錢(qián)洪建 黃夢(mèng)婷 李 彪

(1.國(guó)家能源集團(tuán)金沙江旭龍水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，水利能源作為一種清潔能源越來(lái)越被重視，水電站建設(shè)也受到越來(lái)越多人的關(guān)注。目前我國(guó)西南地區(qū)有一大批規(guī)劃和在建的水電站，但是西南地區(qū)高山峽谷眾多，地勢(shì)險(xiǎn)峻復(fù)雜，地貌十分特殊，其高陡巖石邊坡的開(kāi)挖存在許多不容忽視的問(wèn)題[1]。

近年來(lái)，關(guān)于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究的方法大致有以下幾種：數(shù)值模擬法、工程類比法和極限平衡法。其中極限平衡法的原理比較簡(jiǎn)單，使用也較為廣泛，但是其缺點(diǎn)也同樣明顯，對(duì)邊坡開(kāi)挖引起的應(yīng)力變化和位移變化的分析不夠準(zhǔn)確，存在局限性[2]。工程類比法即綜合分析與實(shí)際工程相似的工程案例，但是不可能有完全相同的兩個(gè)工程，各個(gè)工程的地質(zhì)情況也各不相同，從而可能導(dǎo)致分析產(chǎn)生一定的誤差，因此并未被廣泛應(yīng)用于工程中[3]。而數(shù)值模擬法能夠?qū)吰路植介_(kāi)挖引起的應(yīng)力和位移變化進(jìn)行模擬分析，優(yōu)越性突出，被研究者廣泛應(yīng)用于各類邊坡工程穩(wěn)定性研究工作當(dāng)中。

隨著學(xué)科的發(fā)展和計(jì)算理論的不斷完善，數(shù)值模擬技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛。數(shù)值模擬法大致可以分為以下幾類：有限元方法、離散元方法、有限差分方法、邊界元方法和多場(chǎng)耦合法等。國(guó)內(nèi)外研究者也基于各種方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究取得了許多成果。Griffiths等[4]采用有限元（FE）方法對(duì)一些邊坡案例的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析；Dawson等[5]基于強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了分析與對(duì)比研究；孫超偉等[6]基于霍克-布朗有限元強(qiáng)度折減法，為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性建立了巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性圖表，并且通過(guò)算例來(lái)佐證了圖表的合理性；張輝等[7]依托于含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡，采用強(qiáng)度折減法對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析。

本文基于上述研究，依托于大渡河某水電站，采用數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)合的方法對(duì)壩軸線左岸壩肩穩(wěn)定性分析以及結(jié)構(gòu)面對(duì)高陡巖石邊坡破壞失穩(wěn)機(jī)制及穩(wěn)定性研究，以期為支護(hù)及開(kāi)挖施工提供理論參考，也為類似結(jié)構(gòu)面環(huán)繞開(kāi)挖部分的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析研究提供一些思路。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

大渡河某水電站位于金川縣城以北約13km、大渡河與右岸支流新扎溝河匯合口以上長(zhǎng)約1km的河段上，河谷平面上呈反“S”型。河谷呈“V”型，枯水期河水位高程約2153m，水面寬約50～90m，正常蓄水位2253m高程相應(yīng)谷寬約245～310m。壩址區(qū)兩岸多基巖裸露，谷坡陡峻，為橫向谷。大渡河某水電站邊坡壩軸線左岸剖面及開(kāi)挖區(qū)域和層間結(jié)構(gòu)面如圖1所示。

圖1 邊坡壩軸線左岸剖面圖

1.2 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

左岸邊坡高程2030～2450m，壩基巖性為T(mén)32

2(5)-T32

2(6)的細(xì)砂巖，為順向坡巖層結(jié)構(gòu)，其中斷層、錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙有許多，但考慮到其對(duì)開(kāi)挖的穩(wěn)定性影響，因此在模擬中僅考慮結(jié)構(gòu)面g15（PD3）以及斷層f20和f28。

左岸邊坡第一主應(yīng)力大小為6MPa左右，方向?yàn)镹NW向，其傾角在淺部與地表近于平行，在深部則逐步轉(zhuǎn)為垂直；第二主應(yīng)力大小為3MPa左右，方向?yàn)镹-NW向，其傾角在淺部與地表近于垂直，在深部則逐步轉(zhuǎn)為水平；第三主應(yīng)力大小為1MPa左右，方向?yàn)镹-E向，其傾角在淺部與地表近于垂直，在深部則逐步轉(zhuǎn)為水平，整體應(yīng)力水平較低。

2 有限差分法數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D基本原理

FLAC3D屬于有限差分軟件，其在求解偏微分方程時(shí)用有限差分公式對(duì)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行替換，將復(fù)雜的偏微分方程轉(zhuǎn)化為更易求解的代數(shù)方程[8]。

模擬過(guò)程中，首先需要將求解區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)分為有限差分網(wǎng)格，網(wǎng)格建立完成后需選擇與工程對(duì)應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系并根據(jù)材料性質(zhì)進(jìn)行賦值，同時(shí)還需定義模型的邊界條件及初始受力情況，定義完成后需進(jìn)行第一次初始力學(xué)平衡。第一次平衡完成后若結(jié)果能夠接受，需清零位移及速度場(chǎng)，再進(jìn)行后續(xù)諸如開(kāi)挖等靜力計(jì)算分析。

2.2 模型的建立

根據(jù)水電站左岸邊坡軸線工程地質(zhì)剖面圖在FLAC3D中建立左岸邊坡三維開(kāi)挖模型，如圖2所示。模型橫河向取230m，底部高程為2050m，最高點(diǎn)高程為2450m。模型x軸為逆河向，y軸為橫河指向河谷，z軸垂直向上。模型底面采用x、y、z三個(gè)方向固定約束，前后左右四個(gè)面采用法向約束，坡面為自由表面未添加約束。邊坡模型厚度為35m，水平距離為230m，垂直距離約230m，共生成網(wǎng)格1190個(gè)，單元4344個(gè)。并且在模擬中選用了摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，在不考慮支護(hù)的情況下對(duì)邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖2 邊坡數(shù)值模型

模型開(kāi)挖區(qū)域每隔20m進(jìn)行劃分，分為6個(gè)階段從上至下開(kāi)挖。同樣不考慮支護(hù)情況下對(duì)邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 參數(shù)確定

強(qiáng)度折減法[9]的原理大致就是通過(guò)將巖土體的抗剪強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行折減，來(lái)代替原始的黏聚力和內(nèi)摩擦角。并且通過(guò)增大折減系數(shù)來(lái)迭代計(jì)算，直至土體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。

本文在結(jié)構(gòu)面參數(shù)選取上采用了強(qiáng)度折減計(jì)算。根據(jù)勘察資料及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得知結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)較低，所以可以把巖體當(dāng)作受結(jié)構(gòu)面控制的剛性體，在計(jì)算中僅對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，經(jīng)過(guò)折減后的參數(shù)如表1所示。

表1 折減后強(qiáng)度參數(shù)

3.2 FLAC3D模擬分析

左岸壩基邊坡分步開(kāi)挖中，由于最大主應(yīng)力場(chǎng)在第二、三次開(kāi)挖，第五次開(kāi)挖與前開(kāi)挖情況相比沒(méi)有明顯變化，故僅選取第一、四、六次開(kāi)挖后最大主應(yīng)力場(chǎng)圖。如圖3所示，隨著邊坡開(kāi)挖高程的降低，邊坡表層應(yīng)力不斷釋放并調(diào)整，深部應(yīng)力變化不大，邊坡巖體應(yīng)力有一定程度的降低趨勢(shì)，并且隨著應(yīng)力調(diào)整和巖體松弛，出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力區(qū)，但是這些拉應(yīng)力區(qū)域的量值普遍不高，在0～8×105Pa之間。同時(shí)也可以看出模型由于邊緣效應(yīng)在左上和右下也形成了量值較小的拉應(yīng)力區(qū)域。

圖3 開(kāi)挖過(guò)程最大主應(yīng)力場(chǎng)圖

同理，左岸邊坡開(kāi)挖的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的累計(jì)位移也僅選取第一、四、六次開(kāi)挖總位移云圖。如圖4所示，隨著開(kāi)挖高程降低，邊坡位移總體以回彈變形為主，并且總體位移很小，在3～4mm左右?？梢钥闯鲞吰聨r體深部總位移基本沒(méi)有變化，變化主要集中于邊坡開(kāi)挖部位到斷層f20之間。

圖4 開(kāi)挖過(guò)程總位移變化圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要結(jié)合實(shí)際勘察資料，對(duì)大渡河某水電站左岸壩肩邊坡分步開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，主要結(jié)論如下：

（1）邊坡受從上至下開(kāi)挖卸荷的影響，淺層部位總體應(yīng)力逐漸降低。并且隨著應(yīng)力松弛，在邊坡表層部分區(qū)域出現(xiàn)了量值不高的拉應(yīng)力。

（2）分步開(kāi)挖的卸荷作用對(duì)該巖石邊坡位移變化影響較小，巖體深部位移基本沒(méi)有變化，開(kāi)挖部位巖體位移總體較小，說(shuō)明該邊坡在分步開(kāi)挖作用下穩(wěn)定性較好。

（3）考慮邊坡開(kāi)挖工程中其他不利因素的影響，仍需結(jié)合后續(xù)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定性。