巖質高邊坡三維數(shù)值模擬研究

巖質高邊坡三維數(shù)值模擬研究

1高邊坡地質條件一個大型水庫是廣西紅水河上的一座大型水庫。建成后，該壩的建筑面積占紅水河可開發(fā)容量的35%40%，總建筑面積為2.727.1011米。整個工程建設中，進水口開挖高邊坡的穩(wěn)定性是關鍵技術問題之一。進水口開挖高邊坡長約400m，最大組合坡高達420m，輪廓復雜。邊坡自然地形坡角為35°～43°。巖性以砂巖為主，在砂巖巖層中夾有硬度較小的砂巖、泥板巖互層的中三疊統(tǒng)板納組巖層(T2b)。巖體軟硬相間，層間錯動和斷層發(fā)育，存在順坡向的斷裂結構面，是一典型的反傾向層狀結構巖質高邊坡。由于大壩的進水口壩段緊靠高邊坡坡腳，高邊坡巖體的變形程度將直接影響大壩的正常安全運行(如圖1)。因此高邊坡具有使用要求高和運行工況不同于一般邊坡工程的特殊性。其開挖后反傾向巖體的彎曲傾倒變形程度、邊坡總體穩(wěn)定性、開挖坡型和加固支護方案的合理性以及運行期的巖體變形對進水口大壩安全運行的影響等，是關系到該工程建設成敗的重大技術問題。為了能較好地解決上述問題，本文運用FLAC3D程序建立了進水口開挖高邊坡、進水口大壩以及引水洞組的聯(lián)合三維數(shù)值模型，研究了坡、壩、洞在開挖過程中和運行期的應力、變形和穩(wěn)定性問題。部分成果已應用于工程建設中，結論符合實際。2密度材料導數(shù)flaccd與一般的數(shù)值方法類似，F(xiàn)LAC3D根據(jù)所給介質的本構關系使用通常的規(guī)則推導出介質的力學表達式，這些表達式為一組偏微分方程，將力學變量和運動變量聯(lián)系起來，可以在給定的初始條件和邊界條件下對各種幾何形狀和力學性質的介質求解。FLAC3D的一個重要特點是靜力問題化為擬動力問題來求解，即使對于靜態(tài)平衡問題，也在模型中包含了運動方程。運動方程具有如下形式：式中：σ為應力，b為單位質量的體積力，dvi/dt為速度的材料導數(shù)，ρ為密度。此外，F(xiàn)LAC3D在求解方法上還有兩個顯著的特點：(1)使用了“混合離散”框架，這種框架被認為比通常的有限單元法在物理上更切合實際。(2)使用了“顯式”求解框架。“顯式”框架對于應力-應變法則的任意非線性所需的計算時間與線性法則相同，這種求解框架不需要儲存剛度矩陣。因此對于大尺度問題可以減少對內存的需求；對于大變形問題可以減少由于更新剛度矩陣而對計算時間的需求。FLAC3D程序采用顯式差分格式來求解場的控制微分方程，并把靜力問題化為擬動力問題來求解，這些特點使得其非常適合于模擬非線性和大變形問題。與一般有限元法程序相比，該程序在處理復雜三維彈塑性問題時，計算更容易收斂，且收斂速度相當快。另外FLAC3D程序允許用戶像在DOS操作系統(tǒng)下調用批處理文件一樣，在命令行調用以文本文件形式保存的命令流文件，而且提供了一個內置的高級程序語言FISH，這使得模型的建立和修改都變得相當方便。例如，用戶可以將在其他程序中建立的模型的單元和節(jié)點數(shù)據(jù)文件讀入到FLAC3D中，可以對已建立的模型中的單元形狀、位置和參數(shù)進行任意修改，甚至可以建立一個命令流文件將計算結果中所需要的圖形文件進行篩選并自動輸出到指定的目錄中，等等。該程序在國內工程界已得到了廣泛的應用。3計算模型和完成過程3.1邊界面為硬—計算模型建立進水口高邊坡的三維計算域包括了左岸蠕變體開挖邊坡、進水口開挖邊坡及左岸導流洞開挖邊坡的主要部分。引水洞考慮6#～9#機4個引水洞。計算范圍長687m，上端位于蠕變體開挖邊坡最高開挖線附近，下端位于紅水河右岸附近；寬370m，左端位于蠕變體北側開挖線附近，右端位于2#機引水洞機軸線附近，最高點615m，底面為100m高程平面(如圖2)。坐標系按進水口大壩坐標系選取。X軸指向引水洞軸線方向，Y軸指向進水口壩軸線方向，Z軸鉛直向上。邊界條件設定為：上下垂直邊界為Y向約束，左右垂直邊界為X向約束，底面邊界為固定端約束。地表及開挖后形成的邊界為自由邊界。本構模型選取為：邊坡巖體采用摩爾-庫侖模型；壩體采用彈性模型。3.2層間并變形模型的建立為了真實地模擬邊坡的力學行為，最大限度地考慮了邊坡地質模型的主要因素(見圖3)。地形：模擬了邊坡的自然實際坡形和開挖后的實際開挖面以及各級馬道、平臺。地層及巖性：模擬了全部地層。模型涉及到1～43層(共43個地層)，根據(jù)所提供參數(shù)將相鄰的巖性相同的地層合并為一層，合并后斷層F63左側共有17層，F(xiàn)63右側共有20層。根據(jù)該區(qū)巖層產狀基本一致的特點，假定所有巖層傾角為60°，其走向和具體位置按實際情況考慮。風化帶及巖性：根據(jù)邊坡的巖石力學指標，模型中考慮了強風化帶、弱風化帶及微風化～新鮮巖體3個風化帶。斷層：共考慮了4條主要斷層和層間錯動帶：F63,F1,F4,f2，考慮了斷層兩側的原始巖層錯動。引水洞：考慮了6#～9#機4個引水洞，引水洞襯砌使用FLAC3D程序所提供的CSHELL單元進行模擬，并按照所提供的混凝土襯砌力學參數(shù)進行計算，可以較為真實地模擬襯砌的支護作用。錨桿錨索：FLAC3D程序中本身提供錨索(CABLE)單元，可以加預應力。此外還考慮了地應力及地下水的影響。3.3模型劃分和單元劃分由于三維計算域涉及范圍較廣，地質條件和開挖坡形均比較復雜，用計算機自動生成的網(wǎng)格計算精度難以滿足要求，因此采用手工劃分超單元，配合計算機自動生成技術，形成最終計算網(wǎng)格。具體劃分網(wǎng)格時，在平面地形圖上手工劃分超單元，控制單個單元的水平尺度為5～15m，以模擬邊坡的開挖形狀并保證單元在水平方向上的相互匹配。在垂直方向上，使用FLAC程序內嵌的FISH語言自動生成單元，通過控制單元的個數(shù)來保證單元在垂直方向上的相互匹配。通過繪制斷層上下盤地質剖面圖和模型的縱向及橫向地質剖面圖來控制對于巖層的位置和產狀的模擬。不同風化帶參數(shù)的賦值通過編制FISH語言程序實現(xiàn)。首先形成風化面的位置方程，然后對每個單元判斷其所處的位置，賦予相應的巖體力學參數(shù)。最終形成的三維計算模型中共包含單元44937個，節(jié)點46479個，錨桿單元3142個。3.4挖掘模擬、維護措施、計算過程和參數(shù)3.4.1等效釋放荷載高邊坡變形巖體施工開挖的力學狀態(tài)的變化，可以視為原始應力場在巖體開挖面應力釋放引起的。模擬這一開挖結果是按等效釋放荷載進行的。FLAC3D程序采用空單元等效開挖，并在每次開挖后自動生成等效釋放荷載。每次開挖對應的應力場由上一次開挖后求得，而第一次開挖對應的應力場則為初始應力場。3.4.2支護及計算結果采用FLAC3D程序中自帶的錨桿單元進行模擬。假定在每步開挖后巖體還沒有變形時進行支護，然后計算支護后的巖體應力狀態(tài)、變形和塑性區(qū)分布，待穩(wěn)定后再進行下一步開挖、支護及計算，以此類推。支護措施包括：布置在各級平臺和馬道內側的2000kN級預應力錨索，布置在主要陡坡段的1000kN級預應力系統(tǒng)錨索，布置在緩坡段的預應力系統(tǒng)錨桿，布置在壩坡結合部分的系統(tǒng)高強錨桿(圖2)。計算中考慮了初始地應力、水荷載、支護預應力荷載、開挖荷載和地震荷載。計算工況與荷載組合見表1?；炷梁湾^桿的物理力學參數(shù)見表2。巖石物理力學參數(shù)的取值見表3。4計算結果和分析4.1開挖和去除泥漿對邊緣的影響4.1.1抗拉性能分析第6步開挖(全部開挖)后的邊坡表面附近的拉應力值為0～1.5MPa，最大為1.64MPa。由于在給定的加固措施支護下，邊坡表面部分區(qū)域的拉應力也已超過該區(qū)域巖體的抗拉強度(圖4)，因此在邊坡的開挖表面會出現(xiàn)局部的拉裂縫。從分布開挖的計算結果圖中可以看出，這些拉裂縫在邊坡開挖的早期就會出現(xiàn)，并隨著開挖的繼續(xù)而逐步加大，在開挖完成后其變形趨于穩(wěn)定。4.1.2卸荷回彈量全部開挖和支護后，邊坡位移的整體特征為：X向位移：301～311m平臺、壩頭坡段和382m平臺的卸荷回彈量最大，位移值為20～30mm；壩后坡陡坡段存在指向坡外的位移，位移值也為20～30mm；其余大部分位移值都小于10mm。垂直位移：在301～311m平臺以上開挖區(qū)域的中間部位存在一條卸荷回彈帶，回彈位移值為30～50mm，其余大部分位移值都小于20mm(圖5)。4.1.3斷層內分布區(qū)全部開挖和支護后，邊坡僅在局部出現(xiàn)了零星分布的塑性區(qū)，主要分布于4條斷層內。另外，由于采用了陡坡角開挖的緣故，在6#和7#引水洞的洞口也分布有零星的塑性區(qū)。但是，邊坡并未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，在整體上是穩(wěn)定的。4.2大壩表面位移特性大壩形成后，引水洞口周圍巖體的第1主應力幾乎無變化，僅有某些部位(如洞間巖柱底部)應力增大1MPa左右。而在一些引水洞內，30m以遠的洞壁存在應力集中，最大值達到9.8MPa。在與洞口接觸的大壩表層部分混凝土存在應力集中，應力值是其余部分的2～3倍，達3MPa左右。大壩建成后，與壩體接觸的壩頭坡、壩后坡以及作為壩基的301～311m平臺在大壩的影響下均產生了不同程度的位移。其位移特征為：水平位移指向坡外，量值較?。淮怪蔽灰曝Q直向下，量值較大。在水平位移中，壩基和壩頭坡的位移量相對較小，而壩后坡的位移量相對較大；在垂直位移中，壩后坡和壩頭坡的位移量相對較小，而壩基的位移量相對較大。4.3壩下塑性區(qū)分布水庫蓄水對邊坡位移的影響很小(圖6)；而邊坡巖體的塑性區(qū)發(fā)生了較大的調整(由于應力值減小，導致新計算出的塑性區(qū)變小，并非邊坡塑性區(qū)減小)。除了原來在斷層內的塑性區(qū)仍然存在外，每次蓄水后，在引水洞的洞口周圍部分區(qū)域、壩頭坡的部分區(qū)域和壩基巖體的部分區(qū)域的塑性區(qū)范圍有較大程度的減小，到水庫蓄水至400m高程后，這些塑性區(qū)減小到僅有零星分布(圖7)，其余部位未出現(xiàn)新的塑性區(qū)。因此水庫蓄水對邊坡穩(wěn)定是有利的。4.4水平位移、變形范圍水庫蓄水至400m高程后，8度地震工況下邊坡表面附近的水平壓應力仍在0～2.5MPa；水平拉應力的分布范圍和深度與之前相比有顯著增大，在邊坡的中上部第1，第2步開挖區(qū)表面以及邊坡中部均出現(xiàn)大片的拉應力，這些拉應力分布均勻，其值為0.5～2.5MPa。豎向拉應力的分布范圍也有所增大，主要分布于第1，第2步開挖區(qū)表面，而豎向拉應力的量值增加較多，其最大值為2.77MPa。地震荷載作用下巖體的位移方向發(fā)生改變，X向水平位移中，指向坡內的位移量減小，指向坡外的位移最增加，X向水平位移最大值增加2.75cm，最大值出現(xiàn)于壩基及壩頭坡；Y向水平位移中，指向壩頭坡方向的位移量減小，背向壩頭坡方向的位移量增加，Y向水平位移最大值增加1.67cm，最大值出現(xiàn)于壩后坡?？偟膩砜矗轿灰频淖兓笥诖怪蔽灰频淖兓?，水平位移中，X向水平位移的變化大于Y向水平位移的變化。這些位移值均指邊坡表面的位移值。斷層中的塑性區(qū)明顯增大，斷層的交匯處以及F4斷層和導流洞的交匯處分布的塑性區(qū)也有所增大，這樣在導流洞開挖邊坡周圍形成一條位于坡腳的塑性區(qū)帶。塑性區(qū)的深度增加到10～20m。另外在進水口開挖邊坡一定深度內出現(xiàn)張拉塑性區(qū)，在部分引水洞洞口也出現(xiàn)成片分布的塑性區(qū)。塑性區(qū)的深度為5～10m。5．邊坡穩(wěn)定分析(1)根據(jù)計算結果，在自然狀態(tài)下，邊坡巖體的初始應力場，基本符合一般巖質高邊坡應力分布規(guī)律。第1步開挖及支護后，邊坡巖體中拉應力區(qū)及塑性區(qū)大部分消失；全部開挖及支護后，除了在斷層內仍然存在部分塑性區(qū)外，邊坡巖體其余部分中僅存在很少的零星分布的塑性區(qū)。開挖和支護對于邊坡的穩(wěn)定性有顯著改善。(2)在整個開挖過程中，計算模型內的塑性區(qū)范圍始終維持在較小的水平，這些塑性區(qū)均是不連通的。雖然局部(斷層內)在開挖過程中始終存在塑性區(qū)，但邊坡并未出現(xiàn)屈服破壞。由于整個邊坡的穩(wěn)定性由非破壞區(qū)所控制，其安全系數(shù)較高，且斷層沒有臨空面，因此整個邊坡是穩(wěn)定的。(3)開挖卸荷期間邊坡巖體最大變形量約為60.mm，除了各級開挖平臺的卸荷回彈外，變形量較大的區(qū)域主要有301～311m平臺上斷層和軟弱巖層及其交匯處，壩后坡引水洞洞口及382m平臺。(4)進水口大壩形成后，在壩后坡及壩底形成部分塑性區(qū)，這些塑性區(qū)均屬于淺表塑性區(qū)。大壩及周圍巖體是穩(wěn)定的。大壩蓄水至375m后，塑性區(qū)大部分消失，蓄水有利于邊坡的穩(wěn)定。(5)在開挖過程中，用于支護的錨桿和錨索均沒有出現(xiàn)屈服破壞。擬定支護措施減低了邊坡表層的拉應力水平，因此降低了邊坡巖體的卸荷回彈變形，在錨固區(qū)域中沒有出現(xiàn)較大的塑性區(qū)，說明擬定支護措施對邊坡穩(wěn)定性有明顯的改善作用。根據(jù)對前述各工況的邊坡變形和塑性區(qū)分析，建議擬定支護措施中需要加強和增加的區(qū)域有：480m平臺、345～382m高程之間未開挖區(qū)域以及主要斷層帶。(6)在壩、坡、洞相互