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        科哈拉水電站廠房后邊坡及基坑穩(wěn)定分析

        2021-05-23 08:10:44艇,蘇
        海河水利 2021年2期
        關(guān)鍵詞:土條安全系數(shù)廠房

        許 艇,蘇 通

        (中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

        通常采用安全系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,因而其可靠度對(duì)邊坡乃至整個(gè)工程的安全有著重要影響?,F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定采用極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性[1],并對(duì)不同工況下的安全系數(shù)有相應(yīng)規(guī)定。近年來(lái),強(qiáng)度折減法[2]因其在理論體系上更加嚴(yán)謹(jǐn),全面滿足了靜力許可、應(yīng)變相容以及巖土體的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,且不需要在計(jì)算之前進(jìn)行土條劃分和預(yù)先假定滑動(dòng)面的形狀和位置等而得到迅速應(yīng)用。但是,強(qiáng)度折減法在判定邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的失穩(wěn)判據(jù)目前尚未形成一致認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)行規(guī)范中也尚未對(duì)強(qiáng)度折減法安全系數(shù)有相應(yīng)規(guī)定。

        在巴基斯坦科哈拉水電站半地下廠房后邊坡及基坑的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)中,綜合使用極限平衡法及強(qiáng)度折減法。采用強(qiáng)度折減法確定三維開挖及支護(hù)過(guò)程中邊坡中最危險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)而對(duì)最危險(xiǎn)位置對(duì)應(yīng)剖面采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算,并滿足相關(guān)規(guī)范要求。基坑穩(wěn)定分析結(jié)合施工步,對(duì)分部開挖施工下不同施工步的變形及錨桿狀態(tài)進(jìn)行分析,最終得出當(dāng)前支護(hù)方案可滿足廠房后邊坡及基坑穩(wěn)定的結(jié)論。

        1 計(jì)算原理及方法

        1.1 計(jì)算原理

        1.1.1 極限平衡法

        極限平衡法把土條假設(shè)成剛塑性體,根據(jù)靜力學(xué)平衡條件及摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則,建立整體力及力矩的平衡方程,進(jìn)而求解某一假設(shè)滑動(dòng)面上的穩(wěn)定安全系數(shù)[3]。其基本流程為:對(duì)邊坡進(jìn)行條分后,在滑動(dòng)土體n個(gè)土條中任取一條記為i,土條上的作用力有:土條本身自重Wi,水平作用力Qi,法向條間力Ei、Ei+1,切向條間力Xi、Xi+1,土條底面法向反力Ni和切向力Ti。當(dāng)土條滿足靜力平衡條件,則其力矢多邊形閉合。對(duì)于整體滑動(dòng)體來(lái)說(shuō),為求得安全系數(shù),需根據(jù)已知條件,結(jié)合平衡方程進(jìn)行求解。而從各條塊的平衡條件能得到的方程遠(yuǎn)不及未知參數(shù)個(gè)數(shù),因此方程組是高次超靜定的,為使得方程得以有解,就需要作出簡(jiǎn)化假定,使得未知參數(shù)減少或方程數(shù)量增加,使方程組轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題?;诓煌募俣ǎ惝a(chǎn)生了各種不同的極限平衡條分法。如,考慮部分條件力作用而不能滿足力的平衡條件的Fellenius 法和簡(jiǎn)化Bishop 法等簡(jiǎn)易條分法;考慮條間力作用并能滿足全部平衡條件的Janbu法和Morgenstern-Price法等嚴(yán)格條分法。

        1.1.2 強(qiáng)度折減法

        強(qiáng)度折減法最早是由Zienkiweicz 等提出的,后被學(xué)者廣泛采用。其方法為對(duì)計(jì)算邊坡的巖土參數(shù)c和Φ值進(jìn)行折減,使得折減后的土體的抗剪強(qiáng)度與邊坡的實(shí)際剪切力相等,那么此時(shí)的極限強(qiáng)度折減系數(shù)被定義為邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)[4]。

        式中:c和φ分別為土體所能提供的抗剪強(qiáng)度(MPa);cf和φf(shuō)分別為維持平衡所需的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度(MPa);Fr為強(qiáng)度折減系數(shù)。

        在邊坡穩(wěn)定性有限元分析計(jì)算中,不斷增加強(qiáng)度折減系數(shù)的數(shù)值,使得邊坡的c和φ值不斷減小,邊坡的抗剪強(qiáng)度也隨著c和φ的降低而不斷減小。當(dāng)整體邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí),此時(shí)的Fr就是邊坡的整體安全系數(shù)[5-6]。

        1.2 計(jì)算方法

        結(jié)合二維邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件GSLOPE 及通用三維有限元分析軟件MIDAS GTS 對(duì)半地下廠房基坑開挖及后邊坡進(jìn)行計(jì)算分析。

        首先通過(guò)三維有限元計(jì)算,采用分部開挖支護(hù)的施工步功能對(duì)邊坡及基坑進(jìn)行開挖及支護(hù)模擬,得出相應(yīng)結(jié)果,并通過(guò)強(qiáng)度折減法找出邊坡最危險(xiǎn)點(diǎn)。對(duì)其所在位置橫縱剖面通過(guò)極限平衡法進(jìn)行計(jì)算,得出對(duì)應(yīng)安全系數(shù),并對(duì)比是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

        2 工程概況

        巴基斯坦科哈拉水電站位于巴基斯坦境內(nèi),為長(zhǎng)距離引水式電站,主要由首部樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房系統(tǒng)三部分組成。首部樞紐包括攔河壩和生態(tài)流量電站等;發(fā)電引水系統(tǒng)主要有電站進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等;電站廠房系統(tǒng)主要包括半地下廠房、尾水渠和升壓站等??刂屏饔蛎娣e14 060 km2,多年平均流量302 m3/s,多年平均年徑流量95.2 億m3。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐,正常蓄水位以下庫(kù)容1 778萬(wàn)m3。攔河壩為曲線形混凝土重力壩,最大壩高69 m,壩頂長(zhǎng)度270 m。2條引水隧洞洞線相互平行,中心線間距45 m,洞徑8.5 m,單洞長(zhǎng)度約17.4 km,總設(shè)計(jì)引水流量425 m3/s。電站總裝機(jī)容量1 124 MW,多年平均總發(fā)電量51.49億kW·h。廠房后邊坡開挖高度約75 m,開挖后邊坡上游覆蓋層最大厚度超過(guò)10 m,后邊坡安全與否對(duì)下游廠房安全起著至關(guān)重要的作用。

        2.1 圍巖特征

        材料分為混合土、強(qiáng)風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖4種,具體地質(zhì)參數(shù)詳見表1。

        表1 巖土材料參數(shù)

        2.2 支護(hù)特征

        廠區(qū)平臺(tái)以下為臨時(shí)邊坡,采用噴錨支護(hù),噴混凝土厚度為100 mm;布置系統(tǒng)錨桿,間排距均為1.5 m,對(duì)于1∶0.1 和直立的邊坡再布置100 t 級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固,錨索間排距4 m。永久邊坡采用噴100 mm 混凝土護(hù)坡加隨機(jī)錨桿支護(hù)。支護(hù)材料具體參數(shù)如下。

        (1)噴混凝土特征參數(shù)?;炷量箟簭?qiáng)度設(shè)計(jì)值≥32 MPa;抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值≥2 MPa;抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值≥3 MPa;彈性模量 2 3 000 MPa;泊松比0.17;容重24 kN/m3。

        (2)錨桿直徑28 mm,長(zhǎng)度6 m,材料為ASTM A615 G60;鋼材屈服強(qiáng)度420 N/mm2;彈性模量200 000 MPa。

        (3)預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度15 m,彈性模量200 000 MPa;設(shè)計(jì)抗拉能力100 t;錨固段長(zhǎng)度5 m??紤]支護(hù)實(shí)施時(shí),圍巖應(yīng)力、變形一般未完全釋放,參考類似工程經(jīng)驗(yàn),支護(hù)實(shí)施時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)張力值采用設(shè)計(jì)抗拉能力的70%。

        3 穩(wěn)定計(jì)算分析

        3.1 計(jì)算工況及標(biāo)準(zhǔn)

        選取2種方案進(jìn)行對(duì)比分析:方案1為廠房天然原始后邊坡方案;方案2 為清除廠房后邊坡覆蓋層方案。計(jì)算工況,詳見表2。

        表2 計(jì)算工況

        參照相關(guān)規(guī)范,本邊坡屬于Ⅱ級(jí)邊坡,要求對(duì)應(yīng)持久狀況穩(wěn)定系數(shù)為1.25、短暫狀況穩(wěn)定系數(shù)為1.15、偶然狀況穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05。

        3.2 模型及邊界條件

        建立三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,圍巖材料選取3D 實(shí)體單元,依據(jù)不同圍巖分層劃分不同巖土參數(shù)。噴混凝土選取殼單元,錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索采用植入式桁架單元。為保證計(jì)算精度,對(duì)基坑及后邊坡區(qū)域加密處理。整體及局部有限元網(wǎng)格模型,如圖1—2所示。

        根據(jù)每層邊坡高度,每次分層開挖高度約為15 m;對(duì)模型底面施加全約束,對(duì)周邊圍巖施加X(jué) 及Y 向約束。模型整體施加重力荷載,并按照不同工況施加對(duì)應(yīng)不同地下水位線。

        圖1 廠房后邊坡及基坑開挖有限元網(wǎng)格

        圖2 噴混凝土有限元網(wǎng)格

        3.3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

        采用三維有限元計(jì)算分層開挖支護(hù),施工完成后不同方案對(duì)應(yīng)安全系數(shù)云圖如圖3—4 所示。由圖3-4可知,對(duì)應(yīng)最危險(xiǎn)樁號(hào)為Pt 0+065.73,選取對(duì)應(yīng)剖面采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算,正常工況下對(duì)應(yīng)安全系數(shù)結(jié)果如圖5—6所示。

        圖3 天然原始后邊坡開挖后安全系數(shù)云圖(方案1)

        圖4 清除覆蓋層后邊坡開挖后安全系數(shù)云圖(方案2)

        圖5 天然原始后邊坡開挖后安全系數(shù)(方案1)

        圖6 清除覆蓋層后邊坡開挖后安全系數(shù)(方案2)

        經(jīng)采用SRM 法計(jì)算分析,可得出樁號(hào)Pt 0+065.73 處橫剖面為后邊坡最危險(xiǎn)剖面,采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算分析,邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果詳見表3。

        表3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

        由表3可以得出以下結(jié)論。

        (1)方案1 為廠房天然后邊坡,在正常工況及暴雨工況下,安全系數(shù)均大于1,但并未滿足規(guī)范允許安全系數(shù)要求;地震工況時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范要求,且小于1,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        (2)方案2清除后邊坡覆蓋層在3種工況下均滿足規(guī)范要求,表明方案2邊坡處理方案可行。

        3.4 基坑穩(wěn)定計(jì)算

        依照邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,選取方案2 為最終方案,方案2中基坑開挖后結(jié)果如圖7—8所示。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,擬將圍巖應(yīng)力-強(qiáng)度及位移結(jié)果作為圍巖穩(wěn)定性控制指標(biāo)。

        (1)位移分析。開挖后廠區(qū)地基卸荷,最大位移發(fā)生于高程619.5 m上游側(cè)平臺(tái),地面向上隆起。隨著施工步位移逐漸加大,最大位移值約為1.7 cm;基坑內(nèi)圍巖變形以沿廠房軸線方向?yàn)橹?,最大變形出現(xiàn)于基坑下游側(cè)壁,最大變形值約為0.8 cm。施加支護(hù)后,圍巖變形較支護(hù)前有所減小。

        圖7 基坑開挖完成后總位移云圖

        圖8 噴混凝土變形云圖

        (2)應(yīng)力分析。由計(jì)算結(jié)果可知,基坑周圍巖體最大拉應(yīng)力約為0.14 MPa,最大壓應(yīng)力約為2.6 MPa。施加支護(hù)之后錨桿應(yīng)力最大區(qū)域位于基坑上游側(cè)壁跨中部位,最大應(yīng)力值范圍為32.4~35.8 MPa,最大軸力值范圍為6 990~8 164 kN,上游應(yīng)力值明顯大于下游??傮w上看,錨桿受力基本上在合理的范圍內(nèi)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        以巴基斯坦科哈拉水電站廠房后邊坡及基坑開挖支護(hù)為例,針對(duì)不同巖土材料分別建立三維及二維模型,結(jié)合極限平衡法及強(qiáng)度折減法對(duì)廠房后邊坡穩(wěn)定進(jìn)行綜合分析,最終確定開挖支護(hù)方案,并針對(duì)最終方案對(duì)基坑穩(wěn)定性進(jìn)行分析,結(jié)果證明當(dāng)前支護(hù)方案可滿足基坑穩(wěn)定要求。本文結(jié)合了極限平衡法與強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn),且符合現(xiàn)行規(guī)范要求,可為類似工程提供一定參考。

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