沙壩水電站高邊坡卸荷過程數(shù)值仿真*

王亮清 梁 燁 吳 瓊 唐輝明

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 武漢 430074)

巖體邊坡的形成過程,實際上是巖體中應(yīng)力-應(yīng)變不斷調(diào)整演化的過程.卸荷巖體力學(xué)的動態(tài)數(shù)值仿真方法能反映巖體在卸荷過程中參數(shù)的弱化[1-7],計算應(yīng)力場與位移場比較接近實際[8-11].擬建沙壩水電站廠房位于河床右岸,距壩軸線約290 m,受地形、地質(zhì)條件影響,廠房后緣為一電站主廠房基坑開挖后,將形成101 m高的順向巖質(zhì)高陡邊坡,直接威脅廠房安全.為保證電站的施工安全與正常運營,研究邊坡在形成過程中應(yīng)力場與位移場的空間變化是十分必要的.

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

貴州省務(wù)川縣沙壩水電站位于烏江水系一級支流洪渡河中游豐樂河上.邊坡區(qū)位于豐樂向斜核部轉(zhuǎn)折端偏東翼部位,巖層為單斜構(gòu)造,層面產(chǎn)狀為278°～ 283°∠49°～ 53°.該壩址區(qū)節(jié)理裂隙不太發(fā)育,臨空面方向的結(jié)構(gòu)面主要為層面.邊坡區(qū)出露的地層為二疊系上統(tǒng)長興—吳家坪組)與第四系殘坡積物組成.長興—吳家坪組的主要巖性為灰-深灰色中至厚層燧石條帶灰?guī)r,泥頁巖夾煤層,灰-深灰色中至厚層燧石結(jié)核灰?guī)r.第四系殘坡積物由碎石土組成(Qel+dl).根據(jù)勘探資料分析,層面見夾泥嚴(yán)重,抗滑穩(wěn)定差,是控制邊坡穩(wěn)定的主要滑動面.

2 模型的建立與計算參數(shù)的選擇

根據(jù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析與優(yōu)化設(shè)計成果研究,該邊坡的設(shè)計安全邊坡角為50°.根據(jù)邊坡區(qū)工程地質(zhì)條件調(diào)查與分析,綜合考慮巖性特征、風(fēng)化程度與物理力學(xué)性質(zhì),將計算區(qū)的材料分為4層,分別為殘坡積物(Qel+dl)、軟弱夾層(NJ)、長興—吳家坪組強風(fēng)化巖層、長興—吳家坪組中風(fēng)化巖層.為了探討邊坡卸荷過程,本文選擇典型剖面建立地質(zhì)模型(見圖1),模型左右邊界分別取為河床及分水嶺位置,底邊界取至河床以下35 m,計算剖面長度250 m.

計算剖面取厚度為1 m,左右側(cè)邊界為橫向約束邊界,底側(cè)為固定約束邊界,這樣可將計算問題轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題.模型采用四邊形等參單元.分別對各個單元進行網(wǎng)格自動剖分,共剖分1 964個單元,2 047個節(jié)點,所得網(wǎng)格及相關(guān)約束條件如圖2所示.根據(jù)地質(zhì)體的物理力學(xué)特性及受力狀況,將該邊坡視為理想彈塑性體,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從彈塑性本構(gòu)關(guān)系.滑體物理模型采用彈塑性分析中常用的應(yīng)變增量理論為基礎(chǔ)的非線性平面應(yīng)變彈塑Mohr-Coulomb模型.破壞判據(jù)采用Drucker-Prager塑性屈服準(zhǔn)則.

圖1 典型剖面地質(zhì)模型

圖2 50°坡角開挖時的計算網(wǎng)格

參數(shù)選擇是模型的關(guān)鍵.根據(jù)考察報告、工程地質(zhì)類比分析與參數(shù)敏感性分析,綜合確定邊坡區(qū)4種巖土材料的計算參數(shù)見表1.

表1 計算參數(shù)

3 卸荷過程動態(tài)數(shù)值仿真

卸荷過程數(shù)值仿真的關(guān)鍵是確定強卸荷區(qū)、弱卸荷區(qū)與非卸荷區(qū)的空間發(fā)布及各卸荷區(qū)的物理力學(xué)參數(shù).本文在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合邊坡區(qū)的地質(zhì)資料與勘察報告,將卸荷區(qū)劃分為強、弱與非卸荷區(qū).具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為,當(dāng)卸荷百分比大于70%時,為強卸荷區(qū);當(dāng)卸荷百分比為30～70%時為若卸荷區(qū);當(dāng)卸荷百分比小于30%時為弱卸荷區(qū).根據(jù)卸荷過程動態(tài)數(shù)值仿真的基本步驟,可得第二級開挖、第四級開挖與第五級開挖卸荷后卸荷區(qū)分布圖(圖3),并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)外試驗資料與勘察報告估算巖土體不同卸荷區(qū)的計算參數(shù)(表2).

由圖3可知,第二級開挖后,將其應(yīng)力場與初始應(yīng)力場進行比較,可見開挖下邊界處巖體卸荷最為嚴(yán)重,卸荷百分比約為70%左右,坡頂至坡面表層以及坡腳處巖體卸荷百分比為30%～40%,卸荷程度較小,其余巖體應(yīng)力場受一級開挖影響不大,卸荷百分比小于10%.第四級開挖后卸荷區(qū)已發(fā)生擴展,強卸荷區(qū)擴展至開挖線底層及坡面表層巖體,弱卸荷區(qū)向坡體內(nèi)擴展,呈與坡面近平行的條帶狀分布,非卸荷區(qū)范圍縮小.第五級開挖后卸荷區(qū)進一步發(fā)生調(diào)整,開挖線底部的強卸荷區(qū)擴展至模型底邊界,弱卸荷區(qū)范圍變化不大,總體上說,第五級開挖對卸荷區(qū)范圍的影響較前兩級開挖小.第五級開挖后總位移、x方向位移、xy平面應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征與相應(yīng)的傳統(tǒng)方法計算結(jié)果進行對比,見圖4～圖7與表3.

圖3 分級開挖后巖體卸荷分區(qū)

表2 各卸荷區(qū)的參數(shù)取值

表3 兩種方法數(shù)值仿真結(jié)果對比

圖4 2種方法總位移等值線圖對比圖

圖5 2種方法x方向位移等值線圖對比圖

從表3,圖4和圖5可知,第五級開挖完成后邊坡坡頂處位移最大,方向指向臨空面.圖4 b)和圖5 b)傳統(tǒng)方法模擬結(jié)果中總位移為0.041 25 m,x方向位移為0.013 47 m,從坡頂?shù)狡麦w內(nèi)部位移量值相差不大,而圖4 a)和圖5 a)模擬結(jié)果中坡頂處最大位移達到0.238 85 m,x方向最大位移0.226 13 m,遠遠大于坡體內(nèi)部和坡面的位移,從定性的角度分析,邊坡坡頂表層為殘坡積物,其強度遠遠小于坡體的灰?guī)r,在卸荷的作用下,如不進行支護很有可能發(fā)生滑塌現(xiàn)象,圖4 a)和圖5 a)由于考慮了開挖對坡頂殘坡積物的卸荷作用,其結(jié)果更加符合實際情況.

圖6 2種方法xy平面剪應(yīng)力等值線圖對比圖

圖7 2種方法xy平面塑性剪應(yīng)變等值線圖對比

對比圖6 a)和b)可知,傳統(tǒng)方法平面剪應(yīng)力最大值為0.732 78 MPa,在軟弱夾層和中風(fēng)化灰?guī)r接觸的部位剪應(yīng)力出現(xiàn)異常,而卸荷巖體力學(xué)方法模擬得到的平面剪應(yīng)力最大值為0.647 6 MPa,其結(jié)果相對比較理想.圖7為開挖后巖體塑性應(yīng)變等值線圖,結(jié)果表明,整個邊坡整體破壞的可能性很小,只在坡頂處形成了塑性區(qū),應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施.傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果只在坡頂殘坡積物靠近坡面的小部分形成了較大的塑性變形,最大值塑性應(yīng)變?yōu)?.003 63;卸荷巖體力學(xué)方法得到的結(jié)果除上述位置外,在殘坡積物與強風(fēng)化灰?guī)r的界面以及強風(fēng)化灰?guī)r與中風(fēng)化灰?guī)r的界面處都產(chǎn)生了較大的塑性應(yīng)變,其最大值為0.037 19.可見在邊坡開挖過程中一定要進行支護,否則,坡頂部位可能產(chǎn)生垮塌現(xiàn)象.

4 結(jié)束語

綜上所述,在邊坡開挖的過程中,卸荷巖體的范圍及卸荷程度在動態(tài)的發(fā)生變化,因而邊坡巖體力學(xué)參數(shù)也在發(fā)生動態(tài)的變化,傳統(tǒng)方法在開挖過程中巖體參數(shù)固定不變,與實際情況存在一定差異,因此,從卸荷巖體力學(xué)觀點采用動態(tài)數(shù)值仿真的方法可以反映邊坡開挖卸荷過程中的地質(zhì)-力學(xué)響應(yīng),其結(jié)果與工程地質(zhì)定性分析結(jié)果比較吻合,更加符合實際情況.該研究成果為高邊坡優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù).

[1]王瑞紅,李建林,蔣昱州,等.考慮巖體開挖卸荷邊坡巖體質(zhì)量評價[J].巖土力學(xué).2008,29(10):2 741-2 746.

[2]哈秋聆,李建林.巖石邊坡卸荷巖體宏觀力學(xué)參數(shù)研究[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.

[3]周火明,盛 謙,李維樹,等.三峽船閘邊坡卸荷擾動區(qū)范圍及巖體力學(xué)性質(zhì)弱化程度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(7):1 078-1 081.

[4]石安池,徐衛(wèi)亞,張貴科.三峽工程永久船閘高邊坡巖體卸荷松弛特征研究[J].巖土力學(xué),2006,27(5):723-729.

[5]哈秋舲.三峽工程永久船閘陡高邊坡各向異性卸荷巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(5):603-618.

[6]周火明,盛 謙,李維樹,等.三峽船閘邊坡卸荷擾動區(qū)范圍及巖體力學(xué)性質(zhì)弱化程度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(7):1 078-1 081.

[7]任光明,巨廣宏,聶德新.斜坡巖體卸荷分帶量化研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,30(4):335-338.

[8]李建林.卸荷巖體力學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[9]周 華,王國進,傅少君,等.小灣拱壩壩基開挖卸荷松弛效應(yīng)的有限元分析[J].巖土力學(xué),2009,30(4):1 175-1 180.

[10]黃潤秋,林 峰,陳德基,等.巖質(zhì)高邊坡卸荷帶形成及其工程性狀研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2001,9(3):227-232.

[11]張永興,哈秋舲.三峽工程永久船閘陡高邊坡巖體卸荷非線性力學(xué)分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,1997,19(2):72-79.