開挖擾動(dòng)下石橋水電站右壩肩蝕變巖邊坡穩(wěn)定性研究

任起峰

（遼寧省湯河水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧遼陽111000）

1 工程背景

石橋水電站是遼寧丹東鳳城市東湯鎮(zhèn)石橋村紅旗溝境內(nèi)愛河下游干流上的重要水利樞紐工程，也是鳳城市進(jìn)行農(nóng)村水電電氣化縣建設(shè)的重要項(xiàng)目[1]。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，石橋水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，設(shè)計(jì)庫容3 664 萬m3，裝機(jī)容量9 600 kW，為鳳城市投資額最大的水利水電項(xiàng)目[2]。電站大壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高為34.35 m，壩頂寬7.00 m，坡比為1∶0.7。大壩右岸分布有發(fā)育比較廣泛的小斷層、韌性剪切帶和6 條主要的蝕變帶。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，蝕變帶主要表現(xiàn)為風(fēng)化蝕變，結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度明顯降低，在右岸壩肩邊坡開挖過程中，必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為開挖施工設(shè)計(jì)提供必要的支撐。

2 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型的構(gòu)建

選擇ANSYS 建立有限元邊坡模型的構(gòu)建[3]。為了使邊界效應(yīng)對(duì)研究結(jié)果的影響降到最低，同時(shí)盡量減少模型的計(jì)算量，研究中選擇大壩軸線上游40.00 m 為西側(cè)邊界，將9 號(hào)沖溝以下50.00 m作為東側(cè)邊界，北側(cè)邊界為左岸岸坡，南側(cè)邊界為大壩右岸最高山脊部位[4]。模型構(gòu)建過程中按照坡比1∶1.0 選擇計(jì)算范圍，邊坡的高度為80.00 m，長(zhǎng)度為160.00 m。以順河方向?yàn)閄軸正方向，以壩軸線指向右側(cè)的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。利用Mohr-Coulumb 模型對(duì)巖土體的彈塑性變形特征進(jìn)行模擬[5]。對(duì)構(gòu)建的模型采用六面體8 節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格剖分，對(duì)岸坡局部網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終生成534 567 個(gè)網(wǎng)格單元，101 876 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)[6]。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在ANSYS 有限元軟件中，提供了涵蓋壓力、溫度、速度、位移等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[7]。結(jié)合此次研究的目的及研究對(duì)象的特點(diǎn)，選擇位移和應(yīng)力邊界條件。有限元模型的邊界位移約束施加于各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)：在模型的底部節(jié)點(diǎn)施加全位移約束；在模型的左邊界以及右邊界纜機(jī)以下部位施加X向位移約束；其余部位為自由邊界條件[8]。研究斷面部位的山體坡度較大，地表被厚度不等的殘積礫石土覆蓋，上覆植被，邊坡內(nèi)部存在數(shù)條寬度不等的斷層破碎帶，山體的巖性以安山玢巖為主。結(jié)合相關(guān)資料和試驗(yàn)結(jié)果，采用表1 所示的計(jì)算材料物理力學(xué)參數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)天然狀態(tài)和邊坡開挖之后的最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移量、塑性區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知：

1）應(yīng)力場(chǎng)。大壩右岸壩肩邊坡的最大主應(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)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；邊坡開挖后，最大主應(yīng)力的分布和變化特征與天然狀態(tài)接近，主要表現(xiàn)為隨著高程的降低而不斷增加，且條帶化特征顯著。由于邊坡開挖造成的卸荷作用影響，巖體應(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)向巖體深部轉(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。

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，巖體內(nèi)部應(yīng)力逐步得到釋放，并表現(xiàn)為剪應(yīng)力值逐漸減小，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。

2）位移。利用構(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，由計(jì)算結(jié)果可知，在天然工況下，邊坡的位移量較大，特別是邊坡內(nèi)部的蝕變體附近，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。從位移量的絕對(duì)數(shù)值來看，并不會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成顯著的影響。

3）塑性區(qū)。大壩右壩肩邊坡的塑性區(qū)主要表現(xiàn)為剪切破壞，主要分布在蝕變體周圍。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)，僅有蝕變體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。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，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。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)措施后再進(jìn)入下一步開挖施工。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)論

壩肩邊坡的穩(wěn)定是壩體整體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。遼寧省石橋水電站右岸壩肩邊坡存在工程性質(zhì)較差的蝕變巖體，對(duì)壩肩邊坡的穩(wěn)定性存在重要影響。此次研究，通過構(gòu)建三維有限元模型，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)該處蝕變巖體邊坡開挖條件下的穩(wěn)定進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，開挖施工之后，邊坡整體穩(wěn)定，但是在開挖平臺(tái)底部出現(xiàn)了新的剪切破壞塑性區(qū)，且和該部位的蝕變體貫通，容易造成邊坡的失穩(wěn)破壞，建議強(qiáng)化對(duì)該部位的支護(hù)措施，保證施工的安全進(jìn)行。