韓殿超

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710048）

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上,是規(guī)劃中該河段的第6 級(jí)水電站[1]。楊房溝水電站兩條導(dǎo)流隧洞均布置在右岸山體,導(dǎo)流隧洞進(jìn)口高程均為1985.00 m,導(dǎo)流隧洞過(guò)流斷面為城門(mén)洞型,襯后凈斷面尺寸13 m×16 m（寬×高）。地質(zhì)條件顯示[2],楊房溝1#、2#導(dǎo)流洞洞身進(jìn)口段為變質(zhì)粉砂巖洞段,圍巖類(lèi)別為IV類(lèi),圍巖彈性模量,抗剪斷參數(shù)均較低,對(duì)洞室開(kāi)挖穩(wěn)定不利,進(jìn)口段發(fā)育夾炭質(zhì)板巖條帶,巖體較破碎,完整性差,呈互層～薄層狀；此外導(dǎo)流洞進(jìn)口段邊坡還發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面,導(dǎo)致導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡以及該洞段的導(dǎo)流洞開(kāi)挖過(guò)程圍巖穩(wěn)定問(wèn)題相對(duì)突出。前期地質(zhì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)表明,陡傾斷層、軟弱夾層等會(huì)對(duì)楊房溝地下洞室開(kāi)挖圍巖的穩(wěn)定性構(gòu)成直接影響,且易于形成“局部”結(jié)構(gòu)面-應(yīng)力組合型破壞問(wèn)題[3-5]。

本文基于楊房溝巖體力學(xué)基本特征及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)資料,以導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡開(kāi)挖為案例,采用數(shù)值分析方法分析評(píng)價(jià)自然邊坡、導(dǎo)流洞一層開(kāi)挖（未支護(hù)）、導(dǎo)流洞二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）等3 種工況下邊坡的穩(wěn)定特征,以保證導(dǎo)流洞進(jìn)口段邊坡施工期的安全性。

1 工程地質(zhì)條件

圖1為楊房溝導(dǎo)流洞進(jìn)口段地質(zhì)剖面圖,導(dǎo)流洞洞身進(jìn)口段為變質(zhì)粉砂巖洞段,圍巖類(lèi)別為IV 類(lèi),巖層總體產(chǎn)狀為N20°E～N20°W,SE（NE）∠50°～70°,走向與洞軸線夾角0～20°。導(dǎo)流洞進(jìn)口段邊坡發(fā)育3 組結(jié)構(gòu)面：（1）產(chǎn)狀N40°～50°E,NW ∠60°～70°,閉合～微張,平直光滑,延伸較長(zhǎng)；（2）產(chǎn)狀N15°～20°W,SW ∠65°～70°,面閉合～微張, 平直光滑, 斷續(xù)延伸, 較長(zhǎng)；（3）產(chǎn)狀N20°～30°W,SW（NE）∠5°～20°,面微張,斷續(xù)延伸,較短。同時(shí),導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡優(yōu)勢(shì)裂隙組也較為發(fā)育。

圖1 導(dǎo)流洞進(jìn)口段地質(zhì)剖面圖

2 計(jì)算模型的建立及參數(shù)的選取

2.1 計(jì)算模型的建立

數(shù)值計(jì)算已經(jīng)普遍用于解決工程中的巖石力學(xué)問(wèn)題,從工程角度出發(fā),工程數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題是如何事先分析工程問(wèn)題的性質(zhì),然后從眾多的計(jì)算方法和軟件中有針對(duì)性地選擇一種合理的軟件進(jìn)行求解[6-9]。在本次分析中采用離散元3DEC 軟件,3DEC 是作為美國(guó)ITASCA 公司所開(kāi)發(fā)的離散元法數(shù)值分析程序,主要針對(duì)巖體介質(zhì)的不連續(xù)性問(wèn)題研發(fā),采用不連續(xù)力學(xué)理論的離散元方法求解。圖2 所示為導(dǎo)流洞進(jìn)口段自然邊坡和開(kāi)挖后邊坡的三維模型模型圖。其中巖體的材料分區(qū)根據(jù)地質(zhì)剖面圖以強(qiáng)卸荷線、弱卸荷線劃分,分為V、IV 類(lèi)和III 類(lèi)巖體。圖3 所示為導(dǎo)流洞進(jìn)口段自然邊坡和開(kāi)挖后邊坡位移、速率監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖2 導(dǎo)流洞進(jìn)口自然邊坡和開(kāi)挖邊坡三維數(shù)值模型

圖3 導(dǎo)流洞進(jìn)口自然邊坡和開(kāi)挖邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 本構(gòu)與參數(shù)

本次計(jì)算中對(duì)邊坡巖塊和結(jié)構(gòu)面均采用了理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系,即巖塊屈服以后不考慮其強(qiáng)度衰減。計(jì)算中巖體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型,巖體參數(shù)取值按表1 取值。結(jié)構(gòu)面采用Coulomb-slip 本構(gòu)模型,該模型能夠有效模擬結(jié)構(gòu)面的變形和破壞,且能合理描述破壞后的力學(xué)行為,結(jié)構(gòu)面切向剛度和法向剛度的取值根據(jù)地質(zhì)提供的結(jié)構(gòu)面綜合模量和厚度平均值換算得到,結(jié)構(gòu)面參數(shù)按表2 進(jìn)行取值。

表1 導(dǎo)流洞進(jìn)口段巖體力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值表

表2 導(dǎo)流洞進(jìn)口段結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值表

3 計(jì)算工況與計(jì)算條件

3.1 計(jì)算工況

本次數(shù)值模擬采用強(qiáng)度折減法分別進(jìn)行：（1）自然邊坡工況；（2）導(dǎo)流洞一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況；（3）導(dǎo)流洞二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算。以期判斷邊坡在各個(gè)工況下的穩(wěn)定性,數(shù)值分析中考慮了多個(gè)巖層和結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.2 強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性判斷

本文采用的強(qiáng)度折減法思路就是不斷惡化邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度,直到其發(fā)生破壞出現(xiàn)不穩(wěn)定；折減的操作方法是將邊坡巖體參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù)同時(shí)除以一個(gè)系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算,直至邊坡開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題[10]。強(qiáng)度折減計(jì)算中對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)工作從以下3 個(gè)方面著手：

1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)速率判斷：根據(jù)計(jì)算模型中設(shè)置的若干監(jiān)測(cè)點(diǎn),了解這些部位速度變化特征,速度不能趨于零時(shí)清楚表示該部位巖體出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移,即失穩(wěn)。

2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形判斷：從某種程度上講,實(shí)際計(jì)算中速度趨于零是指速度值足夠低,而可能并不絕對(duì)為零。此時(shí)了解變形變化特征顯得很有必要,當(dāng)速度基本趨于零時(shí),如果變形增量相對(duì)較小和變形增長(zhǎng)率也相對(duì)不大,往往表示相對(duì)較好的穩(wěn)定性。

3）變形場(chǎng)分布特征：邊坡面上變形場(chǎng)分布,即三個(gè)方向變形分量所指示的變形狀態(tài),根據(jù)在邊坡坡面上的異常分布或者與其他地質(zhì)條件如斷層的關(guān)系,判斷導(dǎo)致變形的主要因素和對(duì)穩(wěn)定性的指示意義。

4 邊坡圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

4.1 自然邊坡工況穩(wěn)定分析

自然邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化變形特征和變形速率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4,其縱坐標(biāo)為位移、速度大小,橫坐標(biāo)為強(qiáng)度折減系數(shù),由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)自然邊坡折減系數(shù)3.0 時(shí)邊坡的變形收斂并趨于穩(wěn)定,相對(duì)應(yīng)變形速率趨于很小值或接近于零值,當(dāng)折減系數(shù)達(dá)3.2 時(shí)變形出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng),呈不收斂態(tài)勢(shì),相對(duì)應(yīng)變形速率亦出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì),可判斷自然邊坡的整體安全系數(shù)介于3.0～3.2 之間；自然邊坡整體穩(wěn)定性較好,滿(mǎn)足規(guī)范要求的工程設(shè)計(jì)邊坡要求。

圖4 自然邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形折減過(guò)程曲線

圖5為不同強(qiáng)度折減系數(shù)下自然邊坡表面變形分布特征,由圖可知,自然邊坡隨著折減過(guò)程變形明顯區(qū)域位于2070 m～2090 m 高程的V 類(lèi)軟弱覆蓋層區(qū)域,該區(qū)域同時(shí)受炭質(zhì)板夾層影響,當(dāng)邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減系數(shù)逐漸增大時(shí),該區(qū)域控制邊坡變形的特征逐步顯著。由前面位移和速率分析判斷可知天然邊坡的安全系數(shù)在3.0～3.2 之間,當(dāng)折減至3.2 時(shí)（臨界失穩(wěn)狀態(tài)）,變形的云圖較清晰的指示邊坡在2070 m～2090 m 高程隨著軟弱覆蓋層呈現(xiàn)整體滑移拉裂失穩(wěn)破壞。

圖5 自然邊坡變形隨折減過(guò)程的合位移分布特征

4.2 導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況穩(wěn)定性分析

導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化變形特征和變形速率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6,由計(jì)算結(jié)果可知,在導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下,當(dāng)邊坡折減系數(shù)2.5 時(shí)邊坡的變形收斂并趨于穩(wěn)定,當(dāng)折減系數(shù)達(dá)2.6 時(shí)變形出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng),呈不收斂態(tài)勢(shì),相對(duì)應(yīng)變形速率亦出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì),可判斷邊坡在導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下整體安全系數(shù)介于2.5～2.6 之間。

圖6 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形折減過(guò)程曲線（導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖（未支護(hù)））

圖7為導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖工況不同強(qiáng)度折減系數(shù)下導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形分布特征,由圖可知,在導(dǎo)流洞第一層開(kāi)挖工況下,邊坡隨著折減過(guò)程變形明顯區(qū)域位于1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域,當(dāng)邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減系數(shù)逐漸增大時(shí),1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)巖體變形特征逐步顯著,是工程重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域,當(dāng)邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減至2.6 時(shí)（臨界失穩(wěn)狀態(tài)）,1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)巖體沿著覆蓋層產(chǎn)生整體滑移拉裂失穩(wěn)破壞。

4.3 導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況穩(wěn)定性分析

導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化變形特征和變形速率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8,由計(jì)算結(jié)果可知,在導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下,當(dāng)邊坡折減系數(shù)2.2時(shí)邊坡的變形收斂并趨于穩(wěn)定,當(dāng)折減系數(shù)達(dá)2.4 時(shí)變形出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng),呈不收斂態(tài)勢(shì),相對(duì)應(yīng)變形速率亦出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì),可判斷邊坡在導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下整體安全系數(shù)介于2.2～2.4 之間。

圖8 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形折減過(guò)程曲線（導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)））

圖9為導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖工況不同強(qiáng)度折減系數(shù)下導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形分布特征,由圖可知,在導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖工況下,邊坡隨著折減過(guò)程變形明顯區(qū)域位于1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域,當(dāng)邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減系數(shù)逐漸增大時(shí),1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)巖體變形的特征逐步顯著,是工程重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域,當(dāng)邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減至2.4 時(shí)（臨界失穩(wěn)狀態(tài)）,1#、2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)巖體沿著覆蓋層產(chǎn)生整體滑移拉裂失穩(wěn)破壞。

圖9 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形隨折減過(guò)程的合位移分布特征（導(dǎo)流洞第二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)））

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于楊房溝巖體力學(xué)基本特征及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)資料,針對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡開(kāi)挖,采用數(shù)值分析方法分析評(píng)價(jià)了自然邊坡、導(dǎo)流洞一層開(kāi)挖（未支護(hù)）、導(dǎo)流洞二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）等3 種工況下邊坡的穩(wěn)定特征,具體結(jié)論如下：

1）自然邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在3.0～3.2,邊坡整體穩(wěn)定性較好；導(dǎo)流洞一層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在2.5～2.6；導(dǎo)流洞二、三層開(kāi)挖（未支護(hù)）工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在2.2～2.4；導(dǎo)流洞二、三層開(kāi)挖（支護(hù)）工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在2.3～2.4。

2）自然邊坡工況下,邊坡變形最大位移發(fā)生在2070 m～2090 m 高程的V 類(lèi)軟弱覆蓋層區(qū)域；導(dǎo)流洞開(kāi)挖工況下,邊坡變形最大位移發(fā)生在導(dǎo)流洞開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)；3 種工況下,邊坡的最終破壞均以邊坡沿著覆蓋層發(fā)生整體滑移拉裂失穩(wěn)破壞為主。

3）結(jié)構(gòu)面的影響使得各工況下邊坡整體變形有所增加,但各工況下邊坡的安全系數(shù)和穩(wěn)定性仍能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。