摘 要：運(yùn)用波前法進(jìn)行有限元法求解，對(duì)向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了三維非線性有限元計(jì)算分析，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的邊坡加固措施。
關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定 邊坡開(kāi)挖 有限元法 邊界條件 邊坡加固
一、前言
邊坡穩(wěn)定與否在土木工程中是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。在開(kāi)挖的過(guò)程中，由于邊坡結(jié)構(gòu)的改變而使其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，常常會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。因此預(yù)先做好邊坡的穩(wěn)定性分析，并提出有針對(duì)性的工程處理措施，是工程順利進(jìn)行的保證。本文以向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡為例，通過(guò)三維非線性有限元計(jì)算分析，對(duì)進(jìn)水口邊坡的整體穩(wěn)定進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并提出邊坡加固的工程處理措施。
二、邊坡開(kāi)挖方式和分析方法
向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖方式為分層開(kāi)挖、逐層開(kāi)挖逐層加固。
計(jì)算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號(hào)時(shí)先對(duì)非開(kāi)挖單元進(jìn)行編號(hào)，然后是后開(kāi)挖的單元，最后才是最先開(kāi)挖的單元。這樣就保證了在分析每步開(kāi)挖后的巖體結(jié)構(gòu)時(shí)，剩下單元和結(jié)點(diǎn)的編號(hào)仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結(jié)點(diǎn)編號(hào)一致。
三、計(jì)算工況及荷載組合
本次研究分別對(duì)施工期、運(yùn)行期等多種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫(kù)蓄水）、巖體自重、地震荷載、巖錨荷載以及地應(yīng)力作用等，用A1-A6表示。
2.工況2
在開(kāi)挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時(shí)，水荷載作用在進(jìn)水口邊坡巖體上產(chǎn)生的變形和應(yīng)力分布如下所述：
（1）位移計(jì)算成果
進(jìn)水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開(kāi)挖時(shí)減少2.76mm.進(jìn)水口邊坡坡面上位移的變化量要小于底板，最大僅在1mm左右。邊坡上的最大位移值為9.15mm.
?。?）應(yīng)力計(jì)算成果
邊坡坡面上巖體的應(yīng)力變化較小，坡腳的應(yīng)力變化也只有0.5MPa左右。應(yīng)力分布規(guī)律基本與工況1相同。
3.工況3
工況3是在工況2的基礎(chǔ)上不考慮地震荷載時(shí)對(duì)進(jìn)水口邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，并將其計(jì)算結(jié)果與工況2進(jìn)行對(duì)比分析。
位移結(jié)果顯示，在不考慮地震荷載時(shí)，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運(yùn)行期考慮地震荷載時(shí)的最大位移9.15mm.進(jìn)水口底板處的最大位移略有加大，為17.634mm，工況2下為17.318mm，是由該處位移Y方向分量與地震荷載方向相反所致。就整個(gè)進(jìn)水口邊坡坡面的位移變化趨勢(shì)來(lái)看，位移的變化主要出現(xiàn)在地震荷載所加的方向上，進(jìn)水口邊坡坡面巖體位移表現(xiàn)為Y方向位移分量較考慮地震荷載時(shí)要小。
從拉應(yīng)力的分布形態(tài)來(lái)看，當(dāng)運(yùn)行期不考慮地震荷載時(shí)，最大拉應(yīng)力依然出現(xiàn)在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時(shí)邊坡坡面巖體出現(xiàn)的拉應(yīng)力要有所減小。計(jì)算結(jié)果表明，地震荷載對(duì)進(jìn)水口邊坡的安全系數(shù)有一定的不利影響，但是從數(shù)值變化來(lái)看，影響不是很大。
4.工況4
工況4是在開(kāi)挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時(shí)，計(jì)算分析滲流作用對(duì)進(jìn)水口邊坡巖體位移變形和應(yīng)力分布的影響，并計(jì)算運(yùn)行期間水位從正常蓄水位驟降至死水位時(shí)對(duì)邊坡位移、穩(wěn)定的影響。
根據(jù)有限元計(jì)算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場(chǎng)作用下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生的位移方向相反，對(duì)邊坡的影響是有利的。
而當(dāng)水位從正常蓄水位驟降至死水位時(shí)，邊坡巖體位移的改變值相對(duì)較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響不是很大，但是由于巖體里面的水不能及時(shí)排除出，一方面使邊坡巖體的容重增大，增加了巖體的下滑力；另一方面，裂隙中水流所產(chǎn)生的靜水和動(dòng)水壓力對(duì)節(jié)理較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩(wěn)定威脅較大。
5.工況5
本工況為正常運(yùn)行期進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析，考慮的荷載有地應(yīng)力、重力、水荷載、錨固荷載等。計(jì)算結(jié)果顯示，考慮錨固和水荷載時(shí)，進(jìn)水口邊坡坡面上最大位移為7.42mm，較工況3的7.88mm少了0.46mm，而坡面上位移平均減少1mm左右。進(jìn)水口底板回彈位移最大值為17.68mm，與工況3的17.634mm基本一致。
從拉應(yīng)力的分布形態(tài)來(lái)看，邊坡坡面巖體上沒(méi)有出現(xiàn)1.2Mpa以上的較大拉應(yīng)力。由于錨固的作用，拉應(yīng)力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現(xiàn)的拉應(yīng)力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應(yīng)力為1.18Mpa，依然出現(xiàn)在軟弱夾層處。
綜上所述，進(jìn)水口邊坡在正常運(yùn)行期內(nèi)，具有良好的整體穩(wěn)定性。
六、有限元計(jì)算結(jié)果分析
根據(jù)計(jì)算成果，對(duì)向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡的變形特點(diǎn)和應(yīng)力分布規(guī)律作如下總結(jié)：
?。?） 在施工開(kāi)挖時(shí)，進(jìn)水口邊坡坡面變形表現(xiàn)為開(kāi)挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm.整個(gè)進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖區(qū)域位移變形最大的位置在進(jìn)水口底板處，其最大位移值達(dá)到20.08mm.
（2） 進(jìn)水口邊坡坡面的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85-1.08MPa的較大拉應(yīng)力，在其它部位拉應(yīng)力很小甚至不出現(xiàn)拉應(yīng)力。在軟弱夾層附近出現(xiàn)較大拉應(yīng)力的區(qū)域應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。
?。?） 在向家壩進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖和加固過(guò)程中，沒(méi)有過(guò)大的拉應(yīng)力和塑性變形區(qū)。進(jìn)水口邊坡大多數(shù)區(qū)域處于壓應(yīng)力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力區(qū)，邊坡開(kāi)挖卸荷顯著的深度為3-8米。說(shuō)明向家壩進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖是穩(wěn)定的，其開(kāi)挖加固順序是合理的。
七、進(jìn)水口邊坡處理措施
有限元法分析計(jì)算的結(jié)果表明，在考慮了邊坡開(kāi)挖、因施工爆破等可能造成的節(jié)理裂隙或卸荷裂隙貫通、持續(xù)暴雨或水庫(kù)水位驟降等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩(wěn)定是有保證的。但在開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡局部受地質(zhì)優(yōu)勢(shì)面、層面切割形成不利的塊體組合，也可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)。
根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果和已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)水口邊坡采取了以下工程處理措施來(lái)保證邊坡運(yùn)行的安全：
a） 邊坡
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開(kāi)挖時(shí)采用先進(jìn)的控制爆破技術(shù)。
b） 開(kāi)挖邊坡周邊設(shè)置截水溝。開(kāi)挖邊坡高程383m以上，按照排、間距3m×3m梅花形布置帶反濾層的排水孔。在T33巖層范圍設(shè)置兩層排水廊道。
c） 清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開(kāi)挖邊坡高程380m以下，設(shè)置系統(tǒng)錨桿Ф28@2.5 m×2.5m， L=8m，噴混凝土δ＝15cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@200mm；高程380m以上設(shè)置系統(tǒng)錨桿Ф28@2 m×2m， L=8m，噴混凝土δ＝20cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@250mm.
d）右岸進(jìn)水口邊坡涉及有煤層開(kāi)采的區(qū)域或巖體較破碎的設(shè)置區(qū)域網(wǎng)格梁，煤洞范圍采取局部回填混凝土的措施，回填范圍約10m～20m，同時(shí)布置帶反濾層的排水孔，采取合理的排水和防滲措施。在T33巖層范圍的各級(jí)馬道設(shè)置2000KN的預(yù)應(yīng)力錨索。
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