黃宜勝，羅浩然，黃 強

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

某水電站泄洪洞進口邊坡加固方案優(yōu)化研究

黃宜勝，羅浩然，黃 強

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

某水電站深孔泄洪洞進口邊坡為典型巖質(zhì)開挖高邊坡，其在施工及運行期的變形穩(wěn)定性關(guān)系到整個工程的安全和效益。通過建立二維有限元模型，考慮邊坡在施工及運行期會遇到及可能遇到的11種工況，對深孔泄洪洞進口邊坡典型剖面進行變形穩(wěn)定性分析，并在此基礎(chǔ)上對該邊坡的加固方案進行優(yōu)化。結(jié)果表明，邊坡變形滿足整體要求，錨索錨固傾角為5°時為最優(yōu)加固方案。

邊坡；變形；有限元；加固方案；優(yōu)化分析

0 引 言

在水電站建設(shè)中，高邊坡的變形穩(wěn)定及加固問題一直備受重視。邊坡從開挖開始遇到的各種不同工況都會對邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)和受力情況產(chǎn)生影響。邊坡開挖后，由于卸荷作用，坡體受到擾動影響，巖體承載力下降，宏觀力學(xué)參數(shù)降低，安全系數(shù)減少。由于水電站泄洪洞邊坡的特殊性，除一般邊坡會遇到的各種工況外，還會受到庫水位升降帶來的影響。因此，有必要對泄洪洞邊坡在各個工況下的變形進行計算分析，為邊坡的穩(wěn)定性評價和加固提供參考[1-7]。

作為現(xiàn)今高邊坡的主要加固方式，預(yù)應(yīng)力錨索因其能充分發(fā)揮和提高巖土體的強度、有效控制巖土體的變形而得到了廣泛的應(yīng)用[8]。預(yù)應(yīng)力錨索加固參數(shù)的確定直接影響其錨固效果。本文對預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角這一敏感因素進行計算分析，對比不同錨固角度下的泄洪洞邊坡的變形情況，以期得到經(jīng)濟合理的邊坡加固方案。

1 工程概況

某水電站為控制性水庫電站工程，水庫正常蓄水位為2 865 m。深孔泄洪洞進口布置在左岸壩線上游350 m處，進水口底板高程2 805 m，開挖高度達(dá)到285 m。水電站深孔泄洪洞典型邊坡開挖剖面見圖1。邊坡開挖后，邊坡應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，強卸荷區(qū)主要在開挖面附近5 m左右，中卸荷區(qū)深度為5～15 m，弱卸荷區(qū)深度為15～30 m，之后才是比較完整的巖體。

圖1 深孔泄洪洞典型邊坡開挖剖面(單位：m)

為對邊坡變形穩(wěn)定性和擬開挖加固方案的合理性進行評價，本文采用有限元法，以ADINA為平臺建立深孔泄洪洞進口邊坡典型剖面的模型，對其進行變形穩(wěn)定性分析，并對加固方案進行優(yōu)化[9-10]。

2 二維有限元計算模型及工況

2.1 二維模型

計算模型中，Z方向為垂直于基巖方向，向上為正，向下為負(fù)；Y方向為水平方向，向左為負(fù)，向右為正。模型底部為豎直向約束，左右向為水平向約束。選取深孔泄洪洞進口邊坡典型縱剖面，邊坡開挖方案為從上到下分11步開挖。建立的計算模型見圖2。

圖2 典型縱剖面計算模型

2.2 計算參數(shù)

通過前期室內(nèi)及現(xiàn)場試驗以及工程類比法，確定巖體初始力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 巖體初始力學(xué)參數(shù)

2.3 計算工況

根據(jù)邊坡開挖的施工過程、巖體在開挖后力學(xué)性能的變化、水庫運行情況以及本剖面的具體特點等，選取施工及運行期的11種工況進行計算分析。

2.3.1 施工期

(1)天然工況(工況一)。主要分析邊坡在現(xiàn)今自然條件下(沒有工程措施)時的應(yīng)力狀況。

(2)開挖工況(工況二)。按彈塑性有限元計算邊坡開挖后未加固且不考慮巖體卸荷作用的工況。

(3)卸荷工況(工況三)?？紤]邊坡開挖后巖體卸荷、但未加固時邊坡的變形和應(yīng)力情況。研究巖體由于開挖卸荷導(dǎo)致質(zhì)量劣化、材料參數(shù)降低等巖體損傷時，如果不進行支護，邊坡卸荷后產(chǎn)生的變形和應(yīng)力情況。此工況采用卸荷巖體力學(xué)參數(shù)進行計算。

(4)加固工況(工況四)。在考慮卸荷的基礎(chǔ)上對邊坡進行支護的工況。采用“逐層開挖逐層支護”的施工原則，擬采用的加固方案為：設(shè)置系統(tǒng)錨桿(錨桿φ28、L=6 m；φ32、L=9 m，間排距1.5 m×1.5 m，交替、交錯布置)，設(shè)置錨索(1 500 kN，L=50 m，間排距4 m×4 m)。在ADINA中，選用Truss單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索和系統(tǒng)錨桿，采用線彈性模型。

(5)地震工況(工況五)。在巖體開挖卸荷損傷的前提下，采用擬靜力法計算特定地震烈度下的邊坡穩(wěn)定性。此邊坡所在水電站壩址50年超概率10%基巖水平向峰值加速度為0.14g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度；100年超越概率2%基巖水平向峰值加速度為0.294g。本工況計算時，取地震加速度為0.05g(地震工況1)、0.10g(地震工況2)、0.15g(地震工況3)。

(6)暴雨工況(工況六)。分析降雨對邊坡變形的影響，主要考慮淺層巖體受雨水浸潤后，巖體劣化帶來的變形。對受影響區(qū)域巖體的力學(xué)參數(shù)進行弱化(10%～20%)后，容重達(dá)到飽和容重來進行模擬。

2.3.2 運行期

(1)蓄水工況(工況七)。分析加固后的邊坡在正常蓄水位下受庫水浸泡的變形和應(yīng)力情況。

(2)庫水驟降工況(工況八)。研究巖體卸荷加固后庫水從正常蓄水位降到進水口底板高程以下時，邊坡的變形和應(yīng)力情況。

表2 計算結(jié)果

圖3 地震工況下邊坡塑性區(qū)

(3)蓄水暴雨工況(工況九)。模擬分析在正常蓄水位暴雨作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。

(4)蓄水地震工況(工況十)。模擬分析在正常蓄水位地震作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。本工況計算時，地震加速度取0.05g。

(5)蓄水暴雨地震工況(工況十一)。模擬分析在正常蓄水位暴雨地震作用下邊坡的變形和應(yīng)力情況。地震加速度取0.05g。

3 邊坡變形分析

選擇擬加固方案的錨索傾角為5°的加固方式對該邊坡進行加固，并計算分析其在各工況下的邊坡變形穩(wěn)定性。計算結(jié)果見表2。

由表2可知，指向坡外的位移考慮卸荷比不考慮卸荷的要大；相比不加固，加固之后指向坡外的位移減小很明顯；地震工況下，隨著地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比較明顯，且隨著地震加速度的增大逐漸加快；蓄水工況下邊坡向坡外的位移變小，表明蓄水有利于邊坡的穩(wěn)定；庫水驟降工況下的位移增大；降雨工況下的位移較小。所有工況中，地震工況產(chǎn)生的位移最大。

地震工況下邊坡塑性區(qū)見圖3。從圖3可知，塑性區(qū)隨著地震加速度的增大有擴展趨勢。其他工況只是在斷層處比較集中。

從表2可知，不考慮卸荷時，開挖造成的邊坡最大水平向坡外位移為20.67 mm；考慮卸荷時，水平向坡外最大位移為22.57 mm。卸荷影響程度為9.2%。在不進行加固的情況下，水平向坡外最大位移為22.57 mm；采取加固措施后，水平向坡外最大位移為13.37 mm。加固效果為40.8%，變形明顯減少，加固效果明顯，說明加固方案可行。

總之，該邊坡在施工中應(yīng)考慮卸荷作用的影響。對邊坡采取一定的加固措施之后，邊坡的卸荷得到了很好的控制，變形減小。在地震工況下，隨著地震加速度的增大，指向坡外的位移增大比較明顯，且隨著地震加速度的增大逐漸加快。相比而言，電站運行后，在蓄水工況下的邊坡變形較小，庫水驟降對邊坡變形影響較大，應(yīng)適時注意變形的發(fā)展。從各工況的計算結(jié)果來看，深孔泄洪洞進口邊坡巖體沒有出現(xiàn)可能導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)的大變形與大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域。所有工況中，地震工況產(chǎn)生的位移最大，塑性區(qū)隨著地震加速度的增大有擴展趨勢，其他工況只是在斷層處比較集中。各工況下塑性區(qū)未貫通，表現(xiàn)出較好的整體穩(wěn)定性。

表4 加固前后關(guān)鍵點水平位移 mm

4 加固優(yōu)化分析

4.1 錨固角度的確定原則

由GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》可知，巖土體內(nèi)摩擦角的范圍為10°≤φ≤50°；對高邊坡的治理，根據(jù)實際情況，坡面角度一般為20°≤α≤80°；由土壓力極限平衡理論，水平面與滑動面切向的角度在45°+φ/2與45°-φ/2之間。郭湧對錨索變角度加固技術(shù)進行了研究，提出了錨索最優(yōu)傾角的范圍為θ≤45°，可根據(jù)具體情況進行調(diào)整，以達(dá)到施工質(zhì)量最佳的目的[11]。

為了研究邊坡在開挖過程中的加固效果，本文分別將預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角取為5°、15°、30°進行計算分析。然后通過分析開挖面上關(guān)鍵點(各點高程見表3，各點位置見圖4)加固前后水平位移變化程度Δμ來判別加固效果，從而選出最佳加固方案。

表3 開挖面上關(guān)鍵點高程 m

圖4 開挖面上關(guān)鍵點布置

4.2 錨固結(jié)果

不同錨索傾角下關(guān)鍵點水平位移隨開挖時間步的變化趨勢見圖5。圖中，水平向坡外位移為正。從圖5可知，錨索在3種傾角下，前一步開挖對后一步開挖面關(guān)鍵點的位移有影響，使得關(guān)鍵點朝坡外的位移變小，但影響不大。當(dāng)前開挖加固后，水平向坡外的位移在之后的3個開挖步內(nèi)會持續(xù)變小，這有利于開挖面的穩(wěn)定。從整體趨勢來看，關(guān)鍵點的位移隨著加固的進行逐漸變小，K1、K2位移相對于其他高程關(guān)鍵點小，說明前2步開挖巖體變形較小，而K3～K10變形均較大，為重點加固區(qū)域。

加固前后關(guān)鍵點水平位移見表4。從表4可知，隨著錨索傾角的增大，所有關(guān)鍵點的Δμ不斷減小，向坡外的位移不斷減小，說明錨索傾角為5°時，加固效果最好；第2步開挖由于靠近斷層，故加固之后甚至出現(xiàn)向坡外位移增大的現(xiàn)象，說明斷層的存在對加固效果有負(fù)面的影響；第1～9步開挖加固效果明顯；第10、11步相對位移有變小趨勢，原因在于這2步開挖高度大、方量大，加固的效果有變小的趨勢。但總體而言，錨索的最優(yōu)加固方案應(yīng)選錨索傾角為5°的加固方式。

5 結(jié) 語

本文通過二維有限元法對某水電站深孔泄洪洞進水口邊坡典型坡面進行了變形穩(wěn)定性分析計算，并在此基礎(chǔ)上對錨固方案進行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

(1)坡面卸荷工況水平向坡外的位移大于開挖工況位移，說明卸荷導(dǎo)致巖體質(zhì)量劣化，卸荷效應(yīng)比較明顯。開挖后，邊坡經(jīng)過加固，水平向坡外的位移減小，表明加固效果明顯。

(2)除復(fù)合工況外，地震工況產(chǎn)生的位移最大；庫水驟降對邊坡變形的影響僅次于地震作用。地震作用對邊坡塑形區(qū)分布影響明顯，水平相對位移都有所增大，施工及運行期應(yīng)重點監(jiān)測塑性區(qū)集中的斷層處。

(3)比較不同錨索傾角下的加固效果，錨索傾角為5°的加固方案最優(yōu)。在實際施工中，可通過增大錨索參數(shù)或其他加固措施，以減小斷層帶來的負(fù)面影響。

圖5 關(guān)鍵點水平位移

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Reinforcement Optimization Analysis for the Intake Slope of a Deep Discharge Tunnel

HUANG Yisheng, LUO Haoran, HUANG Qiang

(College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The intake slope of deep discharge tunnel in a hydropower station is a typical high rock excavation slope. The deformation and stability of slope in construction and operation periods will influence the security and benefit of whole project. A 2-D finite element model is established to conduct deformation analyses of the slope. The model introduces 11 kinds of conditions which may be happened during either the construction period or the operation period. Based on analysis results, the reinforcement measures of slope are optimized. The calculation and analysis results show that the slope deformation meets the requirements of whole stability, and the optimal scheme of anchor cable is with a angle of 5 degree.

slope; deformation; finite element; reinforcement measure; optimization analysis

2016-07-13

湖北省自然科學(xué)基金面上項目(2015CFB545)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201401029)；國家自然科學(xué)基金重點項目(51439003)

黃宜勝(1978—)，男，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事巖體力學(xué)研究.

TU457

A

0559-9342(2016)12-0033-05