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(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

在邊坡開挖施工過程中，實(shí)際上往往伴隨著巖體開挖卸荷過程。開挖卸荷作用會(huì)引起巖體質(zhì)量的迅速劣化，因此在邊坡巖體開挖的穩(wěn)定分析中需考慮卸荷的作用[1-2]。在考慮巖體開挖卸荷作用影響的前提下，不同開挖卸荷速率對巖質(zhì)開挖邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響也是一個(gè)值得研究的問題。易長平等[3-4]對采用不同的開挖順序及爆破荷載作用下邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，首先提出了瞬時(shí)卸荷的動(dòng)態(tài)卸荷概念；黃潤秋等[5]對高地應(yīng)力條件下卸荷速率對大理巖力學(xué)特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究；王瑞紅等[6]在考慮巖體開挖卸荷動(dòng)態(tài)變化條件下，對水電站壩肩高邊坡的三維穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究；但基于巖體開挖卸荷理論，直接考慮不同開挖卸荷速率的變化對邊坡應(yīng)力應(yīng)變特性影響的研究并不多見。

本文基于巖體開挖卸荷理論，以大渡河某水電站泄洪洞進(jìn)口開挖高邊坡的穩(wěn)定性分析為工程背景，考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用的影響。通過數(shù)值模擬的方法，對不同開挖速率下邊坡模型的應(yīng)力應(yīng)變以及塑性區(qū)變化進(jìn)行分析，得到不同開挖速率對該邊坡應(yīng)力應(yīng)變特性的影響成果。

2 工程概況

該水電站工程以發(fā)電為主，裝機(jī)容量860 MW，屬二等大(2)型工程，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸地下廠房、右岸溢洪道和右岸泄洪洞等組成。開挖邊坡位于右岸壩線上游,開挖邊坡上部高程2 400 m，岸坡高差達(dá)350 m，岸坡整體坡度50°左右。邊坡表部強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，巖體質(zhì)量為Ⅳ級(jí)，弱風(fēng)化帶內(nèi)巖體質(zhì)量為Ⅲ2級(jí)，進(jìn)入弱風(fēng)化帶以里，巖體質(zhì)量普遍為Ⅲ1級(jí)，局部受構(gòu)造影響地段為Ⅲ2級(jí)。

3 巖體力學(xué)參數(shù)

3.1 巖體基本力學(xué)參數(shù)

在對邊坡開挖巖體進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，關(guān)鍵的問題是如何建立相應(yīng)的幾何模型、如何選擇合適的本構(gòu)關(guān)系以及如何選取合適的宏觀力學(xué)參數(shù)[7-9]，巖體宏觀力學(xué)參數(shù)的研究方法有很多，常用的有試驗(yàn)法、數(shù)值分析法、經(jīng)驗(yàn)法等[10-11]。由于在室內(nèi)外試驗(yàn)條件下試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的影響以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境的條件制約，復(fù)雜巖體的力學(xué)參數(shù)是很難通過室內(nèi)試驗(yàn)直接測得的。因此，目前數(shù)值分析方法已逐步成為巖體宏觀力學(xué)參數(shù)分析的有效方法之一。

通過在初始力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Hoek-Brown法確定巖體的初始力學(xué)參數(shù)并將開挖邊坡巖體分為6組。各組巖體初始基本力學(xué)參數(shù)的取值見表1。

表1 巖體基本力學(xué)參數(shù)

3.2 巖體卸荷力學(xué)參數(shù)

邊坡巖體在開挖之后，巖體的開挖卸荷作用會(huì)引起巖體質(zhì)量的劣化。然而隨著開挖方式的不同，開挖巖體的卸荷區(qū)域和卸荷量大小也是不同的。因此不同巖體開挖卸荷速率的模擬過程也是一個(gè)巖體卸荷力學(xué)參數(shù)不斷調(diào)整的過程，應(yīng)根據(jù)不同的開挖方式確定相應(yīng)的卸荷區(qū)域，對不同卸荷區(qū)按照卸荷程度的大小采用相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)[12-13]。

圖1 開挖卸荷巖體力學(xué)參數(shù)分析流程

具體分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖體開挖卸荷前后的應(yīng)力場變化確定卸荷區(qū)大小，調(diào)整力學(xué)參數(shù)；再根據(jù)卸荷區(qū)是否擴(kuò)展這一判據(jù)，判定最后的動(dòng)態(tài)開挖卸荷巖體力學(xué)參數(shù)。具體的動(dòng)態(tài)開挖卸荷巖體力學(xué)參數(shù)分析流程如圖1所示。據(jù)此計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)卸荷巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示，其中重度、泊松比以及其它巖層組的力學(xué)參數(shù)均不變(如表1所示)，卸荷巖體主要分布在弱風(fēng)化層。

表2 巖體卸荷力學(xué)參數(shù)

4 三維有限差分分析

在建模過程中，由于模型網(wǎng)格類型以及大小的限制，要模擬所有不同類別的裂隙和斷層是難以實(shí)現(xiàn)的[14]。在該工程實(shí)例中，由于實(shí)際巖體中并不存在大的斷裂或裂隙，且零星分布的幾個(gè)小斷裂均為逆斷層，對邊坡巖體向坡外的位移是有阻礙作用的，一定意義上說是有利于邊坡穩(wěn)定的，故在實(shí)際建模中并未考慮。

4.1 計(jì)算模型

三維有限元模型選取右岸泄洪洞開挖邊坡為研究對象，模型y向645 m，x向632 m，模型最低點(diǎn)絕對高程1 700 m，最高點(diǎn)絕對高程為2 560 m；其中x為垂直于河流方向，以向下游為正；y為沿坡向，以順坡向?yàn)檎?；z為高程方向，以向上為正。模型底部邊界采用豎直向約束，豎直方向施加重力荷載，水平邊界采用水平向約束。三維有限元模型主要采用四面體劃分網(wǎng)格，共有56 725個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)和268 235個(gè)單元(element)，具體如圖2和圖3所示。

圖2 邊坡三維模型

圖3 三維網(wǎng)格模型

4.2 不同開挖速率模擬

巖體工程開挖變形具有很強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)[15]，施工進(jìn)度(開挖速率)不同，巖體卸荷速率差異明顯?？紤]到邊坡的實(shí)際開挖情況及該項(xiàng)目預(yù)可行性研究報(bào)告中關(guān)于邊坡開挖的建議，數(shù)值模擬中采用表3所示的快、中、慢3種開挖速率(即3步、5步、7步開挖)模擬邊坡不同開挖速率下的開挖施工過程，并在開挖過程中考慮每一步的動(dòng)態(tài)卸荷作用，開挖方式示意圖如圖4。

表3 3種開挖方式

注:圖中“7-1”表示7步開挖中的第1步；“5-1”表示5步開挖中的第1步；“3-1”表示3步開挖中的第1步；其它依此類推。

5 邊坡開挖卸荷巖體有限元分析

5.1 不同開挖速率下邊坡的位移分布

根據(jù)不同開挖方式，考慮不同開挖速率下的巖體應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化，利用三維有限差分法計(jì)算各開挖步下y向最大位移以及最大拉應(yīng)力變化如圖5和圖6所示。

圖5 考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用下3種開挖速率的位移和應(yīng)力

圖6 不考慮巖體開挖卸荷作用下3種開挖速率的位移和應(yīng)力

從圖5(a)、5(b)以及表4可以看出：考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)，隨著開挖速率的減小，y向最大位移值在開挖過程中逐漸減小，最大拉應(yīng)力值隨著開挖速率的減小也呈相同趨勢，說明開挖速率越慢，可以一定程度上減小開挖巖體的變形。從圖6(a)、6(b)以及表4可以看出，在不考慮開挖卸荷作用時(shí)，隨著開挖速率的減小，最大位移值和最大拉應(yīng)力值沒有變化。對比圖5和6中考慮與不考率巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)，開挖坡體的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢比不考慮時(shí)更加平緩自然，區(qū)別更加明顯，更能體現(xiàn)開挖速率對開挖邊坡應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響。

表4 3種開挖速率下的最大位移和最大拉應(yīng)力

綜上可以發(fā)現(xiàn)：在考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)，開挖速率的變化才會(huì)對開挖巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。這是由于考慮動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)，每一步開挖卸荷狀態(tài)都不同，每一步開挖考慮了巖體地應(yīng)力隨開挖的推進(jìn)逐步變化的過程，即考慮卸荷瞬態(tài)效應(yīng)作用，使得巖體的破壞范圍也隨開挖速率不同而不同。

5.2 不同開挖速率下邊坡的塑性區(qū)分布

根據(jù)不同開挖方式，為了使結(jié)果更加有可比性，選取3種開挖速率下均開挖至2 165 m高程時(shí)對應(yīng)的塑性區(qū)圖加以比較，如圖7和圖8所示。

圖7 考慮動(dòng)態(tài)開挖卸荷時(shí)不同開挖速率下塑性區(qū)變化

從圖7可以看出：隨著開挖速率的減小，塑性區(qū)范圍有較大減小趨勢。這說明開挖速率越慢，雖然短期內(nèi)減少了塑性變形的擴(kuò)展時(shí)間，但是考慮到開挖卸荷的時(shí)間效應(yīng)以及卸荷量的穩(wěn)定變化過程，可以一定程度上減小由于巖體開挖的瞬時(shí)卸荷作用對巖體的擾動(dòng)作用，從而減少塑性區(qū)范圍。

從圖8可以看出，隨著開挖速率的減小，塑性區(qū)范圍沒有變化。同時(shí)對比上述3種開挖卸荷速率下的塑性區(qū)變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)相比于考慮卸荷瞬態(tài)效應(yīng)作用下開挖坡體的塑性區(qū)范圍，不考慮巖體開挖卸荷作用時(shí)開挖巖體的塑性區(qū)范圍更大，這也說明在考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)開挖速率的變化才會(huì)對開挖巖體的塑性區(qū)范圍產(chǎn)生明顯的影響。

圖8 不考慮開挖卸荷時(shí)不同開挖速率下塑性區(qū)變化

6 結(jié) 論

基于巖體開挖卸荷理論，考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷的作用，以大渡河某水電站泄洪洞開挖高邊坡的穩(wěn)定性分析為工程背景，不同開挖速率下邊坡的應(yīng)力應(yīng)變場以及塑性區(qū)變化的分析結(jié)果表明：

(1) 高邊坡施工過程中，在考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用的前提下，開挖速率越慢，邊坡開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化越小，塑性區(qū)范圍也越小。因此，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格合理控制施工進(jìn)度，保持合理地開挖速度，保證開挖施工的連續(xù)性，并在開挖過后及時(shí)合理的對邊坡進(jìn)行加固，尤其是中下部(文中高邊坡2 230 m以下高程)開挖區(qū)域。

(2) 在考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用時(shí)比不考慮巖體開挖卸荷作用時(shí)，開挖邊坡應(yīng)力應(yīng)變以及塑性區(qū)范圍在不同開挖速率下對開挖卸荷產(chǎn)生的影響作用更加敏感，因此在實(shí)際施工過程中應(yīng)充分考慮巖體動(dòng)態(tài)開挖卸荷作用，合理選擇施工方案及錨固時(shí)機(jī)。

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