沙坝水电站高边坡卸荷过程数值仿真*

王亮清 梁 烨 吴 琼 唐辉明

(中国地质大学工程学院 武汉 430074)

岩体边坡的形成过程,实际上是岩体中应力-应变不断调整演化的过程.卸荷岩体力学的动态数值仿真方法能反映岩体在卸荷过程中参数的弱化[1-7],计算应力场与位移场比较接近实际[8-11].拟建沙坝水电站厂房位于河床右岸,距坝轴线约290 m,受地形、地质条件影响,厂房后缘为一电站主厂房基坑开挖后,将形成101 m高的顺向岩质高陡边坡,直接威胁厂房安全.为保证电站的施工安全与正常运营,研究边坡在形成过程中应力场与位移场的空间变化是十分必要的.

1 坝址区工程地质条件

贵州省务川县沙坝水电站位于乌江水系一级支流洪渡河中游丰乐河上.边坡区位于丰乐向斜核部转折端偏东翼部位,岩层为单斜构造,层面产状为278°～ 283°∠49°～ 53°.该坝址区节理裂隙不太发育,临空面方向的结构面主要为层面.边坡区出露的地层为二叠系上统长兴—吴家坪组)与第四系残坡积物组成.长兴—吴家坪组的主要岩性为灰-深灰色中至厚层燧石条带灰岩,泥页岩夹煤层,灰-深灰色中至厚层燧石结核灰岩.第四系残坡积物由碎石土组成(Qel+dl).根据勘探资料分析,层面见夹泥严重,抗滑稳定差,是控制边坡稳定的主要滑动面.

2 模型的建立与计算参数的选择

根据坝址区工程地质条件分析与优化设计成果研究,该边坡的设计安全边坡角为50°.根据边坡区工程地质条件调查与分析,综合考虑岩性特征、风化程度与物理力学性质,将计算区的材料分为4层,分别为残坡积物(Qel+dl)、软弱夹层(NJ)、长兴—吴家坪组强风化岩层、长兴—吴家坪组中风化岩层.为了探讨边坡卸荷过程,本文选择典型剖面建立地质模型(见图1),模型左右边界分别取为河床及分水岭位置,底边界取至河床以下35 m,计算剖面长度250 m.

计算剖面取厚度为1 m,左右侧边界为横向约束边界,底侧为固定约束边界,这样可将计算问题转化为平面应变问题.模型采用四边形等参单元.分别对各个单元进行网格自动剖分,共剖分1 964个单元,2 047个节点,所得网格及相关约束条件如图2所示.根据地质体的物理力学特性及受力状况,将该边坡视为理想弹塑性体,其应力-应变关系服从弹塑性本构关系.滑体物理模型采用弹塑性分析中常用的应变增量理论为基础的非线性平面应变弹塑Mohr-Coulomb模型.破坏判据采用Drucker-Prager塑性屈服准则.

图1 典型剖面地质模型

图2 50°坡角开挖时的计算网格

参数选择是模型的关键.根据考察报告、工程地质类比分析与参数敏感性分析,综合确定边坡区4种岩土材料的计算参数见表1.

表1 计算参数

3 卸荷过程动态数值仿真

卸荷过程数值仿真的关键是确定强卸荷区、弱卸荷区与非卸荷区的空间发布及各卸荷区的物理力学参数.本文在综合前人研究成果的基础上,结合边坡区的地质资料与勘察报告,将卸荷区划分为强、弱与非卸荷区.具体划分标准为,当卸荷百分比大于70%时,为强卸荷区;当卸荷百分比为30～70%时为若卸荷区;当卸荷百分比小于30%时为弱卸荷区.根据卸荷过程动态数值仿真的基本步骤,可得第二级开挖、第四级开挖与第五级开挖卸荷后卸荷区分布图(图3),并根据现场调查、室内外试验资料与勘察报告估算岩土体不同卸荷区的计算参数(表2).

由图3可知,第二级开挖后,将其应力场与初始应力场进行比较,可见开挖下边界处岩体卸荷最为严重,卸荷百分比约为70%左右,坡顶至坡面表层以及坡脚处岩体卸荷百分比为30%～40%,卸荷程度较小,其余岩体应力场受一级开挖影响不大,卸荷百分比小于10%.第四级开挖后卸荷区已发生扩展,强卸荷区扩展至开挖线底层及坡面表层岩体,弱卸荷区向坡体内扩展,呈与坡面近平行的条带状分布,非卸荷区范围缩小.第五级开挖后卸荷区进一步发生调整,开挖线底部的强卸荷区扩展至模型底边界,弱卸荷区范围变化不大,总体上说,第五级开挖对卸荷区范围的影响较前两级开挖小.第五级开挖后总位移、x方向位移、xy平面应力、塑性区分布特征与相应的传统方法计算结果进行对比,见图4～图7与表3.

图3 分级开挖后岩体卸荷分区

表2 各卸荷区的参数取值

表3 两种方法数值仿真结果对比

图4 2种方法总位移等值线图对比图

图5 2种方法x方向位移等值线图对比图

从表3,图4和图5可知,第五级开挖完成后边坡坡顶处位移最大,方向指向临空面.图4 b)和图5 b)传统方法模拟结果中总位移为0.041 25 m,x方向位移为0.013 47 m,从坡顶到坡体内部位移量值相差不大,而图4 a)和图5 a)模拟结果中坡顶处最大位移达到0.238 85 m,x方向最大位移0.226 13 m,远远大于坡体内部和坡面的位移,从定性的角度分析,边坡坡顶表层为残坡积物,其强度远远小于坡体的灰岩,在卸荷的作用下,如不进行支护很有可能发生滑塌现象,图4 a)和图5 a)由于考虑了开挖对坡顶残坡积物的卸荷作用,其结果更加符合实际情况.

图6 2种方法xy平面剪应力等值线图对比图

图7 2种方法xy平面塑性剪应变等值线图对比

对比图6 a)和b)可知,传统方法平面剪应力最大值为0.732 78 MPa,在软弱夹层和中风化灰岩接触的部位剪应力出现异常,而卸荷岩体力学方法模拟得到的平面剪应力最大值为0.647 6 MPa,其结果相对比较理想.图7为开挖后岩体塑性应变等值线图,结果表明,整个边坡整体破坏的可能性很小,只在坡顶处形成了塑性区,应采取相应的防护措施.传统方法得到的结果只在坡顶残坡积物靠近坡面的小部分形成了较大的塑性变形,最大值塑性应变为0.003 63;卸荷岩体力学方法得到的结果除上述位置外,在残坡积物与强风化灰岩的界面以及强风化灰岩与中风化灰岩的界面处都产生了较大的塑性应变,其最大值为0.037 19.可见在边坡开挖过程中一定要进行支护,否则,坡顶部位可能产生垮塌现象.

4 结束语

综上所述,在边坡开挖的过程中,卸荷岩体的范围及卸荷程度在动态的发生变化,因而边坡岩体力学参数也在发生动态的变化,传统方法在开挖过程中岩体参数固定不变,与实际情况存在一定差异,因此,从卸荷岩体力学观点采用动态数值仿真的方法可以反映边坡开挖卸荷过程中的地质-力学响应,其结果与工程地质定性分析结果比较吻合,更加符合实际情况.该研究成果为高边坡优化设计提供了理论依据.

[1]王瑞红,李建林,蒋昱州,等.考虑岩体开挖卸荷边坡岩体质量评价[J].岩土力学.2008,29(10):2 741-2 746.

[2]哈秋聆,李建林.岩石边坡卸荷岩体宏观力学参数研究[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

[3]周火明,盛 谦,李维树,等.三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化程度研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(7):1 078-1 081.

[4]石安池,徐卫亚,张贵科.三峡工程永久船闸高边坡岩体卸荷松弛特征研究[J].岩土力学,2006,27(5):723-729.

[5]哈秋舲.三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(5):603-618.

[6]周火明,盛 谦,李维树,等.三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化程度研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(7):1 078-1 081.

[7]任光明,巨广宏,聂德新.斜坡岩体卸荷分带量化研究[J].成都理工大学学报:自然科学版,2003,30(4):335-338.

[8]李建林.卸荷岩体力学[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[9]周 华,王国进,傅少君,等.小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析[J].岩土力学,2009,30(4):1 175-1 180.

[10]黄润秋,林 峰,陈德基,等.岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究[J].工程地质学报,2001,9(3):227-232.

[11]张永兴,哈秋舲.三峡工程永久船闸陡高边坡岩体卸荷非线性力学分析[J].重庆建筑大学学报,1997,19(2):72-79.