丁 欣

（濟(jì)寧市水利工程施工公司,山東 濟(jì)寧 272100）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性的問(wèn)題研究一直都是巖土工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。眾多學(xué)者在巖質(zhì)邊坡的研究中主要研究分析方法主要有以下六大類：結(jié)構(gòu)分析法、經(jīng)驗(yàn)類比法、概率分析法、極限平衡法、地質(zhì)分析法及數(shù)值分析法[1]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)在土木工程中應(yīng)用逐漸廣泛,目前的主要研究方法為極限平衡法和數(shù)值分析法。

在極限平衡法的研究中,邱煥峰等[2]采用有限單元法（FEM）提出了一套完善的邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)及評(píng)價(jià)體系。極限平衡法由于有著物理意義明確和計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)被實(shí)際工程廣泛的運(yùn)用。但極限平衡法引用了過(guò)多的簡(jiǎn)化與假設(shè),與實(shí)際工程中巖體邊坡開(kāi)挖的應(yīng)力應(yīng)變差距較大,因而在使用條件上有很大的局限性。數(shù)值分析法不僅可以研究傳統(tǒng)方法不能研究的邊坡破壞過(guò)程中的發(fā)展進(jìn)程,還可以協(xié)調(diào)巖體與支擋構(gòu)造的一致變形,因而利用數(shù)值分析法進(jìn)行巖石邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性研究。胡建華等[3]采用卸荷巖體力學(xué)理論方法使得開(kāi)挖過(guò)程中卸荷巖體力學(xué)的參數(shù)計(jì)算模擬的計(jì)算流程進(jìn)一步確立。徐平等[4]使用試驗(yàn)的方式,基于邊坡巖體開(kāi)挖卸荷帶及其參數(shù)研究分析了邊坡進(jìn)行了施工開(kāi)挖卸荷效應(yīng)的流變穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,梁霄等[5]采用通用有限元模擬巖體、結(jié)構(gòu)面的非線性力學(xué)性狀采用接觸單元的方式模擬、邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程利用單元生死的特性來(lái)模擬。結(jié)果分析：數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。黃達(dá)等[6]通過(guò)對(duì)裂隙巖體進(jìn)行物理模型試驗(yàn)來(lái)研究分析卸荷狀態(tài)時(shí)應(yīng)力路徑下巖體的強(qiáng)度、變形以及變形破壞特征,并就裂隙的力學(xué)機(jī)制以及其擴(kuò)展演化的過(guò)程進(jìn)行研究分析。胡海浪[7]使用卸荷巖體力學(xué)和開(kāi)挖過(guò)程的彈塑性變形理論方法對(duì)邊坡開(kāi)挖中卸荷效應(yīng)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值和理論分析。

前人運(yùn)用數(shù)值分析方法主要集中在巖體開(kāi)挖的穩(wěn)定性卸荷[8]的過(guò)程中,而沒(méi)有進(jìn)一步應(yīng)用于水利工程中。鑒于此,本文擬以金佛山水庫(kù)實(shí)際工程應(yīng)用背景出發(fā),研究在卸荷效應(yīng)作用下巖質(zhì)邊坡的開(kāi)挖穩(wěn)定性。

2 工程概況

某水庫(kù)壩址區(qū)位于深切中山地貌的環(huán)境下。河道是一條長(zhǎng)度411 m、流向?yàn)槲髌?8°方向,河流陡坡為1.1%的較為順直的河道。為左陡右緩的河流形態(tài),呈現(xiàn)出兩端對(duì)齊的的U型河谷,正常蓄水位836 m對(duì)應(yīng)河谷的寬度為313 m。河流左側(cè)為高 120 m～140 m的基巖陡崖。其中坡度約60°主要分布于775 m高程以下,坡度約70°主要分布于755 m～885 m高程,坡度約36°主要分布于840 m～920 m高程,755 m～885 m高程坡度約80°,而840 m～920 m高程坡度約38°,900 m以上高程地形則相對(duì)較為平緩。

3 模型介紹

3.1 有限元模型

建模主要依據(jù)于南川金佛山水利工程地質(zhì)平面圖,對(duì)圖1中的1-1截面建立模型,由于 1-1 剖面穿過(guò)了兩條較大的裂隙（X1和X2兩條裂隙）,是相對(duì)較為不好的地質(zhì)條件,對(duì)此建立模型可以解決此工程中較為普遍的問(wèn)題；1-1截面位于鉆孔取樣檢測(cè)較為廣泛的壩址左壩肩,同時(shí)擁有豐富的地質(zhì)資料,作為分析大壩的安全性與穩(wěn)定性的研究,1-1截面能夠提供很好的參考意義。建立的模型見(jiàn)圖1。模型高度為151 m,該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)左岸邊坡坡頂高度。并向兩側(cè)下方延伸,其兩側(cè)延伸長(zhǎng)度為坡高的5 倍,下方的延伸長(zhǎng)度為坡高的4 倍。因此,這一舉措減少了邊界約束對(duì)坡體的影響,還能夠較為真實(shí)地反映出坡體在力的作用下的變形。

圖1 滲流穩(wěn)定性計(jì)算成果

圖2 開(kāi)挖剖面幾何模型

由勘察報(bào)告的結(jié)果所知,對(duì)于本次模擬,主要構(gòu)建三層地質(zhì)巖層,最上層為頁(yè)巖、中層為粉砂巖、最下層為頁(yè)巖；從坡面至坡內(nèi)依次劃分為強(qiáng)卸荷帶巖層、弱卸荷帶巖層、基巖巖層。開(kāi)挖坡面的幾何模型見(jiàn)圖3。

圖3 開(kāi)挖坡面幾何模型

3.2 單元及網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件ANSYS建立了數(shù)值模型。巖體破壞的屈服準(zhǔn)則依據(jù)的是破壞準(zhǔn)則。在反映巖體抗拉強(qiáng)度小、抗壓強(qiáng)度大等方面,該破壞準(zhǔn)則具有很大的優(yōu)勢(shì)。

該模型的單元擬采用以下方法進(jìn)行選取：構(gòu)建PLANE82 （具有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)的四邊形單元）巖體單元,對(duì)于模擬曲線邊界的模型具有很好的適用性。同時(shí)構(gòu)建了錨桿單元,X1 和X2 裂隙采用了空單元進(jìn)行模擬。本開(kāi)挖坡面模型數(shù)值模擬計(jì)算共有36412 個(gè)單元,其中在左岸邊坡分布有24304 個(gè)單元,剩余的單元全部分布在距離研究對(duì)象450 m的范圍內(nèi)。單元選取的過(guò)程中遵循以下原則：在開(kāi)挖巖體的范圍內(nèi),巖體、X1 和X2 裂隙采用較密的單元進(jìn)行劃分。非研究對(duì)象的單元網(wǎng)格按距離為梯度依次增大單元體間隙。由以上原則劃分的單元體由于開(kāi)挖范圍內(nèi)單元?jiǎng)澐州^為密集,在單元網(wǎng)格圖中顯示為顏色較深的區(qū)域,有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖4。

圖4 有限元單元網(wǎng)格圖

3.3 不同工況下模型的建立

為了使模擬的結(jié)果更加符合邊坡開(kāi)挖的實(shí)際過(guò)程,從而分析該水庫(kù)邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定性,本模型按照與實(shí)際工程開(kāi)挖相符的由上而下逐層開(kāi)挖、逐層支護(hù)的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程進(jìn)行模擬,設(shè)計(jì)了幾組不同的計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比各組模擬結(jié)果,擬比較分析以下待解決的問(wèn)題：

通過(guò)對(duì)第一、二組模型的計(jì)算分析,可以比較分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性、合理性。比較分析不同施工方案的作用效果,判斷得出多余的處理措施以及尋找待加強(qiáng)的工程防護(hù),使得工程在安全性的基礎(chǔ)上,經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

通過(guò)對(duì)第三、四組模型的計(jì)算分析,擬探究開(kāi)挖卸荷作用對(duì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的的變形量影響,進(jìn)而分析就其對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。依此驗(yàn)證邊坡開(kāi)挖模型考慮卸荷效應(yīng)的影響更能體現(xiàn)實(shí)際受力狀況。

4 結(jié)果分析

本節(jié)就變形和應(yīng)力對(duì)第四組的結(jié)果進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證其合理性,將其與未考慮卸荷效應(yīng)的情況進(jìn)行對(duì)比。

4.1 應(yīng)力和塑性區(qū)

（1）開(kāi)挖前

圖5為自重作用下邊坡的第一主應(yīng)力分布圖。由圖可知,在左岸邊坡位置,拉應(yīng)力區(qū)主要集中在第二級(jí)和第五級(jí)馬道附近以及坡頂處。其中,第二級(jí)馬道附近的拉應(yīng)力約為0.1 MPa～0.5 MPa,第五級(jí)馬道附近及坡頂處的拉應(yīng)力約為0.5 MPa～0.8 MPa。其它區(qū)域無(wú)明顯拉應(yīng)力存在。從圖6 塑性區(qū)分布圖可知,僅在坡腳處有部分區(qū)域出現(xiàn)了壓剪破壞,其他區(qū)域沒(méi)有分析塑性區(qū)分布,這是由于自重作用產(chǎn)生的。

圖5 邊坡拉應(yīng)力圖

圖6 塑性區(qū)分布圖

（2）開(kāi)挖后

由圖7、圖8可知,拉應(yīng)力區(qū)在開(kāi)挖形成的馬道下部出現(xiàn),其拉應(yīng)力值約為0.1 MPa～1 MPa。局部區(qū)域的拉應(yīng)力值達(dá)到了6.2 MPa,即已經(jīng)發(fā)生了破壞。從塑性區(qū)圖中不難發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域已經(jīng)形成了局部塑性區(qū),但未連通。因此,有必要采取一定的技術(shù)手段來(lái)保證在施工過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性。

圖7 拉應(yīng)力分布圖

圖8 塑性區(qū)分布圖

4.2 邊坡位移分析

本節(jié)選取了10 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)以便于研究分析邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的位移,其位置分布見(jiàn)圖9。

圖9 位移觀測(cè)點(diǎn)位置圖

圖10、圖11 和圖12 為3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線,這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是具有一定代表性的。由時(shí)程曲線圖可以看出,邊坡開(kāi)挖在Y方向引起的位移是相對(duì)穩(wěn)定的。邊坡會(huì)發(fā)生整體向下的位移考慮到這是由于自重的作用。開(kāi)挖卸載開(kāi)始后,邊坡位移就開(kāi)始發(fā)生了一定的回彈,這一現(xiàn)象通過(guò)Y方向的位移時(shí)程曲線圖得到了驗(yàn)證。不同于Y方向的變化,X方向在進(jìn)行逐步開(kāi)挖時(shí)會(huì)在形成的新坡面產(chǎn)生反方向的位移,進(jìn)一步開(kāi)挖后,坡面的位移方向又回到了X方向。因此,X方向的整體位移變化規(guī)律是比較復(fù)雜。由于山體外形特征的影響會(huì)出現(xiàn)一些特殊位置,如10 號(hào)點(diǎn)是邊坡上的一個(gè)內(nèi)凹關(guān)鍵點(diǎn)。該關(guān)鍵點(diǎn)由于自重作用會(huì)在X方向產(chǎn)生較大的位移并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些位置的點(diǎn)均產(chǎn)生了 X方向的位移,這是由于部分區(qū)域發(fā)生擠壓作用促使的。因此,在開(kāi)挖該點(diǎn)附近的巖體時(shí)會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的向反方向的位移,見(jiàn)圖10～圖12。開(kāi)挖結(jié)束后,10 號(hào)點(diǎn)在X方向也就不再產(chǎn)生位移了。

圖10 X、Y方向的位移圖9(1號(hào)點(diǎn))

圖11 X、Y方向的位移圖( 5號(hào)點(diǎn))

圖12 X、Y方向的位移圖(10號(hào)點(diǎn))

4.3 考慮卸荷和未考慮卸荷的對(duì)比

（1）應(yīng)力和塑性區(qū)分步

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13和圖14,圖7和圖8為第四組計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)4.1.2節(jié)）。由對(duì)比可知,兩組應(yīng)力結(jié)果在量值上無(wú)明顯差異。其中第三組最大拉應(yīng)力為5.5 MPa,第四組最大應(yīng)力為6.2 MPa,兩組相差13%。在塑性區(qū)方面,兩組均在坡腳處的部分區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)。第三組未塑性區(qū),而第四組會(huì)產(chǎn)生局部的塑性區(qū),該區(qū)域是在開(kāi)挖形成后的馬道下部產(chǎn)生的。第三組和第四組出現(xiàn)的最大塑性應(yīng)變分別為0.0019、0.0026,兩者相差37%。

圖13 拉應(yīng)力區(qū)分布

圖14 塑性區(qū)

（2）位移值對(duì)比分析

第三組和第四組的位移結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：關(guān)鍵點(diǎn)1～8號(hào)的位移結(jié)果從坡底到坡頂呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這是巖體應(yīng)力大小不同和開(kāi)挖體相對(duì)坡體較小造成的。通過(guò)對(duì)比三、四組的位移結(jié)果發(fā)現(xiàn)未考慮卸荷效應(yīng)的位移結(jié)果值要小于考慮了卸荷效應(yīng)的位移結(jié)果。參考工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)考慮卸荷效應(yīng)的結(jié)果值更接近實(shí)際測(cè)量位移值。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)的位移表

5 結(jié)論

本文基于某水庫(kù)地質(zhì)構(gòu)造、施工工況、巖體物理力學(xué)參數(shù),通過(guò)ANSYS對(duì)開(kāi)挖坡面進(jìn)行了數(shù)值分析。通過(guò)對(duì)比不對(duì)裂隙進(jìn)行處理、灌漿的方法對(duì)裂隙進(jìn)行處理、考慮錨索的加固效應(yīng)、考慮巖體開(kāi)挖過(guò)程的卸荷效應(yīng)的四種不同工況,得到了下列結(jié)論：

（1）由于X1 裂隙開(kāi)口較大,張開(kāi)角度最大處為0.45 m,且距離開(kāi)挖面較近,不進(jìn)行處理的模型第五步出現(xiàn)不收斂,直接開(kāi)展施工安全性較低,對(duì)裂隙進(jìn)行灌漿處理更有利于邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定性。

（2）由于裂隙的擴(kuò)展,灌漿后的裂隙也不能完全保持穩(wěn)定,完成了前六步開(kāi)挖模擬計(jì)算,但第七步的開(kāi)挖模擬計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)不收斂。由于第六步完成后開(kāi)挖巖方量較大,卸荷作用較為明顯第六步開(kāi)挖后的馬道與第七步開(kāi)挖的巖體出現(xiàn)了較大區(qū)域的塑性變形,因而需要采取錨索加固的方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固,以保證巖體邊坡的穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)對(duì)第三、四組模擬結(jié)果的對(duì)比分析比較,計(jì)算工況將錨索的加固效應(yīng)加入模擬中,使得模型的模擬計(jì)算結(jié)果收斂。但考慮卸荷效應(yīng)時(shí)計(jì)算的結(jié)果較不考慮時(shí)大,因而應(yīng)用于工程實(shí)踐中是偏于安全的。

（4）從工程的實(shí)際施工過(guò)程也得以驗(yàn)證,考慮巖體開(kāi)挖過(guò)程中的卸荷效應(yīng)與實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中更相符。