GTS在邊坡動態施工設計中的運用

郭 波 路 娟

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地質工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

GTS在邊坡動態施工設計中的運用

郭 波1路 娟2

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地質工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

以某電站廠房后緣邊坡開挖為工程依托，介紹了該廠房的地質水文條件，利用GTS軟件建立了邊坡的模型，并模擬了邊坡開挖的施工步驟，對各施工步驟下的邊坡穩定情況進行了分析，為邊坡開挖支護提供了依據。

邊坡開挖，GTS，穩定性，應力，等值線

各個工程行業中如交通、水利水電等都涉及到邊坡的穩定性問題，工程設計往往考慮邊坡的幾個工況下的安全穩定問題，具體施工由施工單位進行施工方案設計，不同的施工方案對工程地質體也是有影響的，而且施工方案也受各種因素的影響，施工后的坡體有時可能與預計的相差較大，設計方根據實際開挖情況評價工程地質體的穩定性，修改設計支護方案，需花費較長時間，實效性差。若不重新計算評價工程地質體，施工方一般根據邊坡的情況進行動態支護，這種方式可能造成支護過度或支護不足的情況，工程的經濟性及安全性都得不到保障。GTS數值模擬軟件可以進行施工階段的模擬，不需要重復建模，對不同的施工階段及施工步驟都可以進行模擬計算，對邊坡的穩定性起到了一個預警作用，對邊坡的支護設計起到了指導作用。下文將以某電站的廠房后緣邊坡開挖為例，說明GTS軟件在邊坡開挖支護設計過程中的指導作用。

1 工程實例

1.1 工程概況

電站廠房采用地面廠房，橫向長約100 m，縱向寬約42 m，最大開挖深度約67 m，建基面高程約108.50 m。邊坡為電站廠房的后緣邊坡，邊坡總體高63.5 m，廠房基坑底高程為108.5 m，分為6級邊坡，底部兩級邊坡坡高分別為7.5 m和13.5 m，平臺寬為16.0 m，坡比為1∶0.5和1∶0.75，上部四級坡高為5.0 m，平臺寬為2.5 m，坡比為1∶0.5。

1.2 廠房工程地質條件

1)地形地貌。廠址區位于左岸RCC重力壩壩后近河邊的山坡上，山坡地形總體較緩，自然坡度一般為5°～15°，但靠河邊地形多較陡，部分為基巖陡壁。2)地層巖性。廠區多基巖出露，覆蓋層較薄，可忽略不計。出露的基巖為全～強風化及部分弱風化的千枚巖，巖層產狀為N35°～40°E,SE∠75°～90°。巖層走向與廠房縱軸線呈85°相交，為逆向坡。3)地質構造。該地區無大的地質構造，僅節理較發育。主要發育的節理有三組：a.層節理，延伸一般較長；b.近垂直于層節理的節理(基本順河向)，主要產狀N50°～65°W,NE∠80°～90°,少量陡傾向SW，發育間距一般0.3 m～1.5 m不等，可見延伸長一般1 m～3 m，部分較長；c.近水平向的緩傾角節理，略傾NE向或SW向，主要產狀N20°～35°W,NE∠10°～20°或SW∠10°～25°，其在地表的發育間距一般0.2 m～0.6 m，延伸較短，一般0.5 m～2.0 m，并根據鉆孔資料，該組節理在該部位的強～弱風化的基巖中多見發育，在微風化及新鮮巖體中發育較少。節理面多平直粗糙，部分充填有石英和巖屑。4)物理地質現象。廠址區基巖全風化層下限埋深一般為0 m～5.4 m；強風化層下限埋深一般為2.2 m～12 m；弱風化層下限埋深一般為7.3 m～16.80 m；以下為微風化～新鮮巖體。其中，全風化巖體呈散體結構；強風化巖體以碎裂結構為主；弱風化巖體多呈互層～中厚層狀結構，局部為薄層及厚層狀結構，RQD值為25.6%～67.1%；微風化及新鮮巖體多呈中厚層狀結構，局部夾薄層～互層狀結構，RQD值為49.3%～91%。巖體主要卸荷界限基本沿弱風化下限。5)水文地質條件。該區地下水主要為基巖裂隙水，水位埋深一般4 m～14.50 m不等，總體埋深較淺。廠房段弱風化及微風化～新鮮巖體透水率多小于4.4Lu，多屬于弱～微透水巖體。

2 工程地質體模型及計算參數

2.1 邊坡模型的建立

廠房的后緣邊坡較高，采用廠房的縱軸線剖面建立模型，為簡化建模的復雜性，邊坡模型對巖體的節理、構造等不進行建模，而在本構模型的選取中給予考慮。邊坡范圍內均為千枚巖，巖層產狀與剖面大角度相交，且巖體內地下水穩定，滲流系數小，不考慮地下水滲流情況，水對巖體的影響僅在巖石的重度中體現。模型中包括沖積層、各個風化層巖體，邊坡原始部分和挖出的部分。邊坡體主要由千枚巖組成，為巖質逆向邊坡，巖體較堅硬，故將坡體簡化成理想的彈塑性材料，計算模型選取摩爾—庫侖準則[1]。受開挖影響，邊坡穩定性分析主要集中在表部巖體，邊坡網格劃分時，對邊坡表部巖體進行細網格劃分，對深部巖體進行粗網格劃分。模型計算時受荷載及邊界條件影響，對計算模型荷載進行簡化處理，荷載簡化為主要為自重；邊界上限制節點向廠房的上、下游位移，計算范圍的底部邊界巖體單元節點采用固定約束。廠房地質剖面圖及廠房網格劃分圖見圖1和圖2。水平方向為X軸方向，豎直方向為Y軸，垂直于剖面為Z軸方向。

2.2 參數的選取

模型計算的參數主要依據為室內試驗和現場原位測試的成果，計算所用的力學參數見表1。

表1 模型計算參數取值

3 施工步驟的模擬計算結果及分析

3.1 邊坡的應力場特征

自重應力在邊坡應力場中起主導作用，隨著邊坡的逐步開挖，邊坡的應力場發生改變。邊坡初始應力狀態下(見圖3)，最大主應力分布大致與坡面平行，隨著埋深的加大，最大主應力值逐漸增大，最大主應力值為1.1 MPa～5 268 MPa，小值位于邊坡表面處，大值位于埋深較大的微風化基巖。最大主應力方向，邊坡淺部的水平方向逐漸變化為邊坡表部的豎直方向，邊坡坡腳處主要為順Z軸方向。深部基巖處的最大主應力為順Z軸方向，邊坡坡腳處的深部基巖主要為順X軸方向；開挖到第7步(見圖4)，邊坡的應力狀態改變較大，邊坡的最大主應力分布隨開挖邊坡改變而改變，大部分與坡面平行，在開挖邊坡中部出現了應力集中現象，最大主應力值為1.47 MPa～4 759 MPa，小值位于開挖邊坡較緩處，大值位于深度基巖處。最大主應力方向，邊坡淺部的最大主應力由順X軸方向逐漸變為垂直于開挖坡面，深度基巖處為順Z軸方向，邊坡坡腳處的深部基巖順X軸方向逐漸向邊坡X軸負方向轉移。其余開挖步驟中的最大主應力狀態位于上述兩種狀態之間。

3.2 邊坡位移特征

從邊坡的開挖位移等值線圖可以得出，邊坡隨著開挖的步驟，位移的主要表現為開挖面的卸荷回彈(見圖5～圖9)。圖5是邊坡開挖1位移等值線圖，顯示最大位移發生在開挖邊坡的坡腳處，最大位移值為0.26 cm。圖6顯示開挖2的最大位移發生在開挖邊坡坡面及邊坡坡腳處，最大位移值為0.5 cm。圖7顯示開挖3的最大位移發生在開挖邊坡坡腳附近的平臺上，最大位移值為0.84 cm。開挖4、開挖5和開挖6的最大位移發生的位置均位于邊坡坡腳處的平臺上，與開挖3類似，最大位移值分別為1.18 cm,1.48 cm和1.72 cm。開挖7的最大位移發生在開挖坡面及坡底平臺處，最大位移值為1.84 cm。

從等值線圖中可以看出隨著開挖的進行，卸荷回彈量最大的地方在開挖坡腳及平臺部位，其中開挖2和開挖7步驟下的開挖面坡面也出現了較大的卸荷回彈，隨著開挖深度的增加，卸荷回彈量逐漸增大。 利用強度折減法對各個開挖步驟的邊坡穩定性進行分析，其安全系數均為4，邊坡狀態為穩定。

4 結語

1)該廠房后緣邊坡巖體工程地質條件較好，大部分基巖出露，風化較淺，巖體完整性較好，且在弱風化及微新巖體中進行了現場原位試驗，其模擬參數取值與實際試驗值相符，模擬計算結果對工程具有實際指導作用。2)邊坡開挖后，開挖面及其下部的坡體內的最大主應力大部分由平行于坡面轉變為垂直于坡面，且在坡腳及少量坡體中部產生了應力集中現象，但坡體本身由較好巖體組成，在應力集中部位未出現邊坡局部破壞情況。3)隨著開挖的進行，開挖邊坡的坡腳及坡腳附近的平臺處卸荷回彈較其他部位較大。隨著開挖高程的降低，卸荷回彈量逐漸增大。尤其在進行開挖2和開挖7步驟時，開挖坡面也出現了較大回彈位移，在設計支護時應引起重視。4)模擬計算是采用的二維模擬，實際坡體存在不利結構面組合，可能產生局部順不利組合面的掉塊或失穩情況，但邊坡總體較穩定，不存在較大規模的開挖邊坡失穩現象。

[1] 陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社，2001.

The application of GTS in side slope dynamic design and construction

Guo Bo1Lu Juan2

(1.KunmingSurveyDesignResearchInstituteLimitedCompany,ChinaElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China;2.YunnanGeologicalEngineeringSecondExplorationInstitute,Kunming650051,China)

Based on trailing edge side slope excavation project of a powerhouse slope excavation, this paper introduced the geological and hydrology conditions of this building, set up the slope model using GTS software, and simulated the construction procedures of side slope excavation, analyzed the side slope stability of each construction step, provided basis for side slope supporting.

side slope excavation, GTS, stability, stress, isoline

2014-11-24

郭 波(1982- )，男，工程師； 路 娟(1984- )，女，工程師

1009-6825(2015)04-0078-02

TU413.62

A