湯國忠,呂慶超,張 瑩，胡習(xí)文

(1.新疆葛洲壩大石峽水利樞紐開發(fā)有限公司，新疆 阿克蘇 843000；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

大石峽水利樞紐工程位于新疆自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣與烏什縣境內(nèi)的阿克蘇河一級(jí)支流—庫瑪拉克河上，為Ⅰ等大(1)型工程。聯(lián)合進(jìn)水口邊坡為中孔泄洪排沙洞進(jìn)口、深孔放空洞進(jìn)口閘門井及引水洞進(jìn)口的開挖邊坡，邊坡開挖高度最高200 m(如圖1所示)。天然邊坡走向?yàn)镹E70°，岸坡地形相對較完整，無沖溝發(fā)育。1 676.00 m高程以下坡角約50°，1 676.00～1 700.00 m高程相對較緩，坡角30°～40°，1 700.00 m高程以上坡角45°～50°，局部有高約10 m的陡坎地形[1]。

聯(lián)合進(jìn)水口部位邊坡基巖裸露，基巖為微晶灰?guī)r夾灰質(zhì)礫巖。F45斷層下盤巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，走向NE55°～60°，傾向NW，傾角55°～60°；上盤巖層產(chǎn)狀多變，局部揉皺明顯，走向NE20°～60°，傾向NW，傾角45°～80°。層面較發(fā)育，與洞軸線大角度相交，岸坡總體為順層坡。此外，巖體中隨機(jī)裂隙也較發(fā)育，其中中孔泄洪洞、放空兼排沙洞進(jìn)口部位主要有3組：① NE36°/NW∠63°；② NW320°/SW∠70°；③ NE26°/SE∠50°；引水洞進(jìn)口部位主要有4組：① NE29°/NW∠59°；② NW317°/SW∠77°；③ NW334°/NE∠27°；④ NE18°/NW∠50°。隨機(jī)裂隙與層間小斷層隨機(jī)組合，易形成小面積塌滑現(xiàn)象。

本文結(jié)合大石峽水利樞紐工程地質(zhì)條件，對順層巖質(zhì)邊坡應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開挖過程中沿結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定以及整體變形穩(wěn)定[2-3]。本文采用二維、三維有限元法進(jìn)行施工及運(yùn)行期的變形穩(wěn)定分析[4-6]，采用剛體極限平衡法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析[7-8]，并與二維有限元法計(jì)算成果進(jìn)行對比，驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性，提出需重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，為工程施工及運(yùn)行期安全提供支撐。

圖1 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡開挖現(xiàn)狀 單位：m

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

據(jù)近壩庫岸地形地貌特征，結(jié)合勘探資料，選取代表剖面1-1和2-2為計(jì)算剖面(圖2～3)，分別計(jì)算岸坡二維抗滑穩(wěn)定及變形穩(wěn)定。圖4為二維有限元模型。需要說明的是地質(zhì)剖面中斷層延伸長度僅起示意作用，實(shí)際長度難以確定，但根據(jù)圣維南原理，只要距離坡面足夠遠(yuǎn)，可以認(rèn)為對計(jì)算結(jié)果沒有影響。本次計(jì)算模型中斷層F45、F39延伸長度均超過100 m，且對邊坡穩(wěn)定不起控制作用，不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。由于聯(lián)合進(jìn)水口邊坡三維特征明顯，且受1號(hào)變形體開挖和趾板邊坡開挖的影響，為此建立三維有限元模型進(jìn)行整體穩(wěn)定分析(如圖5所示)，其中開挖后邊坡節(jié)點(diǎn)數(shù)為202 606個(gè)，單元數(shù)為1 078 891個(gè)。模型邊界條件選取為沿河向(x向)約束，垂直河向(y向)約束，底部垂直向(z向)約束。表1為計(jì)算采用的主要巖體物理力學(xué)參數(shù)。

圖2 計(jì)算剖面平面位置

圖3 計(jì)算剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu) 單位：m

圖4 二維有限元模型

圖5 三維有限元模型

表1 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值

1.2 計(jì)算方法及計(jì)算假定

計(jì)算分析方法主要采用有限元計(jì)算法，使用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行計(jì)算。Midas GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件[9]，可以進(jìn)行二維與三維巖土分析，有15種本構(gòu)模型和用戶自定義的本構(gòu)模型，支持靜力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定分析等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實(shí)際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供了多種專業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫。對邊坡的計(jì)算采用強(qiáng)度折減法，輔助手段采用極限平衡計(jì)算方法，以作驗(yàn)證和整體對比分析。

1.3 計(jì)算工況及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

大石峽水利樞紐工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型，樞紐擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物設(shè)計(jì)級(jí)別均為1級(jí)，根據(jù)SL 386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡為1級(jí)邊坡，相應(yīng)不同工況下的設(shè)計(jì)安全系數(shù)如表2所示。主要作用包括巖體自重、地下水作用及地震作用，其中正常運(yùn)用條件、非常運(yùn)用條件Ⅱ采用正常蓄水位(1 700.00 m)對應(yīng)的地下水位；非常運(yùn)用條件Ⅰ中暴雨工況采用可能最大暴雨或久雨發(fā)生的暫態(tài)高地下水位，考慮到所處部位邊坡淺表層存在較強(qiáng)的巖體風(fēng)化和卸荷，巖體破碎，抗變形差、滲透強(qiáng)，在暴雨或久雨條件下坡面入滲水量較多，不足以抬高坡體內(nèi)的地下水位，也難以在潛在滑面處形成暫態(tài)孔隙水壓力，僅考慮降雨對坡體表層物理力學(xué)參數(shù)的影響；非常運(yùn)用條件Ⅱ中的地震作用按照50 a超越概率10%標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為0.365g。

表2 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)

圖6 初步設(shè)計(jì)階段聯(lián)合進(jìn)水口邊坡支護(hù)方案 單位：m

2 二維穩(wěn)定分析

分別采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法對聯(lián)合進(jìn)水口邊坡代表剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。有限元強(qiáng)度折減法是通過同步折減強(qiáng)度參數(shù)f和c使邊坡趨于極限狀態(tài)，邊坡失穩(wěn)時(shí)對應(yīng)的折減系數(shù)等效為安全系數(shù)[10-12]，Griffith證明通過有限元計(jì)算的安全系數(shù)與剛體極限平衡法計(jì)算的安全系數(shù)基本一致，并且由于可以考慮邊坡的變形，其計(jì)算結(jié)果更加合理。鄭穎人院士對有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，這里不再贅述。本次計(jì)算分別采用2種方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)并進(jìn)行對照，表3為計(jì)算結(jié)果匯總?？梢?，按照初步設(shè)計(jì)階段支護(hù)方案(如圖6所示)，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡開挖后各工況的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且裕度較大，滿足規(guī)范要求。

圖7為控制工況(正常蓄水位+地震)下變形分析成果，可見邊坡整體變形較小，最大不超過6 cm，主要集中在1 618.50 m平臺(tái)斷層F45附近，該處局部產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力，后續(xù)結(jié)合進(jìn)水塔基礎(chǔ)處理，不會(huì)對邊坡造成不利影響。從計(jì)算結(jié)果看，采取的治理方案可行有效。

圖7 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡地震工況下變形及矢量

表3 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡計(jì)算安全系數(shù)匯總

3 三維穩(wěn)定分析

采用三維剛體極限平衡法對聯(lián)合進(jìn)水口邊坡可能形成的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行局部抗滑穩(wěn)定分析，然后采用三維非線性有限元對邊坡的整體變形穩(wěn)定進(jìn)行分析。圖8為主要結(jié)構(gòu)面赤平投影圖，其中由L3和f2所形成的塊體(1 670.00 m高程近剖面2-2處)安全系數(shù)最低，但仍滿足規(guī)范要求，各工況下的安全系數(shù)均在2.63以上。因此，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡不會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的塊體失穩(wěn)，但受緩傾坡外層面影響，仍可能形成一些切割較淺的塊體，需根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露情況進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。

圖8 塊體抗滑穩(wěn)定分析

圖9和圖10分別為按照強(qiáng)度折減法計(jì)算，邊坡趨于極限狀態(tài)時(shí)的位移云圖和剪應(yīng)變云圖，反映了邊坡的整體變形趨勢。按初步設(shè)計(jì)方案支護(hù)后，對于整個(gè)1號(hào)變形體及聯(lián)合進(jìn)水口邊坡，其在各種工況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，邊坡整體穩(wěn)定。相較于聯(lián)合進(jìn)水口邊坡，變形較大區(qū)域集中在1號(hào)變形體部位，為避免蓄水后1號(hào)變形體重新啟動(dòng)牽連聯(lián)合進(jìn)水口邊坡，需加強(qiáng)1號(hào)變形體的支護(hù)。

圖9 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡位移 單位：m

圖10 聯(lián)合進(jìn)水口邊坡剪應(yīng)變

與二維計(jì)算結(jié)果相比，三維計(jì)算模型考慮了1號(hào)變形體和趾板邊坡，因此更加符合實(shí)際情況。由于聯(lián)合進(jìn)水邊坡在三維模型中不起控制作用，難以單獨(dú)評價(jià)其穩(wěn)定性，因此，上述二維計(jì)算結(jié)果是對三維計(jì)算結(jié)果的有效補(bǔ)充。鑒于二維計(jì)算時(shí)忽略兩側(cè)巖體的束縛作用，計(jì)算的安全系數(shù)會(huì)偏低，考慮地質(zhì)條件的不確定性，按照規(guī)范要求，采用二維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合進(jìn)水口邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

針對大石峽聯(lián)合進(jìn)水口順層結(jié)構(gòu)邊坡整體穩(wěn)定性較差、施工風(fēng)險(xiǎn)較高等問題，分別采用二維、三維有限元法及剛體極限平衡法進(jìn)行對比計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)聯(lián)合進(jìn)水口邊坡二維計(jì)算結(jié)果可知，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡開挖后各工況的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且裕度較大；受F45斷層影響，1 618.50 m馬道局部變形較大，并產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力，后續(xù)結(jié)合進(jìn)水塔基礎(chǔ)處理，不會(huì)對邊坡造成不利影響。

(2) 受成組裂隙切割，聯(lián)合進(jìn)水口邊坡可能形成若干楔形體，但其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且安全儲(chǔ)備較大，不會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的塊體失穩(wěn)，主要為層面切割形成的淺層塊體，需根據(jù)開挖揭露情況進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)處理。

(3) 根據(jù)1號(hào)變形體和聯(lián)合進(jìn)水口邊坡三維穩(wěn)定分析得知，按初步設(shè)計(jì)方案支護(hù)后，1號(hào)變形體和聯(lián)合進(jìn)水口邊坡在各種工況下安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是1號(hào)變形體部位的安全系數(shù)相對較小，主要變形部位發(fā)生在1號(hào)變形體未開挖部分的底部，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。