拱壩聯(lián)合壩肩巖體三維計(jì)算模型構(gòu)建

沈 輝，羅先啟，鄭安興，畢金鋒，翁永紅

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.長江水利委員會 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

1 引 言

拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性分析是一個(gè)受多種因素影響的地質(zhì)力學(xué)問題。通常需要在地質(zhì)勘探、現(xiàn)場調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)條件綜合分析建立地質(zhì)體的概念模型，通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬方法模擬地質(zhì)體力學(xué)環(huán)境演化的全過程，以達(dá)到預(yù)測分析的目的。

隨著理論分析的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在大型水利水電工程及巖土工程等領(lǐng)域，數(shù)值模擬方法以其高效低成本的特點(diǎn)，成為地質(zhì)力學(xué)問題分析的關(guān)鍵技術(shù)手段。從目前的研究情況來看，地勘資料的詳細(xì)程度及研究問題的不同，決定了數(shù)值模型的精細(xì)度及規(guī)模，也使得分析人員根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的建模及分析軟件[1]。由于地質(zhì)模型建立、空間單元?jiǎng)澐值惹疤幚砉ぷ鳠┈崳坏貌徊捎煤喕刭|(zhì)模型的做法，對工程建筑物近域地基中復(fù)雜的地質(zhì)條件以及壩址河谷兩岸實(shí)際地形的影響考慮較少。文獻(xiàn)[2]采用ANSYS建立拱壩及概化密集節(jié)理模型，探討密集節(jié)理對壩肩穩(wěn)定的影響問題；文獻(xiàn)[3]以大型通用有限元程序ADINA為計(jì)算平臺,對比分析壩肩邊坡卸荷后，不同地震加速度及不同錨固長度和錨固噸位在卸荷條件下關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力以及塑性區(qū)的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[4]采用考慮開挖過程的有限元強(qiáng)度折減法分析錦屏一級水電站左岸壩肩開挖邊坡在施工期的穩(wěn)定性。也有許多學(xué)者[1,5]將三維地學(xué)建模與數(shù)值模擬進(jìn)行耦合，讓數(shù)值模擬直接繼承和利用三維地質(zhì)詳細(xì)的地勘數(shù)據(jù)。但需要掌握三維地學(xué)建模系統(tǒng)的格式和算法，編制計(jì)算程序復(fù)雜，不利于推廣。

本文以烏東德超高拱壩壩肩穩(wěn)定性分析數(shù)值模型為例，對可研階段地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、二維地質(zhì)剖面和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取包括地形地貌、區(qū)域地層、斷層構(gòu)造、巖溶系統(tǒng)等自然地質(zhì)對象界限，以及開挖面、拱壩等人工對象邊界?；贖ypermesh軟件對各類對象進(jìn)行插值、擬合和幾何建模，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格參數(shù)交互調(diào)整功能以及獨(dú)立單元與節(jié)點(diǎn)的處理功能，建立拱壩聯(lián)合壩址區(qū)巖體的三維數(shù)值精細(xì)模型，為壩址區(qū)地應(yīng)力反演分析，壩體載荷、工程開挖等因素影響下壩肩穩(wěn)定性分析提供了良好的分析平臺。

2 工程地質(zhì)概況

烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為988 m，壩底高程為723 m，最大壩高為265 m。壩址處河谷形態(tài)呈狹窄的“V”型，兩岸地形對稱，高陡險(xiǎn)峻，坡形完整。拱座巖體為落雪組第3段第1～4亞段（P t32-11～P t32-14）變質(zhì)灰?guī)r、大理巖，以厚層為主，夾中厚層、巨厚層及少量薄層；地層產(chǎn)狀走向?yàn)?60°～280°，傾向SW，傾角為70°～85°，巖層走向與河流流向交角為 60°～80°，為斜橫向谷。拱座巖體中沒有斜切邊坡、貫穿性強(qiáng)的斷層和裂隙性斷層發(fā)育。

根據(jù)可研階段資料，大壩拱肩槽呈弧形開挖，左岸開挖邊坡走向從62°轉(zhuǎn)至100°，開挖走向與巖層走向接近平行，拱肩槽正面坡為橫向坡；右岸開挖邊坡走向從68°轉(zhuǎn)至 76°，拱肩槽正面坡為斜交順向坡。左岸開挖邊坡坡頂高程約為1163 m，最大坡高約為440 m；右岸開挖邊坡坡頂高程約為1120 m，最大坡高約為397 m。

左壩肩巖體主要為 Pt2l3-1厚層灰?guī)r夾大理巖，局部有少量（高程為810 m以下）Pt2l2-3互層大理巖化白云巖。右壩肩中下部（高程為875～905 m以下）為Pt2l3-1厚層灰?guī)r夾大理巖；上部（高程875～905 m以上）為Pt2l3-2-1～Pt2l2-2-6巨厚層白云巖夾中厚層灰?guī)r、厚層石英巖。兩岸壩肩建基巖體以Ⅱ1級為主，巖體質(zhì)量優(yōu)良，左壩肩主要為Ⅱ1(95.2%)，少量為Ⅲ1(4.8%)，右壩肩主要為Ⅱ1(82.7%)，少量為Ⅲ1(17.3%)。

3 拱壩聯(lián)合壩址區(qū)巖體三維模型

3.1 拱壩壩址區(qū)自然地質(zhì)條件三維模型

拱壩壩址區(qū)自然地質(zhì)條件的三維建模主要包括計(jì)算范圍的選擇、地形地貌、關(guān)鍵地質(zhì)結(jié)構(gòu)（地層、斷層、溶洞系統(tǒng)、軟弱夾層等）。

三維計(jì)算模型以壩體為中心，沿順河向、橫河向及壩底深部基巖以下一定的范圍內(nèi)生成。下游模擬范圍及左右兩岸模擬范圍均大于2.5倍壩高。整體模擬范圍為1225 m×1225 m×1440 m。

壩址區(qū)會理群（Pt2H）地層主要出露因民組（Pt2y）和落雪組（Pt2l）兩組地層，巖性有8類。根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)及二維地質(zhì)剖面信息，將設(shè)計(jì)單位提供的 CAD格式的工程地質(zhì)圖、地形圖、各高程平切圖等進(jìn)行預(yù)處理，剔除非幾何邊界的冗余信息，并直接輸出為 DXF矢量數(shù)據(jù)格式，包含地表及巖性分界線的DXF數(shù)據(jù)文件直接輸入Hypermesh軟件，對地表、地層及斷層進(jìn)行插值和擬合處理，壩址區(qū)巖層幾何模型如圖1所示。

壩址區(qū)地表實(shí)測斷層有35條，規(guī)模較大。對壩肩穩(wěn)定性有影響的斷層有4條，從上游至下游分別為紅溝斷層F3、梁子斷層F7、白溝斷層F14、雷家灣溝斷層F15。F15走向NNE，與河谷斜交。其余斷層與河谷大角度相交，壩線選擇段地表斷層不發(fā)育，可見9條小斷層，模型考慮距離壩體較近的次一級斷層 f40和f42。右岸存在已停止發(fā)育的充填古巖溶系統(tǒng)(K25)，巖溶系統(tǒng)發(fā)育于Pt2l3-3厚層灰?guī)r與Pt2l3-2厚層白云巖分界面附近 Pt2l3-3厚層灰?guī)r中，基本上順層發(fā)育，高程向下具向坡外發(fā)育和規(guī)模逐漸減小的趨勢，平切面上呈橢圓狀，長軸與巖層走向方面近于一致，短軸與巖層傾向近于一致。斷層和巖溶與壩體相對位置如圖3所示。

圖1 巖層三維地質(zhì)模型Fig.1 3D geological model for rock mass

圖2 斷層和巖溶與壩體的位置Fig.2 Positions of dam,faults and karst

圖3 整體有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Integral finite element model

借助Hypermesh軟件在幾何體的布爾（Boolean）操作運(yùn)算方面的優(yōu)越性，模型三維實(shí)體模型采用圖2結(jié)構(gòu)面切割圖1巖層幾何體完成。異形幾何體的空間復(fù)雜關(guān)系使得有限元網(wǎng)格的劃分工作十分繁瑣。利用HyperMesh的網(wǎng)格劃分模塊交互調(diào)整特性，方便調(diào)整曲面或邊界的網(wǎng)格參數(shù)，特別是對單個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)的調(diào)整功能，提高不規(guī)則幾何體網(wǎng)格劃分效率。

本文巖體全部采用8節(jié)點(diǎn)六面體和6節(jié)點(diǎn)五面體實(shí)體單元，F(xiàn)3、F14、F15及 K25采用實(shí)體單元模擬。小斷層f40和f42采用無厚度節(jié)理單元模擬，計(jì)算網(wǎng)格如圖 3所示。有限元網(wǎng)格劃分后單元總數(shù)為294992，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 300272（壩體單元總數(shù)為10040）。根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)建議值，地層巖性計(jì)算力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層巖性計(jì)算力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of materials for calculation

3.2 壩址區(qū)初始地應(yīng)力反演分析三維模型

假定現(xiàn)今初始地應(yīng)力場主要是遠(yuǎn)古地應(yīng)力場在后期的地表剝蝕與河流侵蝕下切等外動(dòng)力地質(zhì)作用下逐漸形成。根據(jù)壩址區(qū)實(shí)測地應(yīng)力資料，假定應(yīng)力邊界條件，反演最優(yōu)地表剝蝕和河流侵蝕分層厚度[6－7]。計(jì)算需模擬從遠(yuǎn)古模擬夷平面地表剝蝕至現(xiàn)今壩址區(qū)河谷地貌，反演構(gòu)造應(yīng)力邊界條件。將經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演得到的邊界條件和重力加速度代入進(jìn)行正算，從而獲取壩址區(qū)初始地應(yīng)力場。

本文壩址區(qū)夷平面的高程選取1800 m高程作為地表剝蝕和河流侵蝕下切的起點(diǎn)，以壩址區(qū)現(xiàn)今河谷高程最低的點(diǎn)（高程值為723 m）為地表侵蝕下切的終點(diǎn)，河谷的下切過程分為6次完成。現(xiàn)今地表與遠(yuǎn)古夷平面間平均插值5個(gè)侵蝕平面，利用Hypermesh軟件網(wǎng)格投影功能，地表面網(wǎng)格分別在5個(gè)侵蝕面及遠(yuǎn)古夷平面進(jìn)行二維投影。侵蝕面間實(shí)體網(wǎng)格形態(tài)由侵蝕面二維預(yù)置網(wǎng)格控制，由此方法可快速構(gòu)建地應(yīng)力反演分析數(shù)值模型，如圖4所示。

圖4 初始地應(yīng)力反演分析網(wǎng)格模型Fig.4 Finite element model for initial geostress field inversion

3.3 壩肩槽開挖分析三維模型

模型高邊坡包括壩肩壩頂高程以上邊坡及拱肩槽邊坡。左岸高邊坡開口線最高高程為1155 m，平均開挖坡度為75°；右岸高邊坡開口線最高高程為1135 m，平均開挖坡度為65°。拱肩槽邊坡平面形態(tài)似弧形，略凸向上游側(cè)。根據(jù)上、下游邊坡不同形態(tài)，可進(jìn)一步分為拱肩槽上游邊坡、正面邊坡及拱肩槽下游邊坡。左右岸開挖邊坡大致呈對稱分布，兩岸一般每隔20 m設(shè)置一馬道。開挖后地形地貌基本順原坡體走向，退坡深度不大。

根據(jù)壩肩邊坡設(shè)計(jì)及壩體體型方案，在 CAD軟件中按照開挖線高程及壩體橫剖面高程，構(gòu)建人工對象邊界模型。導(dǎo)入到Hypermesh軟件，快速生成曲面，與壩址區(qū)三維地質(zhì)模型進(jìn)行體與面之間的布爾運(yùn)算，將開挖巖體部分切割分離。

圖5 拱肩開挖邊坡網(wǎng)格模型Fig.5 Finite element model for abutment slope excavation

3.4 壩肩巖體滑動(dòng)楔塊三維滑面模型

地勘裂隙統(tǒng)計(jì)資料表明，拱座內(nèi)無定位塊體，控制拱座滑動(dòng)穩(wěn)定的主要是短小裂隙形成的非連通的滑動(dòng)邊界。裂隙可分為SN組和EW組，其中SN組與河流平行，兩岸均發(fā)育，占總數(shù)的54.1%，EW組占總數(shù)的 15.4%，與河流近垂直，兩岸均發(fā)育。裂隙以中傾角為主，次為陡傾角，緩傾角裂隙不發(fā)育，中傾角裂隙以SN組裂隙為主，優(yōu)勢產(chǎn)狀為傾向273°、傾角 51°[8]。根據(jù)裂隙產(chǎn)狀和規(guī)模及巖層分布情況，確定9個(gè)可能滑動(dòng)楔塊，典型楔塊滑面如圖6所示。

圖6 典型楔塊滑面Fig.6 Sliding surface of typical wedge block

本文研究的問題中存在多個(gè)可能滑動(dòng)楔塊的情況下，若三維建模時(shí)考慮所有滑面情況，則使得拱座內(nèi)巖體支離破碎，單元網(wǎng)格質(zhì)量差，操作繁瑣，不利于推廣。

本文采用的是采用滑面多重網(wǎng)格的方法，即將有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果插值到重建的滑面網(wǎng)格上，從而適應(yīng)復(fù)雜滑面的組合[9]。在Hypermesh軟件中確定楔塊滑面后，利用卸荷帶界線切割楔塊滑面并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。拱座內(nèi)滑動(dòng)楔塊由新鮮巖體、弱卸荷巖體及強(qiáng)卸荷巖體組成，如圖7所示。

圖7 楔塊巖體卸荷帶界線Fig.7 Classification of unloading zones of wedge blocks

4 計(jì)算結(jié)果

將三維數(shù)值模型通過接口程序進(jìn)行單元數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換[10]，模型導(dǎo)入到FLAC3D程序中進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值計(jì)算。根據(jù)地應(yīng)力反演結(jié)果，壩址區(qū)地應(yīng)力分布可分為3個(gè)區(qū)域，沿壩軸線剖面初始地應(yīng)力s1分布如圖8所示。

圖8 壩軸線剖面地應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution at dam axis section

兩側(cè)河谷近地表地應(yīng)力帶：受地表剝蝕和金沙江長期沖蝕下切作用，最大水平主應(yīng)力量值一般為10 MPa左右，以小于10 MPa的低地應(yīng)力為主；總體上，左岸較右岸稍大，岸坡地形對地應(yīng)力有一定影響。河床深部地應(yīng)力區(qū)：兩岸深部高程在 750～850 m范圍內(nèi)，應(yīng)力量值屬中等地應(yīng)力水平；河床深部最大主應(yīng)力達(dá)20 MPa左右，局部達(dá)到高應(yīng)力水平。構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：在斷層區(qū)域，受斷層擠壓剪切影響，斷層兩側(cè)地應(yīng)力突變，以左岸雷家溝斷層F15最為明顯。因此，斷層穿越地段受斷層控制，為應(yīng)力集中的構(gòu)造應(yīng)力帶。

計(jì)算模擬過程按照初始地應(yīng)力反演、高邊坡及壩肩槽開挖、壩體施工、壩體載荷的步驟進(jìn)行?？紤]荷載不同組合，計(jì)算模擬分為4個(gè)方案。方案1荷載組合為正常蓄水+自重+泥沙壓力+浪壓力+冰壓力。方案2荷載組合為方案1荷載組合疊加溫升。方案3荷載組合為方案1荷載組合疊加溫降。方案4荷載組合為方案2荷載組合疊加地震荷載。壩肩槽開挖完成后，壩肩附近巖體順河向位移如圖9所示，右岸拱肩槽 800 m高程附近位移值最大達(dá)到12.9 mm。左右岸可能滑動(dòng)楔塊安全系數(shù)計(jì)算如表2所示。

正常蓄水后（方案 1），各楔塊具有較高的安全裕度，整體上左岸穩(wěn)定性強(qiáng)于右岸，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。右岸滑面通過巖溶區(qū)域的楔塊相對穩(wěn)定性較差，楔塊 RM1安全系數(shù)最小值為5.399?；窘M合2條件下，溫降時(shí)拱圈縮短并偏向右岸下游方向變形，左岸楔塊相對方案 1，楔塊穩(wěn)定性有所增加。右岸部分楔塊穩(wěn)定性降低，最大降低幅度7.4%。地震荷載作用下所有楔塊安全系數(shù)均大幅下降，左岸楔塊LM2-1安全系數(shù)最小為5.511。

圖9 拱肩開挖邊坡位移分布(沿河向)Fig.9 Displacement distribution of excavation slope

表2 楔塊安全系數(shù)Table 2 Safety factors of blocks

5 結(jié) 論

采用通用軟件平臺，建立用于高拱壩壩肩穩(wěn)定分析所需的三維數(shù)值模型的方法，并以烏東德工程為例，構(gòu)建適用于壩肩穩(wěn)定性分析的三維精細(xì)數(shù)值模型。利用地勘資料和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了影響壩肩穩(wěn)定的地質(zhì)特征和工程措施，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多種 CAD軟件協(xié)同作業(yè)，建立自然地質(zhì)條件和工程對象的幾何模型。以壩肩部位為中心，基于CAE領(lǐng)域功能強(qiáng)大的Hypermesh軟件，較好地完成了復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)與工程對象的網(wǎng)格劃分。通過接口程序進(jìn)行三維數(shù)值模型單元格式轉(zhuǎn)換，在 FLAC3D完成三維彈塑性計(jì)算。

本文將地應(yīng)力反演分析、壩體載荷、工程開挖等多因素影響下壩肩靜動(dòng)力穩(wěn)定性分析的問題統(tǒng)一到獨(dú)立模型中。計(jì)算結(jié)果表明，精細(xì)的三維模型最大程度地模擬了工程巖體復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為高拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性分析提供可靠的基礎(chǔ)。

[1]李明超,鐘登華,秦朝霞,等.基于三維地質(zhì)模型的工程巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)數(shù)值建模[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(9): 1893－1898.LI Ming-chao,ZHONG Deng-hua,QIN Zhao-xia,et al.Refined modeling for numerical simulation of engineering rock mass structures based on 3D geological model[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(9): 1893－1898.

[2]楊寶全,張林,陳建葉,等.復(fù)雜地質(zhì)條件下拱壩壩肩穩(wěn)定分析及密集節(jié)理影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增刊2): 3972－3978.YANG Bao-quan,ZHANG Lin,CHEN Jian-ye,et al.Analysis of arch dam’s abutment stability under complicated geological conditions and study of influence of dense joints[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(Supp.2): 3972－3978.

[3]劉杰，李建林，宛良朋，等.基于卸荷和抗震分析理論的大崗山壩肩邊坡錨固優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué),2012,33(增刊 2): 275－282.LIU Jie,LI Jian-lin,WAN Liang-peng,et al.Research on Dagangshan dam abutment slope anchorage optimization based on theory of unloading and seismic analysis[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(Supp.2): 275－282.

[4]漆祖芳,姜清輝,唐志丹,等.錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡施工期穩(wěn)定分析[J].巖土力學(xué),2012,33(2): 531－538.QI Zu-fang,JIANG Qing-hui,TANG Zhi-dan,et al.Stability analysis of abutment slope at left bank of Jinping-I hydropower project during construction[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(2): 531－538.

[5]侯恩科,吳立新,李建民,等.三維地學(xué)模擬與數(shù)值模擬的耦合方法研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2002,27(4): 388－392.HOU En-ke,WU Li-xin,LI Jian-min,et al.Study on the coupling of 3D geoscience modeling with numerical simulation[J].Journal of China Coal Society,2002,27(4): 388－392.

[6]張傳慶,周輝,馮夏庭,等.局域地應(yīng)力場獲取的插值平衡方法[J].巖土力學(xué),2008,29(8): 2016－2024.ZHANG Chuan-qing,ZHOU Hui,FENG Xia-ting,et al.Method for obtaining local stress field based on interpolation and numerical simulation method[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(8): 2016－2024.

[7]張振華.深切河谷岸坡開挖過程動(dòng)態(tài)預(yù)警方法研究[博士學(xué)位論文 D].武漢: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2008.

[8]沈輝,羅先啟,李野,等.烏東德拱壩壩肩三維抗滑穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(5): 1026－1033.SHEN Hui,LUO Xian-qi,LI Ye,et al.Three-dimensional stability analysis of dam abutment of Wudongde arch dam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(5): 1026－1033.

[9]楊強(qiáng),朱玲,翟明杰.基于三維非線性有限元的壩肩穩(wěn)定剛體極限平衡法機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(19): 3403－3409.YANG Qiang,ZHU Ling,ZHAI Ming-jie.On mechanism of rigid-body limit equilibrium method for abutment stability analysis of arch dam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(19): 3403－3409.

[10]劉心庭,唐輝明.FLAC3D復(fù)雜網(wǎng)格模型的構(gòu)建及其工程應(yīng)用[J].金屬礦山,2010,(11): 108－111.LIU Xin-ting,TANG Hui-ming.FLAC3Dcomplex grid model construction and its engineering application[J].Metal Mine,2010,(11): 108－111.