新通道線路1隧洞上游進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性分析

張攀

摘要：過水隧道進(jìn)口的邊坡穩(wěn)定問題是保證通航安全的核心問題之一。 本文主某過水隧道邊坡為研究對象，在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，使用3DEC、Catia等軟件，應(yīng)用離散元數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡地質(zhì)模型概化與試驗(yàn)參數(shù)研究，分析了不同工況下邊坡的穩(wěn)定性，最終對該隧道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析與評價(jià)，并為進(jìn)一步探討該隧道邊坡的穩(wěn)定研究提出了合理建議。

關(guān)鍵詞：進(jìn)口邊坡;離散元;3DEC;邊坡穩(wěn)定

0引言

1 三維離散元程序計(jì)算方法與二次開發(fā)

3DEC對介質(zhì)（包括塊體和不連續(xù)面）本構(gòu)關(guān)系的模擬幾乎沒有限制，除了內(nèi)置各向同性彈性、各向異性彈性、Mohr-Coulomb、雙線性應(yīng)變硬化/軟化、各向異性應(yīng)變硬化/軟化本構(gòu)模型以外，利用3DEC的接口功能可以直接輸入試驗(yàn)獲得的相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。根據(jù)某水運(yùn)新通道工程需求，基于3DEC程序軟件開展二次開發(fā)：

（1）考慮爆破動(dòng)力荷載作用下巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型的二次開發(fā)。

（2）根據(jù)前期的研究成果，三峽微新花崗巖呈現(xiàn)典型的彈脆塑性特征，在3DEC中實(shí)現(xiàn)了巖體彈脆塑性本構(gòu)模型。

2 基本計(jì)算條件

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

以前期壇子嶺雙線五級船閘反演分析獲得的相關(guān)巖體物理力學(xué)參數(shù)作為基本依據(jù)，初步確定相關(guān)巖體的物理力學(xué)參數(shù)，在本次計(jì)算中也考慮了邊坡巖體開挖卸荷松弛的影響，在開挖臨空面部位設(shè)置了開挖損傷區(qū)。對開挖影響區(qū)內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行降低，以反映開挖卸荷和施工爆破對圍巖的擾動(dòng)，本次計(jì)算最終使用的巖體力學(xué)參數(shù)取值見表1。

2.2 初始地應(yīng)力場

考慮到擬建新航道區(qū)域尚無地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，這里采用壇子嶺已建五級船閘勘測設(shè)計(jì)中的地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)和反演分析成果，作為新航道區(qū)域計(jì)算分析初始地應(yīng)力取值的初步依據(jù)。

全強(qiáng)風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶：根據(jù)巖體自重應(yīng)力場，作為初始地應(yīng)力場‘

微新巖體：

X向應(yīng)力分量σx = -6.11 - 0.0109 H （H為埋深）

Y向應(yīng)力分量σy = -5.703 - 0.0118 H

Z向應(yīng)力分量σz = -0.28 – 0.0299 H

弱卸荷帶：σ = a + bH

式中：a，b按應(yīng)力值沿深度方向連續(xù)。

3 計(jì)算模型及開挖模擬方案

3.1 計(jì)算模型

以設(shè)計(jì)提供的模型資料為基礎(chǔ)，建立了隧洞上游進(jìn)口邊坡的三維離散元數(shù)值計(jì)算模型，，其中計(jì)算模型的范圍為：X向跨度為750m;Y向跨度為800m;Z向跨度為430m，-Z向邊界與高程-100m對應(yīng)，+Z向則建模至實(shí)際地表。其中，X軸與船閘中心線一致，指向下游為正;Y軸垂直于船閘中心線，指向山內(nèi)側(cè)為正;Z軸鉛直向上為正。采用了由整體到局部的方式建立邊坡的三維離散元模型。塊體模型導(dǎo)入3DEC后，將所有塊體“粘接”起來成為連續(xù)體，來進(jìn)行不考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)面影響的邊坡穩(wěn)定模擬分析，不考慮結(jié)構(gòu)面的模型共劃分了約38萬個(gè)單元和12萬個(gè)節(jié)點(diǎn);進(jìn)一步，利用“jset”命令在生成結(jié)構(gòu)面和裂隙，來研究各種不利結(jié)構(gòu)面組合條件下邊坡的穩(wěn)定分析。

計(jì)算域四周法向約束，底部三向約束，地表自由無約束。

3.2 開挖模擬方案

（1） 不考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的影響，將所有塊體“粘接”起來作為連續(xù)體考慮，模擬船閘開挖過程，研究下挖過程中高邊坡巖體的變形松弛特征、變形發(fā)展規(guī)律、塑性區(qū)的分布特征及擴(kuò)展過程、支護(hù)系統(tǒng)的受力特征。

（2） 根據(jù)塊體分析的結(jié)果，考慮各種不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的組合，結(jié)合三維離散元法，綜合考慮初始地應(yīng)力場、邊坡開挖卸荷損傷、洞室開挖等復(fù)雜情況下高邊坡穩(wěn)定性的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬分析。

（3） 采用強(qiáng)度折減法對新船閘隧洞進(jìn)口邊坡在開挖工況、運(yùn)行工況及地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，綜合評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。

4 計(jì)算結(jié)果分析

開挖完成后的巖體最大增量位移約98.80mm，發(fā)生在正面坡與北側(cè)坡交界處強(qiáng)風(fēng)化巖體出露部位;變形較顯著的區(qū)域主要集中在頂部強(qiáng)卸荷、弱卸荷巖體中，微新巖體的變形一般小于20mm。

在開挖過程中，初始應(yīng)力場不斷受到擾動(dòng)與調(diào)整，開挖面附近最大主應(yīng)力方向接近垂直開挖面方向;最小主應(yīng)力方向接近于平行開挖面方向。全部開挖完成后，在坡腳處存在不同程度的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力值約18.3MPa;拉應(yīng)力主要集中在開挖坡面淺表部位，最大拉應(yīng)力值約0.7MPa。邊坡塑性區(qū)主要集中在頂部強(qiáng)卸荷帶以及開挖臨空面淺表巖體內(nèi)，以剪切屈服為主，局部存在拉、拉剪屈服;頂部巖體內(nèi)塑性區(qū)延伸深度接近20m（基本位于全強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)），往下深度逐漸減小，微新巖體內(nèi)延伸深度一般為5～8m。

在開挖工況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行邊坡運(yùn)行工況、地震工況下的穩(wěn)定性計(jì)算。其中，運(yùn)行水位按175m計(jì)算，水載荷作為滲透體積力，水位線以下巖體強(qiáng)度參數(shù)按一定比例進(jìn)行折減;地震工況采用擬靜力法模擬，水平向地震加速度按0.1g考慮。

對三種不同工況局部和整體兩種破壞模式下邊坡的穩(wěn)定性。局部破壞模式下，邊坡的潛在失穩(wěn)區(qū)域主要集中在坡頂強(qiáng)卸荷帶巖體內(nèi);整體破壞模式主要指正面坡的整體失穩(wěn)破壞，其剪出口大致位于EL180m高程處。各工況下邊坡的安全系數(shù)見表2，可見在不考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的情況下，邊坡的安全裕度較大，穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

（1）在不考慮不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的條件下，新通道線路1方案隧洞上游進(jìn)口邊坡開挖完成后的巖體最大增量位移約98.8mm，發(fā)生在正面坡與北側(cè)坡交界處強(qiáng)風(fēng)化巖體出露部位;

（2）微新巖體的變形一般小于20mm。邊坡塑性區(qū)主要集中在頂部強(qiáng)卸荷帶巖體以及開挖臨空面附近巖體內(nèi)，頂部延伸深度接近20m，往下深度逐漸減小，微新巖體內(nèi)延伸深度一般為5～8m。

（3）局部和整體兩種破壞模式下邊坡的穩(wěn)定性分析顯示，各計(jì)算方案下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于2.80，安全裕度較大，穩(wěn)定性較好。

（4）在后續(xù)的研究工作中，依據(jù)工程地質(zhì)資料，進(jìn)行塊體穩(wěn)定分析，找出關(guān)鍵塊體，然后有針對性地引入三維巖體結(jié)構(gòu)非連續(xù)模擬計(jì)算中，綜合考慮地應(yīng)力場、滲流場、開挖爆破、卸荷影響以及巖體變形等因素下進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性。

基金項(xiàng)目：河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目2018B757X14 江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目編號SJCX18_0183