庫區(qū)不良地質(zhì)高陡邊坡施工期穩(wěn)定性分析

李祖榮

(江西省玉山縣王宅水庫管理局，江西 玉山 334700)

1 工程背景

某水庫是一座以防洪為主、兼具供水功能的多年調(diào)節(jié)型水庫，設(shè)計(jì)庫容為3 042×104m3。水庫為典型的高山峽谷型水庫，兩岸的山勢(shì)陡峭，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。特別是庫區(qū)左岸距離壩址200～400 m的區(qū)域存在較多的斷層、層內(nèi)和層間錯(cuò)動(dòng)帶、原生和構(gòu)造裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造，在工程建成運(yùn)行期間，受到庫水升降和滲流作用的影響，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，對(duì)水庫的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[1]。經(jīng)分析研究，擬對(duì)該邊坡進(jìn)行開挖加固，所得石料用于堆石壩建設(shè)。為了便于施工以及提高施工的安全性，開挖工作分3步完成。由于邊坡受到開挖施工擾動(dòng)，會(huì)誘發(fā)比較復(fù)雜的應(yīng)力變形，因此針對(duì)該段岸坡在施工擾動(dòng)條件下的穩(wěn)定性研究具有重要價(jià)值，可以為開挖加固方案設(shè)計(jì)提供必要的理論支持。

2 岸坡三維有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

根據(jù)對(duì)研究區(qū)岸坡的野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及工程設(shè)計(jì)資料的整理和分析，得到岸坡內(nèi)部空間分布情況，進(jìn)而建立有限元計(jì)算模型[2]。該模型的海拔高程差為450 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的海拔高程分別為137和587 m，順河谷向長(zhǎng)度為340 m，寬度為270 m。在岸坡內(nèi)部分布有兩條較大的斜切帶，岸坡表層分布有兩個(gè)大規(guī)模的碎裂松動(dòng)巖體。從岸坡的地質(zhì)巖性來看，主要為二疊紀(jì)玄武巖，自上而下分別為碎裂松動(dòng)巖體，強(qiáng)卸荷巖體、弱卸荷巖體以及微新巖體。

研究中，利用ANSYS三維有限元軟件進(jìn)行岸坡計(jì)算模型的構(gòu)建[3]。模型以壩軸線指向左岸的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直于X軸指向下游的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。模型在X軸和Y軸方向的寬度分別為340和270 m，Z軸方向的高度為450 m。在模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇四面體和六面體組合單元并進(jìn)行局部加密處理，最終獲得114 567個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)、543 465個(gè)網(wǎng)格單元[4]。有限元模型的示意圖見圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)和約束條件

本文選擇的有限元軟件可以提供多種不同形式的模型邊界條件，可以充分滿足不同用戶的研究需要[5]。結(jié)合本次研究的目的以及研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，選擇位移和應(yīng)力邊界條件[6]。因此，模型的X軸方向的兩側(cè)需要施加應(yīng)力邊界條件；Y軸方向的兩個(gè)側(cè)面與模型的底面施加法向約束條件；模型的上部為自由邊界條件；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料確定初始應(yīng)力場(chǎng)[7]。在工程建設(shè)過程中，由于受到施工擾動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造的雙重作用，會(huì)形成比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在研究中不僅需要考慮岸坡的自重應(yīng)力和內(nèi)部構(gòu)造的作用，還應(yīng)該考慮施工擾動(dòng)的影響[8]。

鑒于模型的物理力學(xué)參數(shù)會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成顯著影響，研究中結(jié)合相關(guān)資料和試驗(yàn)結(jié)果，采用表1所示的計(jì)算材料體物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查顯示，該處高邊坡的D-3剖面內(nèi)部分布有5個(gè)潛在的滑動(dòng)面，并有較多的破碎巖體分布，在開挖擾動(dòng)作用下，邊坡極易沿著上述滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞。因此，為了降低模擬計(jì)算的復(fù)雜性，研究中以該斷面為典型斷面，對(duì)開挖擾動(dòng)下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)天然狀態(tài)和開挖之后的最大主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，最大主應(yīng)力分布云圖見圖2。由圖2(a)可知，在自然狀態(tài)下，邊坡的最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，僅在坡表面的部分區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力。其中，坡表的最大主應(yīng)力值為0.15 MPa，邊坡巖體深部的最大主應(yīng)力值為-14.1 MPa。從最大主應(yīng)力的分布特征來看，呈現(xiàn)出條帶化增加的態(tài)勢(shì)，并在河谷底部的部位呈現(xiàn)出比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖2(b)可知，在邊坡開挖之后，最大主應(yīng)力的分布和變化特征與天然狀態(tài)比較接近，主要表現(xiàn)為隨著高程的降低而不斷增加，且條帶化特征比較顯著。此外，由于邊坡開挖造成的卸荷作用的影響，巖體的應(yīng)力在開挖平臺(tái)的底部部位進(jìn)行釋放，表現(xiàn)為最大主應(yīng)力值的減小，同時(shí)向巖體的深部逐漸轉(zhuǎn)移，而河谷底部出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象并沒有隨著開挖的進(jìn)行有較大的變化。

圖2 開挖前后最大主應(yīng)力云圖

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)天然狀態(tài)和邊坡開挖之后的剪應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，最大剪應(yīng)力分布云圖見圖3。由圖3可知，邊坡的剪應(yīng)力主要表現(xiàn)為邊坡頂部的應(yīng)力集中和巖體深部的應(yīng)力集中，而邊坡深部的剪應(yīng)力集中主要是受到該部位的蝕變體的影響，剪應(yīng)力的值約為0.5 MPa。隨著邊坡開挖卸荷的作用，巖體的內(nèi)部的應(yīng)力逐步得到釋放，并表現(xiàn)為剪應(yīng)力值的逐漸減小，但是剪應(yīng)力的分布特征較自然狀態(tài)下并無明顯的變化[9-12]。

圖3 開挖前后剪應(yīng)力云圖

3.2 位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)天然狀態(tài)和邊坡開挖之后的邊坡位移量進(jìn)行模擬計(jì)算，邊坡位移云圖見圖4。由圖4可知，在天然工況下，邊坡的位移量較大，特別是邊坡內(nèi)部的破碎帶附近，位移量可達(dá)20 mm左右，其坡表的出露部位也達(dá)到10 cm左右。隨著邊坡開挖的進(jìn)行，由于開挖卸荷的作用，巖體發(fā)生一定的回彈變形。同時(shí)，在開挖平臺(tái)和坡面交接的部位，分布有圈狀位移區(qū)，最大位移量約1.73 mm左右。從位移量的絕對(duì)數(shù)值來看，并不會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成比較顯著的影響。

3.3 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)天然狀態(tài)和邊坡開挖之后的邊坡塑性區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，邊坡塑性區(qū)云圖見圖5。由圖5可知，在天然狀態(tài)下，大壩右壩肩的邊坡的塑性區(qū)主要表現(xiàn)為剪切破壞，主要分布在破碎帶周圍。此外，在強(qiáng)弱卸荷界面的部分部位有拉-剪破壞塑性區(qū)分布。從塑性區(qū)的分布特征上看，由于其分布并沒有貫穿前緣坡體，因此邊坡在天然狀態(tài)下處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，僅有破碎帶與坡表的交接部位可能會(huì)出現(xiàn)小范圍的變形破壞現(xiàn)象。在開挖之后的情況來看，邊坡上部的巖體由于開挖卸荷的回彈作用影響，該部位的塑性區(qū)范圍有所減小，但是在開挖平臺(tái)底部出現(xiàn)了新的剪切破壞塑性區(qū)，且塑性區(qū)已經(jīng)和該部位的蝕變體貫通，造成局部巖體的穩(wěn)定性大幅降低，中上部的巖體極有可能沿著強(qiáng)弱卸荷界面在該部位剪出，進(jìn)而造成邊坡的失穩(wěn)破壞。因此，為了保證邊坡的安全穩(wěn)定，建議在開挖完畢之后對(duì)開挖段的巖體實(shí)施必要的支護(hù)措施，然后再進(jìn)入下一步的開挖施工。

圖4 開挖前后位移云圖

圖5 開挖前后塑性區(qū)分布圖

4 結(jié) 論

在水利工程建設(shè)中，邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)乎施工安全和工程的穩(wěn)定運(yùn)行。本次研究以某水庫工程建設(shè)為例，對(duì)庫岸高邊坡開挖施工擾動(dòng)下的穩(wěn)定進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1) 邊坡開挖卸荷作用造成巖體的應(yīng)力在開挖平臺(tái)的底部部位進(jìn)行釋放，表現(xiàn)為最大主應(yīng)力值和剪應(yīng)力值的減小，但是其分布規(guī)律特別是河谷底部出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象并沒有隨著開挖的進(jìn)行而有較大的變化。

2) 邊坡開挖卸荷作用下，邊坡巖體發(fā)生一定的回彈變形；在開挖平臺(tái)和坡面交接的部位，分布有圈狀位移區(qū)，但是位移量的絕對(duì)數(shù)值不大，不會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成比較顯著的影響。

3) 邊坡開挖之后在開挖平臺(tái)底部出現(xiàn)了新的剪切破壞塑性區(qū)，且和該部位的蝕變體貫通，容易造成邊坡的失穩(wěn)破壞。建議在第一步開挖之后，對(duì)開挖段的巖體實(shí)施必要的支護(hù)措施，然后再進(jìn)入下一步的開挖施工。