核電站人工邊坡穩定性評價

周 亮，孫茂前

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

1 工程概述

某核電站規劃分三期建成，其中三期工程進行廠區場地開挖后，在場地南部燈塔山與廠區連接處的燈塔嶺東北側形成140余米長的人工邊坡。其距擬建核島廠房最近距離190m，邊坡走向137°，坡腳開挖起自廠坪標高14.5m，坡高11m～20m。

2 巖體結構面網絡模擬

在現場勘測大量結構面調查統計資料的基礎上，應用巖體結構面網絡模擬理論、方法和程序，對該核電站人工邊坡進行結構面幾何形態要素的統計分析和巖體結構面網絡模擬的應用。為了能夠全面反映人工邊坡巖體結構面的分布和組合狀況，采用測線量測法，在測區內選擇有代表性、結構面出露條件較好的典型地段進行了結構面系統量測。根據統計的結構面樣本179 條進行結構面分組，其中圖1為傳統極點投影圖，可以看出測區內巖體結構面發育較密集的有3組，傾向分別為NEE、SE和NW，表1為現場量測的結構面產狀(同時分解成三組形式表示結構面的分組結果)；而采用動態聚類法分析結構面分組時，大致以此3組作為初始聚類參考，圖2為動態聚類結構面分組，優勢產狀見表2。

表1 結構面產狀 單位：°

圖1 極點投影圖

圖2 動態聚類結構面分組

表2 優勢產狀

結構面分組完成后，在分析各組結構面幾何形態要素概率分布形式的基礎上，建立該組結構面幾何形態要素概率模型。現以現場量測的第3組結構面樣本幾何形態要素數據為例，建立巖體結構面概率模型。在此，簡單的以圖3和表3表達概率模型實現計算效果及相應參數。

圖3 各幾何形態要素分布直方圖

表3 各幾何形態要素特征值

可以看出，結構面傾角基本上服從正態分布，傾向接近于正態分布，跡長基本服從負指數分布，間距也大致接近于負指數分布。

使用巖體節理分布Monte-Carlo計算機輔助模擬程序，根據各組結構面幾何形態要素概率模型，生成與實測結構面具有相同幾何形態要素及分布形式的切面結構面網絡圖。圖4為巖體結構面二維網絡模擬圖，模擬結果可以很好的顯示三組結構面的分布與交錯關系。

3 邊坡巖體模型

圖4 結構面二維網絡模擬圖

坡體巖性主要為侏羅系上侏羅統東興組棕黃色長石石英砂巖和紫紅色泥巖。其中，地表淺層巖體基本上全風化為土層，屬于地表植被根系的作用層，其厚度小，對邊坡整體穩定性不構成影響；強風化巖石也為散體狀，其性質不受結構面的控制，因此全風化和其下部的強風化帶的物理力學性質按土層來確定，可不考慮結構面的影響。由于邊坡體主體為軟弱～較軟巖體，屬彈塑性介質，計算采用理想彈塑性本構模型，只施加重力荷載，不考慮構造應力，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則。計算邊界取到足夠遠處，即人工邊坡開挖后，引起邊坡應力、應變影響范圍以外。垂直邊界面水平方向加約束，水平邊界面垂直方向加約束，為固定支座。廠址區地震烈度為Ⅵ度，邊坡上沒有構筑物，因此不考慮地震的影響，按靜力情況模擬。根據實測的典型工程地質剖面，以人工開挖形成1:1坡比進行邊坡穩定性計算。圖5核電站人工邊坡剖面巖體含三組結構面網絡圖。

圖5 邊坡剖面巖體結構面網絡圖

以有限元法邊坡穩定性分析，用節理單元模型處理時，將巖體結構面幾何模型轉化為計算模型，具體實現過程在此不再贅言。其中，節理單元接觸面法向剛度Kn取巖塊的抗剪強度、切向剛度Ks取巖塊彈性模量。

在邊坡區選取中風化砂巖和泥巖兩類巖性發育三組結構面的代表性統計窗1處，統計結果見表4。

表4 結構面統計窗數據統計

同樣，用節理巖體損傷模型處理時，也可直接應用有限元法中巖體損傷模型，對燈塔嶺人工邊坡概化模型處理。將現場量測的結構面抗壓強度JCS、結構面粗糙度系數JRC代入式Kni= -7.15+1.75JRC+(JCS/JRC)，可求得結構面法向剛度Kni，再和幾何形態要素中節理盤半徑統計平均值α一同代入式即可得結構面傳壓系數Cv，可見表5。

表5 結構面統計窗數據統計

在此基礎上，進行損傷張量計算可得到考慮結構面影響傳壓和傳剪系數修正后的整體損傷張量，同時也可得到三個特征值及與之對應的相互垂直的三個特征向量，依此相應折減便可得到穩定性計算時變形參數，結果見表6。

表6 巖體變形參數選取

采用RMR巖體分類對工程地質巖組評分，然后按Hoek-Brown經驗方程在給定巖石的單軸抗壓強度σc條件下，以不同的σ3計算相應的σm，用一組σ3和σ1m繪制摩爾圓及其包絡線，在包絡線上截取cm值，并量取φm。此方法即為對巖體抗剪強度的弱化處理，用弱化處理后的巖體抗剪強度和工程經驗綜合確定穩定性計算時的強度參數。各類巖組計算參數取值見表7。

表7 巖體強度參數選取

4 人工邊坡穩定性評價

在某核電站人工邊坡穩定性評價中，以有限元法兩種不同的模型處理，圖6和圖7分別為兩種模型穩定性分析圖。無論是節理單元模型，還是損傷模型都清楚地顯示了邊坡滑動帶。同時，自坡腳起大致圓弧形的一定范圍內變形很大，所以節理單元模型位移等值線圖在此區域很密集，而損傷模型應力矢量圖表示的應力矢量同樣也在近圓弧形范圍內自坡腳起向外逐漸減小。在巖體邊坡穩定性評價中，兩種數值計算模型不同之處的最直接體現就是穩定系數大小的差別，這種穩定系數之間大小差別反映到最危險滑動面搜索結果上就是滑動面位置和范圍的不同。對于不同滑動面的差異可以解釋為是由兩種不同數值計算模型本身方法的差異造成，以節理單元模型考慮時只是對整個坡體范圍內的結構面進行特殊的單元剖分處理，有限元法計算時可以看作每條結構面和周圍巖體建立彈塑性力學方程進行力與位移的計算；而損傷模型對結構面的折減則是建立模型時過渡為對整個坡體范圍內巖體強度和變形的折減，所以巖體強度和變形的降低也要在有限元法計算時相應的引起潛在滑動面的“擴展”。

圖6 節理單元模型位移分布圖

圖7 節理巖體損傷模型應力矢量圖

事實上，對于考慮受結構面影響的巖體邊坡穩定性評價采用有限元法計算時，有限元計算受數值模擬方法限制，文中模擬進行了一定的理想化處理，所以效果相對較好。除了在模擬中參數還有待進一步的探討外，穩定性評價時的有限元模擬最重要的還是對于當前使用的有限元軟件其內部計算核心信息一無所知，正是這種知識上的缺失很大程度上限制了研究的深度，因此，自用有限元軟件的開發至關重要，從這一意義上說，對于節理化巖體邊坡穩定性研究無論空間還是內容都很廣闊，還有很多其涉及到的有意義的工作需要進行。

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