邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡加固措施綜述
2016-04-27 16:44:44 安裝信息網(wǎng)
摘 要：運用波前法進行有限元法求解，對向家壩地下廠房進水口邊坡進行了三維非線性有限元計算分析，對其穩(wěn)定性進行安全評價，并提出相應的邊坡加固措施。
關鍵詞：邊坡穩(wěn)定 邊坡開挖 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非常重要的問題。在開挖的過程中，由于邊坡結構的改變而使其應力狀態(tài)發(fā)生變化，常常會導致邊坡失穩(wěn)。因此預先做好邊坡的穩(wěn)定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進行的保證。本文以向家壩地下廠房進水口邊坡為例，通過三維非線性有限元計算分析，對進水口邊坡的整體穩(wěn)定進行安全評價，并提出邊坡加固的工程處理措施。
二、邊坡開挖方式和分析方法
向家壩地下廠房進水口邊坡開挖方式為分層開挖、逐層開挖逐層加固。
計算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號時先對非開挖單元進行編號，然后是后開挖的單元，最后才是最先開挖的單元。這樣就保證了在分析每步開挖后的巖體結構時，剩下單元和結點的編號仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結點編號一致。
三、計算工況及荷載組合
本次研究分別對施工期、運行期等多種工況進行計算。計算工況對應的荷載組合如表1所示。計算荷載包括：水荷載(包括地下水和水庫蓄水)、巖體自重、地震荷載、巖錨荷載以及地應力作用等，用A1～ A6表示。工況及荷載組合如下表1所示：
表1 計算工況及荷載組合
計 算 工 況
荷 載 組 合
庫水位（m）
工況1 (施工開挖)
A2+ A5
工況2 （運行期考慮地震作用）
A1+ A2+ A3+ A5
380.0
工況3 （正常運行）
A1+ A2+ A5
380.0
工況4 （考慮滲流作用）
A1+ A2+ A3+ A5+A6
380.0
工況5 （運行采取加固措施）
A1 +A2 +A4 +A5
380.0
A1——水荷載； A2——結構自重；
A3——地震荷載； A4——巖錨荷載；
A5——地應力作用；A6——滲透力作用。
四、邊界條件和計算假設
（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）計算假定：
(1) 在進水口邊坡面上低于相應水位的節(jié)點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，其值為相應的水位值；
(2) 在Z=60.0平面上，采用隔水層邊界；
五、計算成果
1．工況1計算結果
（1）位移計算成果
邊坡坡面上最大回彈位移為9.85mm，位于②號機縱剖面附近。引水隧洞進水口底板處出現(xiàn)整個開挖面位移最大位置，其最大值達到20.08mm。
（2）應力計算成果
進水口邊坡坡面部分區(qū)域第一主應力出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85～1.08MPa的較大拉應力，其它部位拉應力很小或無拉應力。邊坡巖體第三主應力仍處于受壓狀態(tài)，坡面處壓應力較小，其值在0.85～3.73MPa之間，隨著坡面深度的增加，壓應力值也逐漸增加。
2．工況2
在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，水荷載作用在進水口邊坡巖體上產(chǎn)生的變形和應力分布如下所述：
（1）位移計算成果
進水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開挖時減少2.76mm。進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。
（2）應力計算成果
邊坡坡面上巖體的應力變化較小，坡腳的應力變化也只有0.5MPa左右。應力分布規(guī)律基本與工況1相同。
3．工況3
工況3是在工況2的基礎上不考慮地震荷載時對進水口邊坡進行計算分析，并將其計算結果與工況2進行對比分析。
位移結果顯示，在不考慮地震荷載時，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運行期考慮地震荷載時的最大位移9.15mm。進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。就整個進水口邊坡坡面的位移變化趨勢來看，位移的變化主要出現(xiàn)在地震荷載所加的方向上，進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要小。
從拉應力的分布形態(tài)來看，當運行期不考慮地震荷載時，最大拉應力依然出現(xiàn)在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時邊坡坡面巖體出現(xiàn)的拉應力要有所減小。計算結果表明，地震荷載對進水口邊坡的安全系數(shù)有一定的不利影響，但是從數(shù)值變化來看，影響不是很大。
4．工況4
工況4是在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，計算分析滲流作用對進水口邊坡巖體位移變形和應力分布的影響，并計算運行期間水位從正常蓄水位驟降至死水位時對邊坡位移、穩(wěn)定的影響。
根據(jù)有限元計算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場作用下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開挖產(chǎn)生的位移方向相反，對邊坡的影響是有利的。
而當水位從正常蓄水位驟降至死水位時，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩(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)生的靜水和動水壓力對節(jié)理較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩(wěn)定威脅較大。
5．工況5
本工況為正常運行期進水口邊坡穩(wěn)定性分析，考慮的荷載有地應力、重力、水荷載、錨固荷載等。計算結果顯示，考慮錨固和水荷載時，進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。
從拉應力的分布形態(tài)來看，邊坡坡面巖體上沒有出現(xiàn)1.2Mpa以上的較大拉應力。由于錨固的作用，拉應力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現(xiàn)的拉應力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應力為1.18Mpa，依然出現(xiàn)在軟弱夾層處。
綜上所述，進水口邊坡在正常運行期內，具有良好的整體穩(wěn)定性。
六、有限元計算結果分析
根據(jù)計算成果，對向家壩地下廠房進水口邊坡的變形特點和應力分布規(guī)律作如下總結：
(1) 在施工開挖時，進水口邊坡坡面變形表現(xiàn)為開挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm。整個進水口邊坡開挖區(qū)域位移變形最大的位置在進水口底板處，其最大位移值達到20.08mm。
(2) 進水口邊坡坡面的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85～1.08MPa的較大拉應力，在其它部位拉應力很小甚至不出現(xiàn)拉應力。在軟弱夾層附近出現(xiàn)較大拉應力的區(qū)域應及時進行加固，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。
(3) 在向家壩進水口邊坡開挖和加固過程中，沒有過大的拉應力和塑性變形區(qū)。進水口邊坡大多數(shù)區(qū)域處于壓應力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現(xiàn)較小的拉應力區(qū)，邊坡開挖卸荷顯著的深度為3～8米。說明向家壩進水口邊坡開挖是穩(wěn)定的，其開挖加固順序是合理的。
七、進水口邊坡處理措施
有限元法分析計算的結果表明，在考慮了邊坡開挖、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)暴雨或水庫水位驟降等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩(wěn)定是有保證的。但在開挖過程中，邊坡局部受地質優(yōu)勢面、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)計算分析的結果和已建工程的實踐經(jīng)驗，進水口邊坡采取了以下工程處理措施來保證邊坡運行的安全：
a) 邊坡開挖時采用先進的控制爆破技術。
b) 開挖邊坡周邊設置截水溝。開挖邊坡高程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巖層范圍設置兩層排水廊道。
c) 清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開挖邊坡高程380m以下，設置系統(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)右岸進水口邊坡涉及有煤層開采的區(qū)域或巖體較破碎的設置區(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巖層范圍的各級馬道設置2000KN的預應力錨索。
參考文獻
[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．柘溪水電站擴機工程進水口．廠房高邊坡穩(wěn)定分析與支護設計優(yōu)化研究．湖南大學巖土工程研究所．2004．
[3] 佘成學．三板溪工程電站進水口高邊坡穩(wěn)定計算．武漢大學水利水電學院．2003．
[4] 張強勇．巖土工程強度與穩(wěn)定計算及工程應用．中國建筑工業(yè)出版社．2005．
關鍵詞：邊坡穩(wěn)定 邊坡開挖 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非常重要的問題。在開挖的過程中，由于邊坡結構的改變而使其應力狀態(tài)發(fā)生變化，常常會導致邊坡失穩(wěn)。因此預先做好邊坡的穩(wěn)定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進行的保證。本文以向家壩地下廠房進水口邊坡為例，通過三維非線性有限元計算分析，對進水口邊坡的整體穩(wěn)定進行安全評價，并提出邊坡加固的工程處理措施。
二、邊坡開挖方式和分析方法
向家壩地下廠房進水口邊坡開挖方式為分層開挖、逐層開挖逐層加固。
計算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號時先對非開挖單元進行編號，然后是后開挖的單元，最后才是最先開挖的單元。這樣就保證了在分析每步開挖后的巖體結構時，剩下單元和結點的編號仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結點編號一致。
三、計算工況及荷載組合
本次研究分別對施工期、運行期等多種工況進行計算。計算工況對應的荷載組合如表1所示。計算荷載包括：水荷載(包括地下水和水庫蓄水)、巖體自重、地震荷載、巖錨荷載以及地應力作用等，用A1～ A6表示。工況及荷載組合如下表1所示：
表1 計算工況及荷載組合
計 算 工 況
荷 載 組 合
庫水位（m）
工況1 (施工開挖)
A2+ A5
工況2 （運行期考慮地震作用）
A1+ A2+ A3+ A5
380.0
工況3 （正常運行）
A1+ A2+ A5
380.0
工況4 （考慮滲流作用）
A1+ A2+ A3+ A5+A6
380.0
工況5 （運行采取加固措施）
A1 +A2 +A4 +A5
380.0
A1——水荷載； A2——結構自重；
A3——地震荷載； A4——巖錨荷載；
A5——地應力作用；A6——滲透力作用。
四、邊界條件和計算假設
（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）計算假定：
(1) 在進水口邊坡面上低于相應水位的節(jié)點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，其值為相應的水位值；
(2) 在Z=60.0平面上，采用隔水層邊界；
五、計算成果
1．工況1計算結果
（1）位移計算成果
邊坡坡面上最大回彈位移為9.85mm，位于②號機縱剖面附近。引水隧洞進水口底板處出現(xiàn)整個開挖面位移最大位置，其最大值達到20.08mm。
（2）應力計算成果
進水口邊坡坡面部分區(qū)域第一主應力出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85～1.08MPa的較大拉應力，其它部位拉應力很小或無拉應力。邊坡巖體第三主應力仍處于受壓狀態(tài)，坡面處壓應力較小，其值在0.85～3.73MPa之間，隨著坡面深度的增加，壓應力值也逐漸增加。
2．工況2
在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，水荷載作用在進水口邊坡巖體上產(chǎn)生的變形和應力分布如下所述：
（1）位移計算成果
進水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開挖時減少2.76mm。進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。
（2）應力計算成果
邊坡坡面上巖體的應力變化較小，坡腳的應力變化也只有0.5MPa左右。應力分布規(guī)律基本與工況1相同。
3．工況3
工況3是在工況2的基礎上不考慮地震荷載時對進水口邊坡進行計算分析，并將其計算結果與工況2進行對比分析。
位移結果顯示，在不考慮地震荷載時，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運行期考慮地震荷載時的最大位移9.15mm。進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。就整個進水口邊坡坡面的位移變化趨勢來看，位移的變化主要出現(xiàn)在地震荷載所加的方向上，進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要小。
從拉應力的分布形態(tài)來看，當運行期不考慮地震荷載時，最大拉應力依然出現(xiàn)在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時邊坡坡面巖體出現(xiàn)的拉應力要有所減小。計算結果表明，地震荷載對進水口邊坡的安全系數(shù)有一定的不利影響，但是從數(shù)值變化來看，影響不是很大。
4．工況4
工況4是在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，計算分析滲流作用對進水口邊坡巖體位移變形和應力分布的影響，并計算運行期間水位從正常蓄水位驟降至死水位時對邊坡位移、穩(wěn)定的影響。
根據(jù)有限元計算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場作用下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開挖產(chǎn)生的位移方向相反，對邊坡的影響是有利的。
而當水位從正常蓄水位驟降至死水位時，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩(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)生的靜水和動水壓力對節(jié)理較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩(wěn)定威脅較大。
5．工況5
本工況為正常運行期進水口邊坡穩(wěn)定性分析，考慮的荷載有地應力、重力、水荷載、錨固荷載等。計算結果顯示，考慮錨固和水荷載時，進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。
從拉應力的分布形態(tài)來看，邊坡坡面巖體上沒有出現(xiàn)1.2Mpa以上的較大拉應力。由于錨固的作用，拉應力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現(xiàn)的拉應力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應力為1.18Mpa，依然出現(xiàn)在軟弱夾層處。
綜上所述，進水口邊坡在正常運行期內，具有良好的整體穩(wěn)定性。
六、有限元計算結果分析
根據(jù)計算成果，對向家壩地下廠房進水口邊坡的變形特點和應力分布規(guī)律作如下總結：
(1) 在施工開挖時，進水口邊坡坡面變形表現(xiàn)為開挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm。整個進水口邊坡開挖區(qū)域位移變形最大的位置在進水口底板處，其最大位移值達到20.08mm。
(2) 進水口邊坡坡面的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85～1.08MPa的較大拉應力，在其它部位拉應力很小甚至不出現(xiàn)拉應力。在軟弱夾層附近出現(xiàn)較大拉應力的區(qū)域應及時進行加固，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。
(3) 在向家壩進水口邊坡開挖和加固過程中，沒有過大的拉應力和塑性變形區(qū)。進水口邊坡大多數(shù)區(qū)域處于壓應力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現(xiàn)較小的拉應力區(qū)，邊坡開挖卸荷顯著的深度為3～8米。說明向家壩進水口邊坡開挖是穩(wěn)定的，其開挖加固順序是合理的。
七、進水口邊坡處理措施
有限元法分析計算的結果表明，在考慮了邊坡開挖、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)暴雨或水庫水位驟降等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩(wěn)定是有保證的。但在開挖過程中，邊坡局部受地質優(yōu)勢面、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)計算分析的結果和已建工程的實踐經(jīng)驗，進水口邊坡采取了以下工程處理措施來保證邊坡運行的安全：
a) 邊坡開挖時采用先進的控制爆破技術。
b) 開挖邊坡周邊設置截水溝。開挖邊坡高程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巖層范圍設置兩層排水廊道。
c) 清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開挖邊坡高程380m以下，設置系統(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)右岸進水口邊坡涉及有煤層開采的區(qū)域或巖體較破碎的設置區(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巖層范圍的各級馬道設置2000KN的預應力錨索。
參考文獻
[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．柘溪水電站擴機工程進水口．廠房高邊坡穩(wěn)定分析與支護設計優(yōu)化研究．湖南大學巖土工程研究所．2004．
[3] 佘成學．三板溪工程電站進水口高邊坡穩(wěn)定計算．武漢大學水利水電學院．2003．
[4] 張強勇．巖土工程強度與穩(wěn)定計算及工程應用．中國建筑工業(yè)出版社．2005．
關鍵字：建筑,北京
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