【2014年】向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡加固措施【工程建筑論文】

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1、[2014年】向家壩地下廠房進(jìn)水 口邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡加固 措施【工程建筑論文】 工程建筑論文.向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析及邊 坡加固措施 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

2、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)算工況對(duì)應(yīng)的荷載組 合如表1所示。計(jì)算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫(kù)蓄水）

3、、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。工況及荷載組合如 下表1所示： 表1計(jì)算工況及荷載組合 計(jì)算工況 荷載組合 庫(kù)水位（m） 工況1 （施工開(kāi)挖） A2+ A5 工況2 （運(yùn)行期考慮地震作用） A1+ A2+ A3+ A5 380.0 工況3 （正常運(yùn)行） A1+ A2+ A5 380.0 工況4 （考慮滲流作用） A1+ A2+ A3+ A5+A6 380.0 工況5 （運(yùn)行采取加固措施） Al +A2 +A4 +A5 380.0 A1一一水荷載； A2——結(jié)構(gòu)自重； A3——地震荷載；A4——巖錨荷載； A5一一地

4、應(yīng)力作用；A6—滲透力作用。 四、邊界條件和計(jì)算假設(shè) （一）邊界條件： （1）在X方向的邊界上，采用約束X方向位移; （2）在Y方向的邊界上，采用約束Y方向位移; (3)在Z=60.0平面上，采用約束Z方向位移; (二)計(jì)算假定： (1)在進(jìn)水口邊坡面上低于相應(yīng)水位的節(jié)點(diǎn)滿足第一類邊界條件，即滿足滲流 分析中的Dirichlet條件，故取固定水頭，其值為相應(yīng)的水位值； (2)在N=60.0平面上，采用隔水層邊界； 五、計(jì)算成果 1 .工況1計(jì)算結(jié)果 (1)位移計(jì)算成果 邊坡坡面上最大回彈位移為9.85mm,位于②號(hào)機(jī)縱剖面附近。引水隧洞進(jìn)水口 底板處出現(xiàn)整個(gè)開(kāi)挖面位移最

5、大位置，其最大值達(dá)到20?08nlm。 (2)應(yīng)力計(jì)算成果 進(jìn)水口邊坡坡面部分區(qū)域第一主應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85? L08MPa的較大拉應(yīng)力，其它部位拉應(yīng)力很小或無(wú)拉應(yīng)力。邊坡巖體第三主應(yīng)力 仍處于受壓狀態(tài)，坡面處壓應(yīng)力較小，其值在0.85?3.73MPa之間，隨著坡面 深度的增加，壓應(yīng)力值也逐漸增加。 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17.318皿，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

6、1mm左右。邊坡上的最大位移值 為9.15皿。 (2)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9.15mmo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

7、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

8、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0.8刖左右。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

9、 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)： (1)在

10、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9.85mmo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20.08幽。 (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)。 (3)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

11、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)水位凌降等因素對(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383nl以上，按照排、間距3mX3m 梅花形布置帶反濾層的排水

12、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① 28@2.5 mX2.5m, "8m,噴混凝土 8=15cm,掛鋼筋網(wǎng)。8@200mm；高程 380m 以上設(shè)置系統(tǒng)錨桿①28@2 mX2m, L=8m,噴混凝土 6 =20cm,掛鋼筋網(wǎng)。 8@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。 參考文獻(xiàn) [1]潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析.北京：水利出版社，1980. [2]曹文貴.柘溪水電站擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口.廠房高邊坡穩(wěn)定分析與支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu) 化研究.湖南大學(xué)巖土工程研究所.2004. [3]畬成學(xué).三板溪工程電站進(jìn)水口高邊坡穩(wěn)定計(jì)算.武漢大學(xué)水利水電學(xué) 院.2003. [4]張強(qiáng)勇.巖土工程強(qiáng)度與穩(wěn)定計(jì)算及工程應(yīng)用.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2005.