錨索支護(hù)在某水電站邊坡中的FLAC3D數(shù)值分析

羅維++劉鵬君++姚建順

【摘 要】滇西某水電站導(dǎo)流洞在施工開挖工程中，邊坡上部巖體會出現(xiàn)多條裂隙，對邊坡的穩(wěn)定性和施工安全性有著一定的影響。本文采用數(shù)值模擬對邊坡進(jìn)行了三維建模，植入錨桿加固措施對邊坡的整體水平位移和塑形區(qū)進(jìn)行了對比分析。通過數(shù)值模擬計算得出錨桿加固對改善邊坡的變形有著良好的作用，對后期的施工有著一定的保障。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；錨桿；邊坡加固

FLAC3D numerical analysis of the slope with the anchor rope supporting in a hydropower station

LUO Wei1 LIU Peng-jun1 YAO Jian-shun2

（1.China University of Geosciences， Hubei Wuhan 430074， China；

2.Shanghai investigation. Design & Research institute Co， Ltd. Shanghai 200434， China）

【Abstract】During the excavation of the diversion tunnel in DianXi， in the process of excavation， a number of cracks have been found in the upper slope rock mass， the stability and subsequent excavation of tunnels have been significantly adverse influenced. This paper adopts the numerical simulation was carried out on the slope with 3D modeling， With embedded anchor reinforcement measures， the overall level of slope displacement and plastic zone are analyzed in comparison. Calculated through the numerical simulation of anchor reinforcement to improve the slope deformation has a good effect， has a certain security on the late construction.

【Key words】Numerical simulation； Anchor； Slope reinforcement

0 前沿

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，為了緩解國家能源需求，我國建設(shè)了一批大規(guī)模的水利水電工程。這些工程常常處于高山峽谷之中，兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性是工程建設(shè)者們關(guān)注的重要問題。由于傳統(tǒng)的極限平衡理論的局限性，使之在計算埋深、巖性、施工方法等對邊坡穩(wěn)定性的影響時顯得有些不足。如金云弼等[1]采用塊體極限平衡法對水電站泄洪洞口巖石邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，對其穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。徐明毅等[2]采用三維剛體極限平衡法對小灣水電站進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了分析，計算了邊坡開挖成型后加固和不加固兩種情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)。20世紀(jì)70年代以來隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)值模擬方法越來越多的應(yīng)用到工程計算當(dāng)中。林正偉等[3]對隧道洞口邊坡進(jìn)行了二維有限元分析，得出了邊坡變形和應(yīng)力的變化規(guī)律，對加固效果進(jìn)行了評價。祁生文等[4]，徐衛(wèi)亞等[5]應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D對洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對滇西某水電站導(dǎo)流洞施工開挖邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析其變形情況，為邊坡的加固處理提供參考。

1 工程地質(zhì)條件與穩(wěn)定性現(xiàn)狀

1.1 工程地質(zhì)條件

水電站位于滇西瀾滄江河段上，開挖邊坡坡頂高程1415.00m，坡底高程1324.00m，邊坡高約103.00m，邊坡走向N5°E，與巖層走向和層內(nèi)錯動帶的夾角小。巖體風(fēng)化和傾倒變形強烈。邊坡總體產(chǎn)狀：N5°～10°E、NW∠45°～65°，邊坡構(gòu)造發(fā)育，受卸荷、傾倒影響，拉張的順坡緩傾角節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀為N10°～20°、WSW∠10°～35°連通率44.3%～53.2%；順層的層內(nèi)錯動帶發(fā)育；順層斷層有F133、F137；傾向坡外的緩傾角斷層F154。主要的軟弱結(jié)構(gòu)面順層斷層及層內(nèi)錯動帶的走向與邊坡的走向近平行、傾向相反、傾角較陡，傾向坡外的緩傾角節(jié)理和緩傾角斷層較發(fā)育，未開挖前的自然邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 開挖后邊坡穩(wěn)定性

導(dǎo)流隧洞出口明渠段層開挖施工后邊坡上1339m～1356m高程出現(xiàn)多條裂縫，其中裂縫寬度在1～5cm之間。對邊坡穩(wěn)定和導(dǎo)流洞后續(xù)的施工安全造成不利影響，需要進(jìn)行加固處理。

2 邊坡錨固計算

2.1 計算模型及參數(shù)

在邊坡上1339m～1356m高程間增加一排長錨索來討論錨索對邊坡變形的影響，計算模型如圖1所示，錨索預(yù)應(yīng)力為1000KN，排距4m。計算參數(shù)取值如表1所示。

2.2 計算結(jié)果及分析

圖2（a）～（d）給出了在不增加和增加錨索的情況下開挖完成后邊坡水平位移云圖和塑性區(qū)分布云圖。

圖1 錨索模型圖

Fig.1 Model of anchor cable

表1 錨索力學(xué)參數(shù)

Tab.1 The mechanical parameters of anchor cable

（a）施加錨索前水平位移 （b）施加錨索后水平位移

（c）施加錨索前塑性區(qū) （d）施加錨索后塑性區(qū)

圖2 錨索施加前后位移和塑性區(qū)圖

Fig.2 The horizontal displacement and plastic zones of slope

before and after anchor cables applied本文選擇了實際監(jiān)測過程中水平位移為最大的兩個點，即1#導(dǎo)流洞中心線上A點（高程1339m）和2#導(dǎo)流洞中心線上B點（高程1376m）來進(jìn)行跟蹤分析，其具體數(shù)值結(jié)果如表2所示。

表2 增加錨桿之后邊坡水平位移計算結(jié)果比較（單位：mm）

Tab.2 Compared of calculation horizontal displacement of slope before and after anchor cables applied

從圖2（a）～（d）可以看到，錨索施加前后，邊坡的整體水平位移有了一定程度的減小（約2～3mm，約3%左右），且邊坡坡體的整體塑性區(qū)面積有部分減小，尤其是變形較大的區(qū)域面積減小為原來的50%左右，這表明坡面上預(yù)應(yīng)力錨索的施加對坡體的變形有著一定的改善作用。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)條件以強風(fēng)化強傾倒巖體為主，中薄層狀砂板巖組成，而且底部發(fā)育的緩傾角斷層F154穩(wěn)定性較差。由數(shù)值計算結(jié)果可知采用錨索加固對邊坡的變形加固能夠取得較好的效果，因此導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡采用錨索加固形式，在實際施工中也取得了較好的效果，邊坡后期變形得到了有效的控制。

3 結(jié)論

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對水電站導(dǎo)流洞施工對邊坡影響進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

（1）水電站導(dǎo)流洞施工對邊坡的水平位移有著一定的影響。

（2）預(yù)應(yīng)力錨索對改善導(dǎo)流洞邊坡坡體的變形（尤其是水平位移）和塑性區(qū)作用明顯。可以作為該邊坡支護(hù)加固的主要形式。

【參考文獻(xiàn)】

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[5]徐衛(wèi)亞，宋曉晨，周維垣.水電站進(jìn)水口巖石高邊坡及壩坡與洞室相互作用的三維數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，16：2712-2717.

[責(zé)任編輯：王楠]