張雪晶　謝新生　謝秀新

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院四川成都610065；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司上海虹口200434）

津橋湖泄水庫洪洞出口邊坡開挖穩(wěn)定性分析

張雪晶1謝新生1謝秀新2

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院四川成都610065；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司上海虹口200434）

津橋湖水庫泄洪洞出口邊坡開挖受限，須采取陡邊坡開挖，存在較大安全隱患。因此，本文主要針對該問題，采用有限元軟件A N SY S對泄洪洞出口段建立三維模型，模擬計算泄洪洞出口邊坡開挖應(yīng)力、應(yīng)變場，分析其穩(wěn)定性。以上計算分析可為泄洪洞設(shè)計、施工及后期運行提供參考，具有較高工程價值。

開挖；邊坡；有限元法；穩(wěn)定性分析

1　工程概況

津橋湖水庫位于四川省巴中市區(qū)，橫跨渠江水系一級支流巴河的支流新橋河，沿新橋河距巴河約1km。壩址處流域集雨面積9.96km2，主河道長5.94km，總庫容143.2萬m3，多年平均流量0.22m3/s，水庫正常蓄水位380.0m，相應(yīng)正常蓄水位庫容134.00萬m3，校核洪水位383.07m，總庫容193.0萬m3，死水位370.00m，死庫容26.8萬m3。水庫樞紐主要由大壩、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、原河渠道組成。

泄洪洞位于右岸壩肩，采用塔式進(jìn)水口，進(jìn)口底板高程366.00m，出口底板高程355.00m，孔口尺寸3.8m×3.8m，洞身斷面為圓形，洞徑3.8m（內(nèi)直徑），隧洞總長418m，隧洞頂板埋深5m～40m。水流經(jīng)溢洪道及泄洪放空洞下泄進(jìn)入消力池后進(jìn)入下游河道。

該水庫主要特點為受地形影響，修建在即將成型的鬧市區(qū)內(nèi)，泄洪洞出口下游河道兩岸100m處為一商業(yè)中心。泄洪洞本身及其出口邊坡穩(wěn)定應(yīng)引起足夠重視。

圖1　泄洪洞出口段典型地質(zhì)縱剖圖

2　地質(zhì)條件

隧洞洞身段處于山脊內(nèi)，穿山而過，軸線和山脊基本正交，洞身中部巖性較好且無不利節(jié)理組合。洞身段洞頂板圍巖為（K1b-Ss）泥質(zhì)粉砂巖，洞底及側(cè)壁為（K1b-Ss）泥質(zhì)粉砂巖，穩(wěn)定性較好但強度不足。出口處隧洞頂板巖層層間結(jié)合較差，尤其是砂泥巖交界部位，隧道開挖后頂板因應(yīng)力回彈局部可能松動，如不進(jìn)行及時支護(hù)可能產(chǎn)生一定規(guī)模的坍塌，且泥巖抵抗風(fēng)化能力較差，失水后會快速崩解，可能存在局部剝落和塌塊。

隧洞出口處存在大量堆填（Q4me）棄土，自身穩(wěn)定性差，必須采取可靠的措施，方能進(jìn)行洞口段的開挖。出口右側(cè)邊坡雜草叢生，上部風(fēng)化強烈，下部已被部分棄土覆蓋，見圖1、圖2、圖3。

圖2　泄洪洞出口典型地質(zhì)橫剖圖（1-1）

3　三維有限元法分析

3.1計算模型

在巖土邊坡、地下工程開挖中會遇到無限域或半無限域問題。圣維南認(rèn)為荷載僅對局部范圍有影響，在遠(yuǎn)離荷載作用區(qū)時影響效應(yīng)可忽略。理論計算和實踐表明，開挖釋放荷載及結(jié)構(gòu)應(yīng)力對相鄰巖體應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生明顯作用的范圍大約為開挖結(jié)構(gòu)與周圍巖體接觸面大小的2.5～5倍［1］［2］。

本次計算模型選取范圍為隧0+318.00至隧0+418.00段，及出口段向后延伸20m，總長度120m。寬度分別取洞軸線右側(cè)80.5m，左側(cè)89.5m，總寬度170m?；A(chǔ)向下延伸80m，上部至地表，隧洞出口位置邊坡高度為15m～30m。模型Z方向（正向）沿洞軸線指向下游，Y方向（正向）鉛直向上，X正向指向左岸。模型邊界條件是將基礎(chǔ)底部施加Y方向位移約束，上下游施加Z方向水平位移約束，左右兩側(cè)施加X方向水平位移約束。

圖3　泄洪洞出口典型地質(zhì)橫剖圖（2-2）

表1　邊坡巖體初始參數(shù)建議值

模型采用八節(jié)點六面體實體單元SOLID45模擬巖體。模型共有巖體單元44088。為了研究兩個坡面的變形規(guī)律，取開挖后隧洞口前后各一個斷面作為典型斷面。

3.2邊坡開挖及材料參數(shù)特性

3.2.1開挖方案

為不影響邊坡頂右方的施工道路和民房的安全，開挖分兩級進(jìn)行：①先挖除人工填土，形成一級坡；②第二步挖除出口上部覆蓋層，高程360.00m～375m范圍以開挖坡比1:1形式削坡，高程375m之上部分垂直開挖。出口右側(cè)邊坡以坡比1:0.5自上而下開挖至高程355m，形成二級坡。

3.2.2材料參數(shù)特性

3.3計算工況

開挖是為了確保隧洞在出口處成洞的安全性及上部邊坡的穩(wěn)定性。計算考慮初始工況、施工開挖邊坡穩(wěn)定情況。

3.4邊坡應(yīng)力與變形分析

3.4.1初始地應(yīng)力場

在自重下產(chǎn)生的初始應(yīng)力場，沿X方向（坡向）最大應(yīng)力分布在坡對側(cè)底部，主要是因右側(cè)巖層較厚產(chǎn)生的偏壓，擠壓左側(cè)造成左側(cè)底部壓力最大，值為1.25Mpa。鉛直向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，僅表層與邊界存在拉應(yīng)力，但值較小，主要由邊界效應(yīng)引起，最大壓應(yīng)力分布于右側(cè)坡模型底部，值為2.77MPa，也是因右側(cè)巖體較左側(cè)厚造成。開挖體處順河向應(yīng)力基本受壓，僅表層受到較小拉應(yīng)力，最大值約0.166MPa。

3.4.2無支護(hù)的開挖應(yīng)力與變形分析

（1）第一步開挖應(yīng)力分析

第一步開挖后的典型坡面主應(yīng)力分布：大主應(yīng)力基本受拉，值約0.27MPa～-0.15MPa，小主應(yīng)力受壓，值約0 MPa～-0.31MPa。開挖引起的附加應(yīng)力水平較大，由此產(chǎn)生的第一、二、三附加主應(yīng)力主要分布于開挖體底部及坡面，最大值分別為0.821MPa、0.397MPa、0.366MPa，對穩(wěn)定不利。

（2）第一步開挖引起位移增量分析

第一步開挖后典型坡面引起的變形規(guī)律：坡面沿X方向變形集中在中下部，值約2.33mm～3.74mm，坡腳下部最大回彈量約4.68mm，說明坡腳受開挖影響最敏感，應(yīng)先挖除坡腳上部土體，削破減載，而不應(yīng)直接開挖坡腳。

（3）第二步開挖應(yīng)力分析

繼續(xù)開挖后，典型斷面主應(yīng)力分布：一級坡面（斷面2-2）與二級坡面（斷面1-1）應(yīng)力水平基本相當(dāng)，大主應(yīng)力基本受拉，值約為-0.11～0.16MPa，對坡面穩(wěn)定不利。小主應(yīng)力均為受壓，值約為-0.3MPa～0MPa。

（4）第二步開挖引起位移增量分析

第二步開挖引起的典型斷面位移規(guī)律：典型斷面1-1及2-2變形規(guī)律基本一致，水平位移均在坡的中下部較大，最大值分別為4.0mm、4.19mm。坡底鉛直位移亦基本一致，最大值分別8.0mm、8.83mm。

3.5邊坡塑性區(qū)分析

塑性變形是因物體變形超出了彈性范圍，產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形。是破壞開始前的預(yù)兆，塑性區(qū)的出現(xiàn)及范圍大小可很好的說明塑性破壞的程度。

考慮到一級坡坡高約30m，是本次開挖的重點關(guān)注部位，故取本級坡典型斷面2-2研究其塑性區(qū)分布規(guī)律。

第一步挖除隧洞口雜填土后，卸荷使得巖體受拉后率先產(chǎn)生塑性變形，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在一級坡坡腳，高度約5m，深度約4m。當(dāng)繼續(xù)開挖后，塑性區(qū)不斷向內(nèi)擴(kuò)大，并有向上發(fā)展趨勢，高度約7m，深度約5m，同時在第二級坡腳也出現(xiàn)了塑性區(qū)，但范圍不大。由于一級坡高度較二級坡大，且塑性區(qū)范圍也相對較大，若一級坡塑性區(qū)不斷向上擴(kuò)大，最終貫通，將導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞，因此，對邊坡采用加固是十分必要的。

4　支護(hù)措施

開挖后邊坡總體上是穩(wěn)定的。但邊坡巖體強度較低，為防止變形加劇仍需及時支護(hù)。

開挖后邊坡采取噴錨加固方式，即掛鋼筋網(wǎng)噴C20混凝土，厚15cm，采用B28自進(jìn)式錨桿，長3.5m，縱橫間距1m，如圖4、5。當(dāng)噴錨加固后，第二級坡腳處塑性區(qū)消失，第一級坡（出口右側(cè)坡）腳塑性區(qū)范圍有所減小，只是表層塑性區(qū)范圍縮小，其深度和高度基本無變化，說明加固對第二級坡有一定效果，對第一級坡無明顯效果。

表2　邊坡巖體支護(hù)設(shè)計

圖4　出口右側(cè)邊坡支護(hù)示意圖

圖5　出口上部邊坡支護(hù)示意圖

5　結(jié)語

本文主要分析了邊坡開挖前后的應(yīng)力、應(yīng)變及典型斷面的塑性區(qū)情況，有如下結(jié)論：

（1）本邊坡的特點是巖體參數(shù)較低，在有限擾動下，且變形較小情況下坡腳就出現(xiàn)塑性區(qū)，如不支護(hù)坡腳會最先破壞。因此，要對邊坡采取加固措施。

（2）噴錨支護(hù)后，二級坡變形改善顯著，塑性區(qū)基本消失。但一級坡變形改善效果較小。鑒于一級坡為重點加固部位，因此，加固效果不理想，可能是因為在塑性區(qū)內(nèi)錨固長度僅為3.5m，長度不足，支護(hù)方案有待改善。陜西水利

［1］譚曉慧，王建國，王印.邊坡穩(wěn)定的非線性有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2008，08: 2047-2050.

［2］胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，03:341-342.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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