帕爾哈提·艾則孜

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

克拉瑪依市位于我國(guó)西北部邊陲，常年干旱缺水、人民群眾引水困難，水資源短缺嚴(yán)重制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了緩解當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娙彼F(xiàn)狀，保障地區(qū)工業(yè)發(fā)展需水和進(jìn)一步促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在準(zhǔn)格爾沙漠北部，開工建設(shè)了一座以農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水為主、兼顧防洪的具有綜合開發(fā)任務(wù)的?。?）型水利樞紐工程。水庫(kù)建成后，將年新增工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水水量1611萬(wàn)m3，年保障農(nóng)業(yè)灌溉供水量3964.72萬(wàn)m3，調(diào)蓄洪水可將水庫(kù)下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)由目前的不足5年一遇提高到10年一遇，減少洪水對(duì)下游的危害，同時(shí)將有效滿足新增工業(yè)供水的需求，為新型工業(yè)化建設(shè)提供水資源保障。該水庫(kù)兩岸山體陡峻，開挖難度大，易產(chǎn)生滑坡坍塌等邊坡地質(zhì)災(zāi)害。本文針對(duì)工程不同部位邊坡的特性及破壞型，采用彈塑性有限單元法對(duì)具有代表性的大壩左岸邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬。

1 邊坡地質(zhì)條件

水庫(kù)壩址區(qū)為地質(zhì)條件為粉砂質(zhì)粘土巖，山體相對(duì)平緩，岸坡一般25°～35°，材料分區(qū)從上到下依次為P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，除 S1sh 及 O2sh+b 層以中硬的灰?guī)r、砂巖為主外，其余各層主要為頁(yè)巖、粘土巖及泥質(zhì)粉砂巖，巖石軟弱，易風(fēng)化，其中，兩岸強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚5 m～17 m，河床強(qiáng)、弱風(fēng)化層厚6 m～10 m。在P1m、P1q層中，據(jù)地質(zhì)測(cè)繪與調(diào)查，兩岸地表長(zhǎng)大裂隙共計(jì)135條。長(zhǎng)度一般為10 m～30 m，大于30 m的占極少數(shù)，其發(fā)育方向主要有兩組，即 270°～300°，301°～330°組。多為陡傾角裂隙，溶蝕、卸荷張開，裂隙優(yōu)勢(shì)走向與谷坡走向近平行，卸荷作用明顯。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定分析方法較多，一般根據(jù)邊坡類型、滑移機(jī)制、邊坡變形與穩(wěn)定控制要求等進(jìn)行選擇。針對(duì)工程不同部位邊坡的特性及破壞型式，大壩區(qū)邊坡巖體上硬下軟，采用彈塑性有限單元法對(duì)水庫(kù)大壩左岸邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)邊坡的應(yīng)力狀態(tài)、變形及屈服情況進(jìn)行分析；同時(shí)，采用離散單元法對(duì)可能的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析，并對(duì)其整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 彈塑性有限單元法邊坡穩(wěn)定分析

2.1.1 荷載

a.邊坡巖體自重；

b.開挖過程中的荷載：由開挖卸荷產(chǎn)生。

水庫(kù)工程區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較低，初始應(yīng)力主要由自重產(chǎn)生，所以初始應(yīng)力場(chǎng)按自重進(jìn)行模擬。區(qū)域天然情況地下水較低，對(duì)邊坡穩(wěn)定分析時(shí)未考慮地下水的影響。

2.1.2 巖體力學(xué)參數(shù)

計(jì)算中所用到的巖體力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查報(bào)告中的數(shù)據(jù)，卸荷帶巖體力學(xué)參數(shù)按卸荷帶外巖體的0.6倍進(jìn)行計(jì)算[1-2]。巖體材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。計(jì)算斷面內(nèi)材料分區(qū)從上到下依次為P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1L、S2h1-2、S2h1-1、S1sh2、S1sh1、S1L、O2sh+b、O1m3，各巖層靠近臨空面附近均存在一定范圍的卸荷帶。

因?yàn)樾逼卤砻娓浇鄬?duì)松散的塊基本上在挖掘范圍之內(nèi)，這些松散塊的局部穩(wěn)定性在計(jì)算模型中不被考慮，而被認(rèn)為是均勻連續(xù)體。整個(gè)計(jì)算與邊坡的整體穩(wěn)定性有關(guān)[3]。

2.1.3 計(jì)算工況

選擇大壩左岸邊坡斷面進(jìn)行計(jì)算，按照天然情況（自重應(yīng)力場(chǎng)）及邊坡開挖，不考慮系統(tǒng)錨固措施兩個(gè)工況進(jìn)行應(yīng)力模擬分析。

2.1.4 計(jì)算結(jié)論

a.邊坡巖體的位移場(chǎng)主要是由開挖應(yīng)力釋放和調(diào)整引起的。開挖完成后最大水平位移3.8 cm，位于464.0 m高程；最大鉛直位移3.1 cm，位于428.00 m高程。位移矢量見圖1。

圖1 開挖后位移矢量

b.開挖完成后位移矢見圖1，垂直開挖附近的主應(yīng)力（第一主應(yīng)力）方向接近于垂直開挖方向，主壓力應(yīng)力方向改為拉伸應(yīng)力方向，主要的拉伸應(yīng)力為0到0.90 MPa。二次主應(yīng)力（第三主應(yīng)力）方向接近平行開挖面方向，基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在邊坡開挖臺(tái)階的拐角處，應(yīng)力集中程度不同，地表附近的最大壓力應(yīng)力值約為3.4 MPa。

c.在自重作用下邊坡在坡腳部位具有一定范圍的壓剪屈服區(qū)（見圖2），開挖后屈服區(qū)分布見圖3。與自重情況相比，在坡腳部位屈服區(qū)往深度方向有一定程度的發(fā)展，但各級(jí)坡均未現(xiàn)貫通屈服區(qū)，因此，邊坡整體是穩(wěn)定的且有一定安全余度。

圖2 自重工況屈服區(qū)

圖3 開挖后屈服區(qū)

2.2 離散單元法失穩(wěn)破壞模式分析

2.2.1 模型概化

根據(jù)巖體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、層間位錯(cuò)和裂隙，將邊坡巖體劃分為塊體，構(gòu)成離散單元的計(jì)算網(wǎng)格。塊通過切線、正常Springs、切線和普通阻尼器連接。塊的力的大小和方向是由塊的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)決定的[4]。

考慮到實(shí)際裂縫分布具有一定的連接率，離散單元法將邊坡劃分為連接率為100%的單元[5]。因此，應(yīng)考慮單元的結(jié)構(gòu)面參數(shù)的實(shí)際連接率，并選擇巖體的加權(quán)平均值和結(jié)構(gòu)面參數(shù)?？紤]到巖體一旦產(chǎn)生滑動(dòng)粘結(jié)強(qiáng)度，其內(nèi)聚度取結(jié)構(gòu)面本身的值，通過加權(quán)公式減小強(qiáng)度指數(shù)f：

式中：f為加權(quán)后的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)；f1為巖體強(qiáng)度指標(biāo)；f2為結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)；Φ為連通率。

按上式取75%的連通率根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行概化得到計(jì)算中使用的巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

裂隙的線剛度無(wú)實(shí)測(cè)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取塊體之間彈簧的法向和切向線剛度均為10 GPa。

2.2.2 開挖邊坡安全系數(shù)定義

分析開挖邊坡穩(wěn)定安全性的方法如下：模擬邊坡在自重及開挖卸荷作用下穩(wěn)定后，按比例降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，直到邊坡有比較大的滑坡或特別大的位移發(fā)生，據(jù)此來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定安全性?？梢远x邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)如下：

式中，fcr、ccr為結(jié)構(gòu)面的臨界摩擦系數(shù)和凝聚力；f、c為結(jié)構(gòu)面的初始摩擦系數(shù)和凝聚力。

離散單元法尚無(wú)可遵循的規(guī)范，其安全系數(shù)的定義不同于剛體極限平衡法，故其對(duì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)亦不能套用極限平衡法允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.3 計(jì)算網(wǎng)格

據(jù)該斷面所揭示的斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、層面及相對(duì)發(fā)育的節(jié)理裂隙進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4網(wǎng)格較密，表示節(jié)理裂隙十分發(fā)育；圖5網(wǎng)格稀疏近一倍，表示裂隙節(jié)理不十分發(fā)育，或邊坡經(jīng)加固后巖體完整性得到提高。

圖4 離散元密網(wǎng)格

圖5 離散元稀網(wǎng)格

2.2.4 計(jì)算成果

a.當(dāng)節(jié)理裂隙十分發(fā)育時(shí)，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。對(duì)于節(jié)理裂隙不十分發(fā)育，或邊坡經(jīng)過支護(hù)加固處理巖體完整性得到提高后，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到2.5以上。

b.開挖邊坡與自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)基本相同，均不小于1.25。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，下部軟巖的開挖引起坡腳滑動(dòng)。因此，對(duì)上部已開挖邊坡必須支護(hù)完畢后才能對(duì)下部軟巖進(jìn)行開挖。

c.在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)失穩(wěn)，深層巖體仍保持穩(wěn)定。失穩(wěn)破壞形態(tài)見圖6和圖7。

圖6 密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降至初始值0.6倍破壞形態(tài)

圖7 稀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降至初始值0.4倍破壞形態(tài)

3 結(jié)論

彈塑性有限單元法對(duì)邊坡開挖施工過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)邊坡的應(yīng)力狀態(tài)、變形及屈服情況進(jìn)行分析：邊坡巖體的位移場(chǎng)主要是由開挖引起的應(yīng)力釋放和調(diào)整引起的。開挖完成后，開挖面附近的主應(yīng)力方向接近豎直開挖面的方向，主應(yīng)力的局部方向由主應(yīng)力方向向主拉應(yīng)力方向變化。亞主應(yīng)力方向接近平行開挖面方向，基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在邊坡開挖臺(tái)階的拐角處，有不同程度的應(yīng)力集中。在自重作用下邊坡在坡腳部位具有一定范圍的壓剪屈服區(qū)，與自重情況相比，在坡腳部位屈服區(qū)往深度方向有一定程度的發(fā)展，但各級(jí)坡均未現(xiàn)貫通屈服區(qū)，因此，邊坡整體是穩(wěn)定的且有一定安全余度。

采用離散單元法對(duì)可能的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析，并對(duì)其整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)：當(dāng)節(jié)理裂隙十分發(fā)育時(shí)，左岸邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。開挖邊坡和自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)相當(dāng)，左岸自然邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，下部軟巖的開挖引起坡腳滑動(dòng)。因此，對(duì)上部已開挖邊坡必須支護(hù)完畢后才能對(duì)下部軟巖進(jìn)行開挖。在邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低到臨界值以下時(shí)，邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)失穩(wěn)，深層巖體仍保持穩(wěn)定。