趙 川，付成華，何 歡，鐘學(xué)梅，周 丹

(西華大學(xué) a. 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

錦屏水電站纜機(jī)平臺(tái)高陡邊坡開挖支護(hù)數(shù)值模擬

趙 川a,b，付成華a,b，何 歡b，鐘學(xué)梅b，周 丹b

(西華大學(xué) a. 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

以錦屏水電站纜機(jī)平臺(tái)高陡邊坡為例，采用有限元法對其分級開挖支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同的單級開挖高度、巖體強(qiáng)度參數(shù)和支護(hù)時(shí)間對高陡邊坡變形和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：邊坡的變形、安全系數(shù)受巖體強(qiáng)度參數(shù)影響較大；較好巖體條件下，單級開挖高度和支護(hù)時(shí)間對邊坡的變形、安全系數(shù)影響很小,較差巖體條件下，單級開挖高度和支護(hù)時(shí)間對邊坡的變形、安全系數(shù)影響顯著，且單級開挖高度越大，支護(hù)的作用效果越明顯。研究成果可為實(shí)際高陡巖石邊坡工程開挖支護(hù)方案優(yōu)化和施工提供參考。

錦屏水電站;高陡邊坡；安全系數(shù)；開挖高度；支護(hù)時(shí)間；數(shù)值模擬

1 研究背景

目前，中國水電建設(shè)已進(jìn)入后水電時(shí)代，水電站多位于深山、峽谷內(nèi)，高陡邊坡開挖工程不斷呈現(xiàn)，高陡邊坡開挖工程的安全問題日益突出。國內(nèi)外高邊坡開挖施工安全技術(shù)已日趨成熟，但對于高陡邊坡開挖施工安全技術(shù)研究尚少，需要進(jìn)一步研究[1-3]。

本文以錦屏水電站纜機(jī)平臺(tái)邊坡為例，基于有限元法進(jìn)行高陡邊坡分級開挖支護(hù)的數(shù)值模擬分析，系統(tǒng)地計(jì)算不同單級開挖高度、巖體強(qiáng)度參數(shù)及支護(hù)時(shí)間條件下邊坡變形和安全系數(shù)的變化規(guī)律，分析邊坡施工過程中的穩(wěn)定性和變形特征，研究高陡邊坡開挖與支護(hù)之間的關(guān)系，便于采取合理的施工工藝，保證邊坡開挖施工安全[4-5]。

2 邊坡概況

纜機(jī)平臺(tái)邊坡按坡比1∶0.5開挖，每30 m設(shè)一級馬道，馬道寬3 m，纜機(jī)平臺(tái)以上邊坡設(shè)有4級馬道，總開挖高度150 m。

3 有限元模型建立及計(jì)算條件

計(jì)算邊坡斷面和巖層分布如圖1所示，計(jì)算范圍：水平方向取400 m,垂直方向取350 m。有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值見表1。

采用ANSYS[6]建立有限元模型。針對二維邊坡的應(yīng)力應(yīng)變問題，本次建模選擇plane82二維八節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有UX和UY2個(gè)自由度，比四節(jié)點(diǎn)plane42單元具有更高的精度，對不規(guī)則網(wǎng)格適應(yīng)性更強(qiáng)，允許不規(guī)則形狀的存在，適合模擬具有曲線邊界的幾何模型。模型共劃分成1 398個(gè)單元，4 141個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

邊界條件：模型底部和左邊界分別施加法向位移約束。

計(jì)算工況如下：

圖1 計(jì)算范圍及巖層分布Fig.1 Calculation domain and rock mass distribution

表1 有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of finiteelement calculation

(1) 單級開挖高度：10 m和15 m。

(2) 巖體強(qiáng)度參數(shù)：計(jì)算考慮了2種不同巖體強(qiáng)度參數(shù)。強(qiáng)度參數(shù)1取值對應(yīng)表1中的巖體強(qiáng)度參數(shù)；強(qiáng)度參數(shù)2基于表1各項(xiàng)參數(shù)，僅將其中涉及開挖的Ⅳ類巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角分別調(diào)整至0.2 MPa和25°，Ⅲ類巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角分別調(diào)整至0.5 MPa和28°，其余參數(shù)不變，以探究具有不同巖體抗剪強(qiáng)度的邊坡在開挖后其力學(xué)特性的異同。強(qiáng)度參數(shù)1對應(yīng)于較好巖性，強(qiáng)度參數(shù)2對應(yīng)于較差巖性。

(3) 支護(hù)方式：無支護(hù)；開挖一級支護(hù)一級；滯后一級開挖支護(hù)。采用噴錨支護(hù),錨桿直徑32 mm,長度10 m,豎直方向每隔2 m布置一排錨桿,噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25,厚度20cm。

4 分級開挖支護(hù)邊坡穩(wěn)定分析

4.1 計(jì)算過程和等效處理

4.1.1 初始應(yīng)力模擬

忽略構(gòu)造應(yīng)力，取邊坡天然狀態(tài)下的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力。不考慮地下水的作用。

4.1.2 開挖過程模擬

利用ANSYS的“生死”單元模擬邊坡的開挖過程。計(jì)算過程中，程序?qū)?zhǔn)備開挖掉單元的剛度矩陣乘以一個(gè)很小的因子，使單元荷載變?yōu)?，從而不對荷載向量生效(但仍然在單元荷載列表中出現(xiàn))。同樣，當(dāng)單元需要“出生”時(shí)，并不是將其加到模型中，而是先殺死它，然后在合適的荷載步中重新激活它。

4.1.3 支護(hù)作用模擬

將錨桿及其作用下的巖體看作一個(gè)整體即錨固體，采用將巖體和錨桿作為一種材料來等效模擬，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)直接提高相關(guān)參數(shù)值即可[7]?；炷羾妼硬捎肂eam3單元模擬，輸入相關(guān)實(shí)常數(shù)定義噴層厚度。

4.1.4 安全系數(shù)計(jì)算

安全系數(shù)計(jì)算采用有限元強(qiáng)度折減法，將坡體的真實(shí)抗剪強(qiáng)度除以一個(gè)折減系數(shù)F，以達(dá)到強(qiáng)度折減的目的，直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[8-10]。其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：c和φ分別為巖土體真實(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c′和φ′分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖3 強(qiáng)度參數(shù)1，2的邊坡安全系數(shù)Fig.3 Safety factors of slope with different strength parameters 1 and 2

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 不同因素對安全系數(shù)的影響

4.2.1.1 單級開挖高度對安全系數(shù)的影響

圖3為強(qiáng)度參數(shù)1，2的邊坡在不同開挖支護(hù)工況下的安全系數(shù)，按自上而下逐級開挖，隨著邊坡開挖級數(shù)的增加，邊坡的安全系數(shù)在開挖開始時(shí)有一定減小，期間基本保持穩(wěn)定，開挖到最后幾級時(shí)下降趨勢明顯。對比分析可知：在無支護(hù)開挖完成后，較好巖性單級開挖10 m和15 m的安全系數(shù)均為2.9，單級開挖高度對邊坡安全系數(shù)幾乎沒有影響；較差巖性單級開挖10 m和15 m的安全系數(shù)分別為1.25和1.15，單級開挖高度對邊坡安全系數(shù)影響較大。

表2 10 m/級開挖位移Table 2 Displacements of slope when excavated 10m per stage mm

表3 15 m/級開挖位移Table 3 Displacements of slope when excavated 15m per stage mm

4.2.1.2 巖體強(qiáng)度對安全系數(shù)的影響

邊坡無支護(hù)開挖，強(qiáng)度參數(shù)1即較好巖性時(shí)單級開挖10 m的安全系數(shù)為2.9(見圖3(a))，邊坡較為穩(wěn)定；而巖性較差時(shí)單級開挖10 m的安全系數(shù)為1.25(見圖3(b))，邊坡穩(wěn)定性相對較差。

4.2.1.3 支護(hù)時(shí)間對安全系數(shù)的影響

由圖3(a)可知，當(dāng)邊坡巖性較好時(shí)單級開挖10 m并及時(shí)支護(hù)后邊坡安全系數(shù)為3，滯后支護(hù)為2.95；分析圖3(b)可知，邊坡巖性較差時(shí)單級開挖10 m及時(shí)支護(hù)邊坡安全系數(shù)為1.9，滯后支護(hù)為1.4，表明支護(hù)時(shí)間對巖性較差的邊坡安全系數(shù)影響更大。當(dāng)邊坡巖性較差時(shí)，相比不支護(hù)工況，單級開挖10 m支護(hù)后安全系數(shù)增加了0.65，單級開挖15 m支護(hù)后增加了0.75。

4.2.2 不同因素對位移的影響

4.2.2.1 單級開挖高度對位移的影響

坡頂、坡腳測點(diǎn)見圖1，規(guī)定位移水平向右為正，豎直向下為正。

分析表2和表3(只列出部分開挖級數(shù)的位移)可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，邊坡的水平位移和豎直位移均逐漸增大，且坡頂處測點(diǎn)發(fā)生朝向邊坡臨空面的位移，而坡腳測點(diǎn)發(fā)生面向坡體內(nèi)部的位移，整個(gè)坡體的位移有向外旋轉(zhuǎn)的趨勢。這是由于開挖卸荷不均勻造成的。待開挖完成后，坡腳附近產(chǎn)生的位移大于坡頂處的位移，這與實(shí)際邊坡開挖工程產(chǎn)生的位移趨勢相同。當(dāng)邊坡巖性較好時(shí)，單級開挖10 m和15 m，開挖完成后產(chǎn)生的位移相同，不同單級開挖高度對邊坡位移幾乎沒有影響；在強(qiáng)度參數(shù)2的邊坡中，即巖性較差時(shí)，單級開挖高度15 m產(chǎn)生的位移比單級開挖高度10 m大，其在坡腳處體現(xiàn)較為明顯，單級10 m開挖水平位移和豎直位移分別為-15.63 mm和28.31 mm，而單級15 m為-17.96 mm和28.86 mm，分別相差2.33 mm和0.55 mm。

圖4 強(qiáng)度參數(shù)1，2的邊坡坡腳水平位移Fig.4 Horizontal displacements of slope toe with different strength parameters 1 and 2

4.2.2.2 巖體強(qiáng)度對位移的影響

從表2和表3可知：當(dāng)其它條件相同，巖性較差時(shí)，邊坡開挖產(chǎn)生的水平位移和豎直位移更大。以表2中坡腳點(diǎn)位移為例，當(dāng)巖性較好時(shí)水平位移和豎直位移分別為-8.87 mm和20.76 mm，而當(dāng)巖性較差時(shí)為-15.63 mm和28.31 mm，相差較大。這與位移受巖體強(qiáng)度影響大[1]的一般規(guī)律一致。

4.2.2.3 支護(hù)時(shí)間對位移的影響

圖4和圖5給出了強(qiáng)度參數(shù)1，2的邊坡坡腳點(diǎn)的位移隨開挖級數(shù)的變化趨勢。

從圖4(b)中可見，當(dāng)單級10 m開挖，無支護(hù)時(shí)水平位移-15.63 mm，支護(hù)后為-10.15 mm，水平位移減小了5.48 mm；當(dāng)單級15 m開挖，無支護(hù)時(shí)水平位移-17.96 mm，支護(hù)后-10.66 mm，水平位移減小了7.3 mm，支護(hù)效果更為明顯。

圖5 強(qiáng)度參數(shù)1，2的邊坡坡腳豎直位移Fig.5 Vertical displacement of slope toe with different strength parameters 1 and 2

綜合分析圖4和圖5可知，在單級開挖高度和巖體性質(zhì)相同的情況下，及時(shí)支護(hù)比滯后支護(hù)更能有效地控制邊坡的變形。

5 結(jié) 論

通過對錦屏水電站纜機(jī)平臺(tái)高陡邊坡的分級開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，考慮了不同的單級開挖高度、巖體強(qiáng)度參數(shù)和支護(hù)時(shí)間等因素，計(jì)算結(jié)果反映了高陡巖石邊坡開挖卸荷和支護(hù)對邊坡變形和穩(wěn)定影響的一般規(guī)律：

(1) 在其它條件相同的情況下，單級開挖高度對巖性較差邊坡的位移和安全系數(shù)影響較大；而對巖體條件較好邊坡影響較小。

(2) 巖體強(qiáng)度參數(shù)對高陡巖石邊坡開挖的位移、安全系數(shù)影響大。

(3) 不同支護(hù)時(shí)間對開挖邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。及時(shí)支護(hù)相比滯后一級支護(hù)，能更好地控制開挖造成的邊坡變形變化，提高邊坡安全系數(shù)，單級開挖15 m比10 m支護(hù)效果更明顯。

因此，實(shí)際高陡邊坡開挖過程中，根據(jù)巖性采取相應(yīng)的單級開挖高度和支護(hù)措施，既有利于保證開挖邊坡的穩(wěn)定，又可控制工程造價(jià)。

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(編輯：黃 玲)

Numerical Simulation on the Excavation and Support of High andSteep Slope of Cable-crane Platform of Jinping Hydropower Station

ZHAO Chuan1,2，F(xiàn)U Cheng-hua1,2，HE Huan2，ZHONG Xue-mei2，ZHOU Dan2

(1.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery under Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039,China; 2.School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, China)

The process of stepped excavation and support of the high-steep slope of cable-crane platform of Jinping hydropower station was simulated using finite element method. The effects of single-stage excavation height, strength parameters of rock mass, and supporting time on the deformation and stability of the slope were analysed. Results indicate that the deformation and safety factor are greatly influenced by the strength parameters of rock mass; when the rock mass is of good conditions, the height of single-stage excavation and the supporting time have small impacts on the deformation and safety factor, but when in poor conditions, the effects are significant, and larger height of single-stage excavation will lead to more obvious support effect. The research results provide reference for the optimization and construction of excavation and supporting scheme of high and steep slope engineering.

Jinping Hydropower Station；high and steep slope; safety factor; excavation height; supporting time; numerical simulation

2014-07-03；

2014-08-23

武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2011B087)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2015045)

趙 川(1989-)，男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要從事巖土工程穩(wěn)定的研究工作，(電話)18482148168(電子信箱)871916370@qq.com。

付成華(1978-)，女，湖北襄陽人，副教授，博士，主要從事水利水電工程的教學(xué)和研究工作，(電話)028-87723028(電子信箱)fuchh_xhu@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.017

TU457

A

1001-5485(2015)08-0094-05

2015,32(08):94-98