程中邊坡水平向位移隨開挖工程的進行出現了增加的變化趨勢，這主要是由于臨空面的產生導致了邊坡向臨空方向產生位移。在開挖過程中，需要對其進行錨固監測。

（2）從變形在不同工況下的值來看：在天然工況下，最大水平方向位移量為1.563 cm；在暴雨工況下，最大水平方向位移量為1.689 cm；在地震工況下，最大水平方向位移量為1.839 cm。表3為各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移。

表3　各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移

4　邊坡加固方案

開挖加固方案為：采取以預應力錨索及錨桿支護措施和邊坡截、排水為主的方法。其中采用預應力錨索為2 000 kN，錨索深20～60 m，排間距5.0 m×5.0 m，梅花形長短交錯布置，錨固方向為垂直坡面。在一級邊坡安裝4根錨索，二級邊坡安裝7根錨索[3]。

5　邊坡加固后穩定性分析

邊坡在預應力錨索加固過程中的位置剖面圖、水平方向位移云圖、壓應力云圖如圖9～圖12所示。

圖9　1-1剖面預應力錨索圖

圖10　第三步開挖加固后水平方向位移分布

圖11　第二步開挖加固后壓應力分布圖

圖12　第三步開挖加固后壓應力分布圖

從圖9～圖12及表4可以得出以下結論。

（1）邊坡開挖加固后的位移變化特征

在支護條件下，邊坡每步開挖加固后水平方向位移分量的量值可見表4。

表4　1-1剖面開挖加固后邊坡坡面最大水平方向位移

（2）邊坡的應力分布特征

在預應力錨索加固條件下，邊坡應力變化不大，相比無支護工況，壓應力有所增加，應力集中現象也有所改善，并且在第三步開挖后出現的拉應力區已基本消失，限制了裂隙的發展，各加固狀態下相應開挖坡面的塑性區分布，增強了巖體的整體穩定性。

6　整體穩定性評價

（1）在本次有限元模型計算中，層間擠壓錯動帶、風化的綠片巖夾層未考慮在內，同時對部分節理裂隙進行了概化，與實際地質條件并不完全一致，計算結果與實際情況存在一定的出入，但基本能反應開挖邊坡的應力場、位移場及邊坡穩定狀況。通過三維有限元模擬計算在自重應力作用下的天然邊坡可知，初始應力場分布符合一般的應力分布規律，整體應力變形場穩定，邊坡整體穩定性較好，對邊坡開挖施工影響不大[4]。

（2）邊坡開挖之后，應力重新調整，在開挖面坡腳出現局部應力集中，且巖體拉應力區主要出現在各級邊坡的中上部和各級馬道部位，可能引起邊坡淺表局部破壞，但開挖邊坡的整體位移相對整個邊坡來說比較小。

（3）對邊坡提出如下加固措施：邊坡開挖形成的臨空面宜采用大量的錨索進行支護；考慮到施工及風化卸荷等因素的影響，不排除淺層破壞的可能，所以有必要加強坡面淺層防護，如坡面設計短錨桿及坡面噴射混凝土。

[1]孫廣忠.巖體結構力學[M].北京：科學出版社，1988.

[2]亞得科技有限公司.ADINA在土木交通工程中的應用[Z].北京：亞得科技有限公司，2004.

[3]謝建清，夏如伯.節理巖體中錨索加固作用分析[J].探礦工程，1998（3）：12-14.

[4]張永興.邊坡工程—理論與實踐最新發展[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

U417.1

B

1009-7716（2016）04-0185-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.057

2016-01-11

徐晉 (1985-),男,吉林磐石人，工程師，從事巖土工程勘察工作。