聯合進水口開挖邊坡三維應力變形分析

姬永尚

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

新疆和田玉龍喀什水利樞紐工程位于玉龍喀什河干流中游河段上，是玉龍喀什河山區河段的控制性水利樞紐工程。水庫設計最大壩高233.5 m，正常蓄水位2 170.0 m，庫容5.28×108m3，電站裝機容量200 MW，屬大(Ⅱ)型Ⅱ等工程。主要建筑物由大壩(壩型為面板堆石壩)、泄水建筑物(表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放水沖沙洞)、引水發電系統等組成[1]。

表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放水沖沙洞和發電引水洞均布置在右岸，采用聯合進水口(圖1)。聯合進口邊坡開挖坡比為1∶0.3，每10 m設置一級馬道，每級馬道寬2.0 m，開挖高程范圍為2 044～2 240 m，最大開挖高度約200 m[1]。工程邊坡開挖范圍大、邊坡高，進行開挖邊坡三維應力變形分析非常必要。

圖1 右岸聯合進口開挖邊坡的三維地形擬合圖Fig.1 Three-dimensional terrain fitting figure of the excavation slope in the right bank joint import

1 邊坡基本地質條件

岸坡走向約350°，自然坡度45°～65°。岸坡基巖裸露，巖性為二云母石英片巖，強風化層厚2～3 m，風化裂隙發育，裂面上見有部分礦物風化蝕變，巖塊內部較為新鮮堅硬；弱風化層厚12～15 m，節理裂隙稍發育，多閉合，僅有鐵質浸染，風化蝕變礦物少見，錘擊聲清脆。巖體弱風化單軸飽和抗壓強度Rc=37.0 MPa，軟化系數0.63，微風化～新鮮單軸飽和抗壓強度Rc=45 MPa，軟化系數0.69，定性評價為中硬巖類。

二云母石英片巖為片理面結合牢固的薄層狀結構，弱風化層巖體體積節理數Jv=3～5條，對應的巖體完整性系數Kv=0.55～0.75，巖體縱波速度Vp=3 600～4 800 m/s，屬較完整巖類，局部較破碎；微風化層巖體體積節理數Jv=0.1～0.9條，縱波速度Vp=4 800～5 800 m/s，對應的巖體完整性系數Kv>0.75，屬較完整～完整巖類。

根據揭露該地層的鉆孔統計，弱風化層RQD值40%～73%，平均54%；微～新巖體RQD值平均值53%～92%，平均76%。

該段邊坡主要分布兩條平行次級斷層f1和f2，產狀300°～320°NE∠65°～75°，順坡延伸，陡傾坡內，f1斷層破碎帶寬0.2～0.3 m，為小斷層；f2規模相對較大，斷層破碎帶寬2.0 m左右，帶內主要充填碎裂巖和糜棱巖，結構密實，中等膠結。

根據巖體的風化卸荷程度，巖石強度、巖體結構類型、巖體完整性和緊密程度等，對邊坡工程巖體質量分類：微風化二云母石英片巖為BⅢ1，弱風化二云母石英片巖為BⅢ2，弱卸荷帶為BⅣ，強風化及斷層破碎帶為Ⅴ。

2 開挖邊坡三維應力變形分析

為充分了解引水發電洞、2#深孔防空沖沙洞、中孔泄洪洞和表孔溢洪洞進口邊坡變形及穩定性情況，對聯合進水口邊坡進行建模型分析。

2.1 計算模型與計算條件

計算模型見圖2，計算網格見圖3。數值模型東西向X軸，指向東正；以南北向為Y軸，指向北為正；以豎直方向為正模型底部高程為1 950 m。三維模型尺寸400 m×500 m×400 m，數值模型包含的節點總數為28 541，四面體單元總數為156 207。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

圖3 計算網格劃分Fig.3 Compute grid partition

數值計算中，材料本構模型均采用彈塑性模型，強度準則為摩爾庫倫屈服準則。模型四周法向約束，底部固定約束，約束條件見圖4。計算根據地質報告確定，具體計算參數取值見表1。本次對聯合進口邊坡開挖過程分7級進行模擬分析，前3步為2#深孔防空沖沙洞和表孔溢洪洞進口邊坡開挖，后4步為引水發電洞和中孔泄洪洞進口邊坡開挖，開挖高程分別是：第一步開挖(2 200 m)、第二步開挖(2 170 m)、第三步開挖(2 150 m)、第四步開挖(2 114 m)、第五步開挖(2 094 m)、第六步開挖(2 064 m)、第七步開挖(2 044 m)。

圖4 模型約束條件Fig.4 Model constraints

表1 計算參數取值表Tab.1 Calculation parameter selection table

2.2 初始應力場模擬

初始應力條件下，邊坡最大、最小主應力云圖見圖5。由圖5可以看出，在自重作用下，邊坡體內部應力大小由表層向深部逐漸增大，且應力值基本為負值，表明邊坡體整體處于受壓應力狀態，符合邊坡實際應力分布規律。

圖5 自然邊坡最大最小主應力分布云圖Fig.5 Maximum-minimum principal stress distribution nephogram of the natural slope

2.3 邊坡開挖過程變形分析

前3步為2#深孔防空沖沙洞和表孔溢洪洞進口邊坡開挖，第四～第七步為開挖引水發電洞、中孔泄洪洞進口邊坡開挖。

2.3.1 2#深孔防空沖沙洞、表孔溢洪洞進口邊坡開挖過程模擬分析

2.3.1.1 邊坡開挖過程變形分布分析

根據模擬結果可知：①邊坡位移主要集中開口線頂部、開挖面底部和斷層在開挖面出露位置附近，符合一般規律；②X向(東西向)最大位移分別為3.68、8.62和8.93 mm，隨著邊坡開挖量值逐漸增大；③Y向(南北向)最大位移分別為3.12、9.05、10.24 mm；④Z向(東西向)最大位移分別為3.87、37.9和41.4 mm，最大位移位于斷層在開挖面出露位置附近；⑤典型剖面揭示斷層位置位移出現不連續且導致邊坡整體位移增大，但量值較小(約10 mm)。第三步開挖至2 150 m高程各向位移分布見圖6。

圖6 第三步開挖至2150m高程位移分布圖Fig.6 The displacement map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.1.2 邊坡開挖過程塑性區分布分析

根據模擬結果可知：①開挖過程中邊坡整體塑性區分布范圍較小；②塑性區主要在開挖邊坡高高程開口線附近和斷層附近，沒有形成大面積貫通塑性區，邊坡整體穩定性良好；③斷層在邊坡開挖面出露位置出現局部拉塑性區和剪切塑性區，開挖施工過程中應注重該部位的局部穩定問題。第三步開挖至2 150 m高程塑性區分布圖見圖7。

圖7 第三步開挖至2 150 m高程塑性區分布圖Fig.7 The plastic zone map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.2 引水發電洞、中孔泄洪洞邊坡開挖過程模擬分析

2.3.2.1 邊坡開挖過程變形分布分析

根據模擬結果可知：①引水發電洞進口邊坡開挖，主要表現為開挖過程的回彈位移，最大位移位于開挖底部高程，符合一般規律；②由于開挖量較小，中孔泄洪洞進口邊坡整體位移量值較小，最大Z向位移為4.32 mm，位于邊坡開挖底部高程；③引水發電洞、中孔泄洪洞進口邊坡開挖對上部邊坡變形影響較小，位移量值略有增大，不超過2 mm。第七步開挖至2 044 m高程各向位移分布見圖8。

圖8 第七步開挖至2 044 m高程位移分布圖Fig.8 The displacement map of seven step excavation to 2 044 m elevation

2.3.2.2 邊坡開挖過程塑性區分布分析

根據模擬結果可知：①開挖過程中邊坡整體塑性區分布范圍較小；②塑性區主要在開挖邊坡高高程開口線附近和斷層附近，沒有形成大面積貫通塑性區，邊坡整體穩定性良好；③斷層在邊坡開挖面出露位置出現局部拉塑性區和剪切塑性區，開挖施工過程中應注重該部位的局部穩定問題。第七步開挖至2 044 m高程塑性區分布圖見圖9。

圖9 第七步開挖至2 044 m高程塑性區分布圖Fig.9 The plastic zone map of seven step excavation to 2 044 m elevation

3 結 語

1) 根據巖體的風化卸荷程度、巖石強度、巖體結構類型、巖體完整性和緊密程度等，對邊坡工程巖體質量分類：微風化二云母石英片巖為BⅢ1，弱風化二云母石英片巖為BⅢ2，弱卸荷帶為BⅣ，強風化及斷層破碎帶為Ⅴ。

2) 邊坡開挖過程變形主要表現為開挖卸荷后的回彈位移，量值均不大，最大位移42.1 mm。

3) 開挖過程中邊坡整體塑性區分布范圍較小，塑性區主要在開挖邊坡高高程開口線附近和接近斷層地表出露位置附近，沒有形成大面積貫通塑性區，邊坡整體穩定性良好。

4) 斷層在開挖面出露時會導致該區域附近變形量值增大，局部塑性區增多，施工過程中應注重該區域的局部穩定性問題。