隆盛水庫溢洪道高邊坡FLAC3D數值模擬穩定性分析

單 威, 李建東

(內蒙古自治區 水利水電勘測設計院,內蒙古 呼和浩特 010020)

隆盛水庫溢洪道高邊坡FLAC3D數值模擬穩定性分析

單 威, 李建東

(內蒙古自治區 水利水電勘測設計院,內蒙古 呼和浩特 010020)

隆盛水庫是內蒙古大黑河一級支流拐角鋪河上在建的一座中型控制性水利樞紐工程,是調洪蓄水和防止泥沙進入大黑河的重要水利工程。因順坡向緩傾角節理裂隙及混合巖化作用發育,水庫溢洪道右岸高邊坡在開挖后修坡過程中,發生了兩次大規模滑塌,在收集該地區大量的野外調查資料的基礎上,運用FLAC3D軟件模擬分析隆盛水庫溢洪道高邊坡的穩定性,對工程區邊坡開挖和修坡條件下的土體變形及位移情況進行模擬計算,獲得了邊坡在開挖和修坡條件下的最大、最小主應力圖和一系列觀測點位移圖,為工程設計提供參考。

高邊坡;FLAC3D模擬計算;穩定性分析;隆盛水庫

1 研究背景

隆盛水庫是內蒙古大黑河一級支流拐角鋪河上在建的一座中型控制性水利樞紐工程。工程的任務是灌溉、城鎮及工業供水、攔沙、防洪等綜合利用,根據調節計算每年灌溉可供水量為658萬m3,城鎮及工業供水可供水量為380萬m3。工程等別為Ⅲ等,主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪排沙洞及供水洞等,主要建筑級別為3級建筑物,次要建筑物為4級,施工臨時建筑物級別為5級。

因順坡向緩傾角節理裂隙及混合巖化作用發育,水庫溢洪道右岸高邊坡在開挖后修坡過程中,發生了兩次大規模滑塌,造成一、二級馬道嚴重損毀。本文以分析確定該高邊坡潛在不穩定滑動面及應力集中區域分布范圍為主要研究目的,運用FLAC3D軟件建模分析,對工程區邊坡開挖和修坡條件下的土體變形及位移情況進行模擬計算,獲得了邊坡在開挖和修坡條件下的最大、最小主應力圖和一系列觀測點位移圖,為工程設計邊坡加固處理措施提供參考。

2 研究區概況

2.1 工程概況

隆盛水庫溢洪道設計方式為開敞式溢洪道,由進水渠段、控制段、泄槽段、挑流消能段組成。目前,溢洪道開挖進水渠段已至設計高程1 461.50 m,由控制段至泄槽段現狀底板高程為1 458.78～1 448.68 m,右部邊坡分為五級馬道,一—四級馬道邊坡高度15 m左右,四—五級邊坡高度約30 m,五級馬道以上邊坡高度10～15 m,工程開挖坡高在100 m左右,屬工程開挖高邊坡。每級邊坡坡比為1∶0.75,二級以上邊坡已完成噴錨處理。

溢洪道右岸一級邊坡開挖修坡過程中發生較大的邊坡滑塌兩次,一次是發生在2015年8月15日,塌坡范圍樁號0+080～0+120,高度為一級馬道邊坡坡腳(高程1471.0 m左右)—二級馬道頂部(高程1 486.0 m)。另一次較大的滑塌發生在2015年8月31日。在2015年8月30日發現一級馬道樁號0+020～0+040發生局部塌落,樁號0+060～0+100一級馬道發生縱向鋸齒狀拉裂縫,裂縫寬度10～15 cm,地質設代向監理反映了相關情況,并建議停止開挖。次日,樁號0+060～0+100段發生較大邊坡滑塌,塌坡高度為一級馬道頂部(高程1 471.0 m左右)—一級馬道邊坡坡腳(高程1 458.0 m左右)。

2.2 右岸高邊坡巖性特征

一級邊坡底部巖性為下太古界烏拉山群大理巖組(Ar1wl2)黑云母角閃斜長片麻巖,分布厚度8～10 m,片麻理非常發育,節理發育,巖體呈碎裂結構。上部巖性0-020～0+005段為下太古界烏拉山群大理巖組(Ar1wl2)白云石大理巖,分布厚度為3～5 m,節理較發育,巖體呈次塊狀結構;0+005～0+028段為下太古界烏拉山群大理巖組(Ar1wl2)綠泥石英巖、石英片巖及混合巖化巖,分布厚度5～7 m,節理較發育,巖體呈碎裂結構。

二級邊坡根據當時地質編錄巖性為下太古界烏拉山群大理巖組(Ar1wl2)黑云母角閃斜長片麻巖,片麻理非常發育,節理發育,巖體呈碎裂結構,現已噴錨支護。

2.3 右岸高邊坡卸荷裂隙拉裂縫的分布和性質特征

右壁發育有6條拉裂縫L2-1～L2-6。其中L2-1、L2-2位于樁號0+005～0+030之間一級、二級馬道坡頂,L2-1發育長度約25.0 m,裂縫寬度5～7 mm,L2-2發育長度約20.0 m,裂縫寬度5～7 mm,兩條拉裂縫延伸較長,均沿溢洪道軸向水平發育;L2-3、L2-4位于樁號0+065～0+090、0+105～0+110的二級馬道坡頂處,L2-3發育長度約25.0 m,裂縫寬度5～7 mm,L2-4發育長度約5.0 m,裂縫寬度5～7 mm,均沿溢洪道軸向水平發育;L2-5、L2-6位于樁號0+130～0+140間的二級馬道坡頂—三級馬道坡頂處,發育長度7.5～15.0 m,裂縫寬度3～8 mm,垂直溢洪道軸向順坡面縱向發育。

分析認為,L2-1為卸荷裂隙結構面,結構面與邊坡呈外傾關系,即結構面傾向與邊坡坡向相同,結構面傾角38°～43 °,小于邊坡坡度角(1∶0.75,即53°)。結構面平整,傾角上陡下緩,結構面延伸遠,控制范圍在樁號0+000～0+130。結構面以上巖體已發生滑塌,滑塌范圍在樁號0+000～0+130。滑塌較嚴重段,滑塌高度由一級馬道坡角至二級馬道坡頂,高程在1 464.00～1 486.50 m。L2-1卸荷裂隙結構面,是造成右邊坡失穩滑塌控制性的主結構面。6條裂縫推測均為卸荷裂隙,其下部巖體為潛在不穩定巖體,已建議進行邊坡加固處理。

3 FLAC3D數值模擬高邊坡穩定性分析

3.1 FLAC3D概述

FLAC3D是在三維連續介質中應用的快速拉格朗日差分分析方法。它在分析巖土工程結構的彈塑性力學行為、模擬施工過程等方面有其獨到的優點。尤其在發生塑性流動或失穩的情況下,此法可以很方便地用于模擬結構從彈性到塑性屈服、失穩破壞直至大變形的全過程,這是其它一些模擬計算方法無法比擬的[1]。

3.1.1 空間導數的有限差分近似

在FLAC3D中采用了混合離散法,區域被劃分為常應變六面體單元的集合體,而在計算過程中,程序內部又將每個六面體分為以六面體角點為角點的常應變的集合體,變量均在四面體上進行計算,六面體單元的應力、應變取值為其內四面體的體積加權平均值[2]。

3.1.2 計算循環

FLAC3D的計算循環是FLAC3D程序將會計算單元之間的不平衡力,將此不平衡力重新添加到各節點上,再進行下一步的迭代運算,直到不平衡力足夠小或者各個節點的位移趨于平衡為止。

3.2 邊坡模型的建立

考慮到建立三維模型的復雜性,在建立三維模型時,對一些因素進行了簡化。同時,本文主要模擬邊坡開挖后周邊的應力變化及位移對邊坡的影響,所以主要對邊坡區進行模擬計算。模型計算的基本參數根據研究區域的巖層柱狀圖和現場測得的巖層物理力學的實驗結果來確定。結合工程具體情況,建模時將工況分為:開挖前、開挖后、修坡三個階段予以考慮[3]。

此三維模型的建立采用分區組合的方法進行構造,首先按層面和模型外邊界進行分區,分別劃分每個區的網格,然后再將各分區組合在一起,形成計算模型。模型外圍規格1 600 m×400 m×630 m,共劃分出15 420個單元,16 544個節點(未開挖前的網格示意圖如圖1)。具體建模過程如下:按溢洪道右岸高邊坡工程地質剖面圖將圖形剖分,以海拔高程1 400 m作為模型坐標中心,向水平方向和垂直方向建模。為減小計算誤差,滿足FLAC3D計算精度,假設模型沿邊坡走向長400 m,形成一個三維模型。其中X,Y,Z正方向依照右手定律,X以右方向為正,Z以垂直向上為正。

形成的初始狀態未開挖前的網格圖見圖1。

3.3 驗證模型合理性

模型建立完畢后,首先通過生成模型的最大不平衡力圖形確定邊坡天然條件下的穩定性,驗算邊坡模型是否最終達到平衡。經模擬計算,高邊坡最大不平衡力隨時間推移不斷減小,說明在天然條件下,模型經過一段時間的應力平衡過程后,各向應力隨時間延續逐漸平衡,說明模型逐漸趨于穩定,所建模型合理(見圖2)[4]。

3.4 開挖后邊坡穩定性分析

高邊坡開挖后(見圖3),應力分布發生改變,模型重新進行應力計算并趨于平衡,最大不平衡力隨時間推移最終趨于定值(見圖4),說明開挖后模型達到平衡,應力重新分布結束[5-6]。

圖1 邊坡開挖前的網格圖Fig.1 Grid pattern before slope excavation

圖2 開挖前最大不平衡力圖Fig.2 Maximum unbalanced graph before excavation

圖3 開挖后邊坡模型Fig.3 Slope model after excavation

開挖后,應力分布改變,通過平衡后的模型最大主應力和最小主應力分布圖對比開挖前、后的不平衡力分布狀態。其中,由開挖前、后的最大、最小主應力分布對比圖(見圖5、圖6),在高邊坡坡腳位置出現應力集中,該位置可能出現較大規模位移,因此對該部分單元選取考察點觀測其位移變化。

圖4 開挖后最大不平衡力圖Fig.4 Maximum unbalanced graph after excavation

本次模擬計算中,設計在應力集中區域內,布設位移考察點9個(見圖7),其中PK5、PK4、PK3、PK2、PK1點為邊坡開挖后考察點,P2、P3、P10、P15點為修坡后考察點。

通過各點開挖后應力重分布狀態下的最大位移量計算,生成各考察點X、Y、Z軸向位移量分析圖,5個考察點PK5、PK4、PK3、PK2、PK1中,以PK2點位移最大,且隨時間推移該點位移最后趨于穩定,即卸荷裂隙停止發展,說明開挖后邊坡處于穩定狀態,最大位移量為6.94 cm。詳見圖8開挖后點PK2(230,0,330)的X向位移。

3.5 修坡后邊坡穩定性分析

修坡后邊坡穩定性分析過程與開挖后邊坡穩定性分析過程相同。首先根據軟件生成的最大不平衡力圖判斷模型是否穩定,再通過分析軟件所生成的最大、最小主應力圖分析邊坡是否出現應力集中,最后通過各監測點的位移圖判斷模型是否發生變形破壞。

圖5 最大主應力分布對比圖Fig.5 Comparison chart of maximum principal stress

圖6 最小主應力分布對比圖Fig.6 Comparison chart of minimum principal stress

圖7 考察點位置示意圖Fig.7 Sketch map of position of observation point

圖8 開挖后點PK2(230,0,330)的X向位移Fig.8 X directiomal displacement of PK2(230,0,330) after excavation

3.6 模擬計算成果分析

(1) 開挖前,模型中的最大不平衡力隨時間延續逐漸減小,最后趨近于零,這與天然條件下邊坡的穩定情況相同,說明所建模型合理。

(2) 開挖后,應力發生重分布,對比開挖前和開挖后模型最大主應力和最小主應力分布圖,在邊坡區部分位置出現應力集中,說明該位置可能出現較大位移。所有觀察點在邊坡開挖后首先隨時間延續位移逐漸增大,但最終達到穩定狀態。在所有觀察點中以PK2點的X方向位移最大,達到6.94 cm,但最終位移趨于一定值,不再出現更大位移,其他觀測點位移均較小。由此推之,邊坡整體在開挖后,只在PK1、PK2點附件發生較大位移,位移大小7 cm左右,其他位置位移很小,所以邊坡不會發生破壞,邊坡穩定,無須加以支護措施[7]。

(3) 修坡后,分析其最大主應力和最小主應力分布圖可知,在邊坡位置除P2、P3、P10、P15點附近出現應力集中外,其他位置應力分布基本不發生改變。而P2、P3、P10、P15點周圍的應力集中可能導致單元體發生大規模位移,使巖體破壞,邊坡失穩。在所有觀察點中以P3點的X方向位移最大,達到10.84 cm,且所有觀察點均會發生較大規模位移,位移大小8～10 cm左右,且所有觀察點在邊坡開挖修坡后隨時間延續位移逐漸增大。由此說明,修坡后在邊坡修坡段會出現大規模位移,可能導致邊坡失穩,需加支護。加錨桿后,邊坡最大位移最大處為6.36 cm,比未加錨桿邊坡最大位移減小4 cm。

4 結論及高邊坡加固處理措施建議

(1) 優化設計方案,建議在滿足水工泄洪順暢條件下,不再繼續向下開挖,不破壞邊坡坡腳,不產生臨空面,以保障現開挖邊坡相對穩定條件。

(2) 對潛在不穩定邊坡采用不同方式錨固處理。據FLAC3D模擬分析及水平孔揭露,建議于高邊坡坡腳考察點P2-P3范圍的應力集中區及卸荷區域進行水平錨固,貫穿深度應>22.0 m。

(3) 做好排水措施,于考察點P2水平向布設排水孔,減少節理裂隙內的積水并降低再次滑塌的可能。

(4) 對考察點P2、P3、P10、P15等模擬位移量較大區域,做好邊坡巖體的長期變形觀測工作。

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(責任編輯：陳姣霞)

FLAC3D Numerical Stability Analysis of High Slope in Longsheng Reservoir

SHAN Wei, LI Jiandong

(WaterResourcesandHydropowerSurveyandDesignInstituteofInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot,InnerMongolia010020)

Longsheng reservoir is medium controlling key water-control project,also is the flood water and preventing the sediment into the large key water conservancy project in Heihe.Because of llow-angle joint cracks,the development of migmatization,two large-scale collapse occur in the process of the high slope after excavation on the right bank slope of reservoir spillway. The paper has collected a large number of field survey data in the region,analyzed reservoir spillway slope stability by FLAC3D. Maximum and minimum principal stress diagram and a series of observation point displacement diagram by simulating calculation under hydro-geologic conditions of slope excavation and slope under the condition of the soil deformation and displacement,provide reference for the engineering design.

Longsheng reservoir; high slope; FLAC3D numerical simulation; stability analysis

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

內蒙古自治區烏蘭察布市卓資縣隆盛水庫工程地質勘察(S090044105010)。

單威(1983-),男,工程師,水文與水資源工程專業,從事水文地質、水文水資源工作。E-mail:42392534@qq.com

TU457

A

1671-1211(2016)03-0315-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.016

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.032.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31