徐 晉,王志剛
(廣州市市政工程設(shè)計研究總院,廣東 廣州 510060)
基于ADINA的某水電站開關(guān)站邊坡穩(wěn)定性分析
徐 晉,王志剛
(廣州市市政工程設(shè)計研究總院,廣東 廣州 510060)
結(jié)合實際工程現(xiàn)況,對邊坡的巖體穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)面分級及巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分等進行了綜合分析;運用有限元軟件ADINA建立了三維彈塑性有限元模型,動態(tài)模擬邊坡的開挖加固過程,并就三種工況下的邊坡穩(wěn)定性予以討論,模擬了加固過程;最后對邊坡穩(wěn)定性進行定量分析。
邊坡;穩(wěn)定性;有限元軟件ADINA,錨固;水電站
有限單元法是20世紀50年代之后隨著計算機的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的一種數(shù)值模擬計算方法。由于有限單元法的通用性和靈活性,適用于具有不規(guī)則幾何圖形和邊界條件比較復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問題,而這些問題用古典的或常規(guī)的分析方法在以往是很難解答的,因此有限單元法的發(fā)展極為迅速,并且在各向異性、非線性及與時間有關(guān)的材料等方面有著獨到之處。
2.1地層巖性
開關(guān)站位于大理巖形成的層面坡上,自然坡度約35°~40°。上游側(cè)分布有厚約0~0.5 m的坡殘積堆積,植被較多?;鶐r巖性為深灰色中厚~厚層狀大理巖、條帶狀大理巖,夾綠片巖透鏡體,總體產(chǎn)狀N20°~40°E,NW∠30°~40°。除f13斷層從開關(guān)站后緣高程通過,以N50°E,SE∠70°產(chǎn)狀往山里延伸外,斷層、層間擠壓破碎帶不發(fā)育。前期地質(zhì)調(diào)查和勘探揭示,場區(qū)自然岸坡中未發(fā)現(xiàn)變形跡象,自然岸坡整體穩(wěn)定。圖1為開關(guān)站剖面布置圖,表1為巖體及結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)。
2.2滑動面確定
開挖邊坡中對開挖坡穩(wěn)定起控制作用的主要結(jié)構(gòu)面包括層間擠壓破碎帶、風(fēng)化的綠片巖夾層、層面裂隙、淺表部的NE向卸荷裂隙。以層面裂隙或風(fēng)化綠片巖夾層或?qū)娱g擠壓破碎帶為底滑面,在此底滑面的不同位置作相互平行的陡傾節(jié)理(傾向和傾角固定)作為后緣滑面,然后驗算不同組合滑面的安全系數(shù),得到最小安全系數(shù)的滑面。
圖1 開關(guān)站剖面布置圖
表1 巖體及結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)
3.1模型的建立[2]
(1)材料模型:巖體和斷層均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,預(yù)應(yīng)力錨索采用雙線性彈塑性本構(gòu)。
(2)荷載條件:主要有地應(yīng)力場、重力,同時考慮三種工況(正常工況、暴雨工況、地震工況)。
(3)邊界條件:平行邊坡走向界、垂直邊坡走向界和底部邊界分別取法向支座約束。
(4)單元類型:巖體和斷層采用三維四面體四節(jié)點的實體單元模擬,預(yù)應(yīng)力錨索采用truss單元模擬。
3.2動態(tài)應(yīng)力變形分析
3.2.1初始應(yīng)力場分析
由于邊坡開挖量不大,且處于邊坡淺表卸荷松弛區(qū),這種處理對結(jié)果影響相對較小,因而采用自重應(yīng)力場來模擬初始應(yīng)力是合理的。本文著重分析剖面(見圖2)。
圖2 剖面初始有效應(yīng)力分布圖
邊坡在天然狀態(tài)下的初始地應(yīng)力場符合一般初始應(yīng)力場分布規(guī)律:地應(yīng)力分布以垂直向分布為主,從地表向巖層深部豎向應(yīng)力σz逐步增大,同時接近坡面處的最大主應(yīng)力方向和坡面平行,最小主應(yīng)力方向和坡面垂直。從圖2可以看出,由于斷層f13的作用,上下兩盤的應(yīng)力分布呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài),斷層帶處的應(yīng)力較小,兩側(cè)應(yīng)力較大,斷層帶附近部分區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象。
3.2.2應(yīng)力計算分析圖
邊坡開挖過程中有效應(yīng)力云圖和壓應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。
圖3 第一步開挖下有效應(yīng)力分布圖
圖4 第三步開挖下壓應(yīng)力分布圖
(1)坡體在開挖時,其內(nèi)部有效應(yīng)力分布變化不大,在開挖面上存在略微減小,而在斷層f13附近應(yīng)力出現(xiàn)明顯的界限,破壞了其連續(xù)性。
(2)施工工序采用逐層開挖,坡體表面近似處于低拉應(yīng)力狀態(tài)。在開挖過程中,出現(xiàn)了拉應(yīng)力,大小約為0.14 MPa。同時,邊坡開挖表面形成的拉應(yīng)力區(qū)大多分布在開挖表面上緣及坡角,可能在施工過程中引起邊坡淺表局部破壞,需加強監(jiān)測。
3.2.3位移變形分析
分析邊坡的1-1剖面在3種工況(天然工況﹑暴雨工況﹑地震工況)下的位移變化(見圖5~圖8)。
圖5 第二步開挖下水平向位移圖(天然工況)
圖6 第三步開挖下水平向位移圖(天然工況)
圖7 第三步開挖下水平向位移圖(暴雨工況)
圖8 第三步開挖下水平向位移圖(地震工況)
在開挖過程中最大變形出現(xiàn)的位置及量值見表2。
表2 坡體開挖過程中水平方向最大位移出現(xiàn)位置及量值
(1)開挖過程中邊坡水平向位移隨開挖工程的進行出現(xiàn)了增加的變化趨勢,這主要是由于臨空面的產(chǎn)生導(dǎo)致了邊坡向臨空方向產(chǎn)生位移。在開挖過程中,需要對其進行錨固監(jiān)測。
(2)從變形在不同工況下的值來看:在天然工況下,最大水平方向位移量為1.563 cm;在暴雨工況下,最大水平方向位移量為1.689 cm;在地震工況下,最大水平方向位移量為1.839 cm。表3為各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移。
表3 各種工況下邊坡坡面最大水平方向位移
開挖加固方案為:采取以預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿支護措施和邊坡截、排水為主的方法。其中采用預(yù)應(yīng)力錨索為2 000 kN,錨索深20~60 m,排間距5.0 m×5.0 m,梅花形長短交錯布置,錨固方向為垂直坡面。在一級邊坡安裝4根錨索,二級邊坡安裝7根錨索[3]。
邊坡在預(yù)應(yīng)力錨索加固過程中的位置剖面圖、水平方向位移云圖、壓應(yīng)力云圖如圖9~圖12所示。
圖9 1-1剖面預(yù)應(yīng)力錨索圖
圖10 第三步開挖加固后水平方向位移分布
圖11 第二步開挖加固后壓應(yīng)力分布圖
圖12 第三步開挖加固后壓應(yīng)力分布圖
從圖9~圖12及表4可以得出以下結(jié)論。
(1)邊坡開挖加固后的位移變化特征
在支護條件下,邊坡每步開挖加固后水平方向位移分量的量值可見表4。
表4 1-1剖面開挖加固后邊坡坡面最大水平方向位移
(2)邊坡的應(yīng)力分布特征
在預(yù)應(yīng)力錨索加固條件下,邊坡應(yīng)力變化不大,相比無支護工況,壓應(yīng)力有所增加,應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所改善,并且在第三步開挖后出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)已基本消失,限制了裂隙的發(fā)展,各加固狀態(tài)下相應(yīng)開挖坡面的塑性區(qū)分布,增強了巖體的整體穩(wěn)定性。
(1)在本次有限元模型計算中,層間擠壓錯動帶、風(fēng)化的綠片巖夾層未考慮在內(nèi),同時對部分節(jié)理裂隙進行了概化,與實際地質(zhì)條件并不完全一致,計算結(jié)果與實際情況存在一定的出入,但基本能反應(yīng)開挖邊坡的應(yīng)力場、位移場及邊坡穩(wěn)定狀況。通過三維有限元模擬計算在自重應(yīng)力作用下的天然邊坡可知,初始應(yīng)力場分布符合一般的應(yīng)力分布規(guī)律,整體應(yīng)力變形場穩(wěn)定,邊坡整體穩(wěn)定性較好,對邊坡開挖施工影響不大[4]。
(2)邊坡開挖之后,應(yīng)力重新調(diào)整,在開挖面坡腳出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,且?guī)r體拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在各級邊坡的中上部和各級馬道部位,可能引起邊坡淺表局部破壞,但開挖邊坡的整體位移相對整個邊坡來說比較小。
(3)對邊坡提出如下加固措施:邊坡開挖形成的臨空面宜采用大量的錨索進行支護;考慮到施工及風(fēng)化卸荷等因素的影響,不排除淺層破壞的可能,所以有必要加強坡面淺層防護,如坡面設(shè)計短錨桿及坡面噴射混凝土。
[1]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988.
[2]亞得科技有限公司.ADINA在土木交通工程中的應(yīng)用[Z].北京:亞得科技有限公司,2004.
[3]謝建清,夏如伯.節(jié)理巖體中錨索加固作用分析[J].探礦工程,1998(3):12-14.
[4]張永興.邊坡工程—理論與實踐最新發(fā)展[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.
U417.1
B
1009-7716(2016)04-0185-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.057
2016-01-11
徐晉 (1985-),男,吉林磐石人,工程師,從事巖土工程勘察工作。