核電站人工邊坡穩(wěn)定性評價

周 亮，孫茂前

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

1 工程概述

某核電站規(guī)劃分三期建成，其中三期工程進行廠區(qū)場地開挖后，在場地南部燈塔山與廠區(qū)連接處的燈塔嶺東北側(cè)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(biāo)高14.5m，坡高11m～20m。

2 巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬

在現(xiàn)場勘測大量結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬理論、方法和程序，對該核電站人工邊坡進行結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)要素的統(tǒng)計分析和巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬的應(yīng)用。為了能夠全面反映人工邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的分布和組合狀況，采用測線量測法，在測區(qū)內(nèi)選擇有代表性、結(jié)構(gòu)面出露條件較好的典型地段進行了結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)量測。根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)面樣本179 條進行結(jié)構(gòu)面分組，其中圖1為傳統(tǒng)極點投影圖，可以看出測區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育較密集的有3組，傾向分別為NEE、SE和NW，表1為現(xiàn)場量測的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(同時分解成三組形式表示結(jié)構(gòu)面的分組結(jié)果)；而采用動態(tài)聚類法分析結(jié)構(gòu)面分組時，大致以此3組作為初始聚類參考，圖2為動態(tài)聚類結(jié)構(gòu)面分組，優(yōu)勢產(chǎn)狀見表2。

表1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀 單位：°

圖1 極點投影圖

圖2 動態(tài)聚類結(jié)構(gòu)面分組

表2 優(yōu)勢產(chǎn)狀

結(jié)構(gòu)面分組完成后，在分析各組結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)要素概率分布形式的基礎(chǔ)上，建立該組結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)要素概率模型。現(xiàn)以現(xiàn)場量測的第3組結(jié)構(gòu)面樣本幾何形態(tài)要素數(shù)據(jù)為例，建立巖體結(jié)構(gòu)面概率模型。在此，簡單的以圖3和表3表達概率模型實現(xiàn)計算效果及相應(yīng)參數(shù)。

圖3 各幾何形態(tài)要素分布直方圖

表3 各幾何形態(tài)要素特征值

可以看出，結(jié)構(gòu)面傾角基本上服從正態(tài)分布，傾向接近于正態(tài)分布，跡長基本服從負指數(shù)分布，間距也大致接近于負指數(shù)分布。

使用巖體節(jié)理分布Monte-Carlo計算機輔助模擬程序，根據(jù)各組結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)要素概率模型，生成與實測結(jié)構(gòu)面具有相同幾何形態(tài)要素及分布形式的切面結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖。圖4為巖體結(jié)構(gòu)面二維網(wǎng)絡(luò)模擬圖，模擬結(jié)果可以很好的顯示三組結(jié)構(gòu)面的分布與交錯關(guān)系。

3 邊坡巖體模型

圖4 結(jié)構(gòu)面二維網(wǎng)絡(luò)模擬圖

坡體巖性主要為侏羅系上侏羅統(tǒng)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(fēng)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(wěn)定性不構(gòu)成影響；強風(fēng)化巖石也為散體狀，其性質(zhì)不受結(jié)構(gòu)面的控制，因此全風(fēng)化和其下部的強風(fēng)化帶的物理力學(xué)性質(zhì)按土層來確定，可不考慮結(jié)構(gòu)面的影響。由于邊坡體主體為軟弱～較軟巖體，屬彈塑性介質(zhì)，計算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，只施加重力荷載，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。計算邊界取到足夠遠處，即人工邊坡開挖后，引起邊坡應(yīng)力、應(yīng)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(qū)地震烈度為Ⅵ度，邊坡上沒有構(gòu)筑物，因此不考慮地震的影響，按靜力情況模擬。根據(jù)實測的典型工程地質(zhì)剖面，以人工開挖形成1:1坡比進行邊坡穩(wěn)定性計算。圖5核電站人工邊坡剖面巖體含三組結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5 邊坡剖面巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖

以有限元法邊坡穩(wěn)定性分析，用節(jié)理單元模型處理時，將巖體結(jié)構(gòu)面幾何模型轉(zhuǎn)化為計算模型，具體實現(xiàn)過程在此不再贅言。其中，節(jié)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(qū)選取中風(fēng)化砂巖和泥巖兩類巖性發(fā)育三組結(jié)構(gòu)面的代表性統(tǒng)計窗1處，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計窗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

同樣，用節(jié)理巖體損傷模型處理時，也可直接應(yīng)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(xiàn)場量測的結(jié)構(gòu)面抗壓強度JCS、結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC代入式Kni= -7.15+1.75JRC+(JCS/JRC)，可求得結(jié)構(gòu)面法向剛度Kni，再和幾何形態(tài)要素中節(jié)理盤半徑統(tǒng)計平均值α一同代入式即可得結(jié)構(gòu)面?zhèn)鲏合禂?shù)Cv，可見表5。

表5 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計窗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在此基礎(chǔ)上，進行損傷張量計算可得到考慮結(jié)構(gòu)面影響傳壓和傳剪系數(shù)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(yīng)的相互垂直的三個特征向量，依此相應(yīng)折減便可得到穩(wěn)定性計算時變形參數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 巖體變形參數(shù)選取

采用RMR巖體分類對工程地質(zhì)巖組評分，然后按Hoek-Brown經(jīng)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(yīng)的σm，用一組σ3和σ1m繪制摩爾圓及其包絡(luò)線，在包絡(luò)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(jīng)驗綜合確定穩(wěn)定性計算時的強度參數(shù)。各類巖組計算參數(shù)取值見表7。

表7 巖體強度參數(shù)選取

4 人工邊坡穩(wěn)定性評價

在某核電站人工邊坡穩(wěn)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(wěn)定性分析圖。無論是節(jié)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(nèi)變形很大，所以節(jié)理單元模型位移等值線圖在此區(qū)域很密集，而損傷模型應(yīng)力矢量圖表示的應(yīng)力矢量同樣也在近圓弧形范圍內(nèi)自坡腳起向外逐漸減小。在巖體邊坡穩(wěn)定性評價中，兩種數(shù)值計算模型不同之處的最直接體現(xiàn)就是穩(wěn)定系數(shù)大小的差別，這種穩(wěn)定系數(shù)之間大小差別反映到最危險滑動面搜索結(jié)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(shù)值計算模型本身方法的差異造成，以節(jié)理單元模型考慮時只是對整個坡體范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面和周圍巖體建立彈塑性力學(xué)方程進行力與位移的計算；而損傷模型對結(jié)構(gòu)面的折減則是建立模型時過渡為對整個坡體范圍內(nèi)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(yīng)的引起潛在滑動面的“擴展”。

圖6 節(jié)理單元模型位移分布圖

圖7 節(jié)理巖體損傷模型應(yīng)力矢量圖

事實上，對于考慮受結(jié)構(gòu)面影響的巖體邊坡穩(wěn)定性評價采用有限元法計算時，有限元計算受數(shù)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(shù)還有待進一步的探討外，穩(wěn)定性評價時的有限元模擬最重要的還是對于當(dāng)前使用的有限元軟件其內(nèi)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(fā)至關(guān)重要，從這一意義上說，對于節(jié)理化巖體邊坡穩(wěn)定性研究無論空間還是內(nèi)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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