津橋湖泄水庫洪洞出口邊坡開挖穩(wěn)定性分析

張雪晶　謝新生　謝秀新

（1.四川大學水利水電學院四川成都610065；2.上海勘測設計研究院有限公司上海虹口200434）

津橋湖泄水庫洪洞出口邊坡開挖穩(wěn)定性分析

張雪晶1謝新生1謝秀新2

（1.四川大學水利水電學院四川成都610065；2.上海勘測設計研究院有限公司上海虹口200434）

津橋湖水庫泄洪洞出口邊坡開挖受限，須采取陡邊坡開挖，存在較大安全隱患。因此，本文主要針對該問題，采用有限元軟件A N SY S對泄洪洞出口段建立三維模型，模擬計算泄洪洞出口邊坡開挖應力、應變場，分析其穩(wěn)定性。以上計算分析可為泄洪洞設計、施工及后期運行提供參考，具有較高工程價值。

開挖；邊坡；有限元法；穩(wěn)定性分析

1　工程概況

津橋湖水庫位于四川省巴中市區(qū)，橫跨渠江水系一級支流巴河的支流新橋河，沿新橋河距巴河約1km。壩址處流域集雨面積9.96km2，主河道長5.94km，總庫容143.2萬m3，多年平均流量0.22m3/s，水庫正常蓄水位380.0m，相應正常蓄水位庫容134.00萬m3，校核洪水位383.07m，總庫容193.0萬m3，死水位370.00m，死庫容26.8萬m3。水庫樞紐主要由大壩、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、原河渠道組成。

泄洪洞位于右岸壩肩，采用塔式進水口，進口底板高程366.00m，出口底板高程355.00m，孔口尺寸3.8m×3.8m，洞身斷面為圓形，洞徑3.8m（內直徑），隧洞總長418m，隧洞頂板埋深5m～40m。水流經溢洪道及泄洪放空洞下泄進入消力池后進入下游河道。

該水庫主要特點為受地形影響，修建在即將成型的鬧市區(qū)內，泄洪洞出口下游河道兩岸100m處為一商業(yè)中心。泄洪洞本身及其出口邊坡穩(wěn)定應引起足夠重視。

圖1　泄洪洞出口段典型地質縱剖圖

2　地質條件

隧洞洞身段處于山脊內，穿山而過，軸線和山脊基本正交，洞身中部巖性較好且無不利節(jié)理組合。洞身段洞頂板圍巖為（K1b-Ss）泥質粉砂巖，洞底及側壁為（K1b-Ss）泥質粉砂巖，穩(wěn)定性較好但強度不足。出口處隧洞頂板巖層層間結合較差，尤其是砂泥巖交界部位，隧道開挖后頂板因應力回彈局部可能松動，如不進行及時支護可能產生一定規(guī)模的坍塌，且泥巖抵抗風化能力較差，失水后會快速崩解，可能存在局部剝落和塌塊。

隧洞出口處存在大量堆填（Q4me）棄土，自身穩(wěn)定性差，必須采取可靠的措施，方能進行洞口段的開挖。出口右側邊坡雜草叢生，上部風化強烈，下部已被部分棄土覆蓋，見圖1、圖2、圖3。

圖2　泄洪洞出口典型地質橫剖圖（1-1）

3　三維有限元法分析

3.1計算模型

在巖土邊坡、地下工程開挖中會遇到無限域或半無限域問題。圣維南認為荷載僅對局部范圍有影響，在遠離荷載作用區(qū)時影響效應可忽略。理論計算和實踐表明，開挖釋放荷載及結構應力對相鄰巖體應力應變產生明顯作用的范圍大約為開挖結構與周圍巖體接觸面大小的2.5～5倍［1］［2］。

本次計算模型選取范圍為隧0+318.00至隧0+418.00段，及出口段向后延伸20m，總長度120m。寬度分別取洞軸線右側80.5m，左側89.5m，總寬度170m。基礎向下延伸80m，上部至地表，隧洞出口位置邊坡高度為15m～30m。模型Z方向（正向）沿洞軸線指向下游，Y方向（正向）鉛直向上，X正向指向左岸。模型邊界條件是將基礎底部施加Y方向位移約束，上下游施加Z方向水平位移約束，左右兩側施加X方向水平位移約束。

圖3　泄洪洞出口典型地質橫剖圖（2-2）

表1　邊坡巖體初始參數建議值

模型采用八節(jié)點六面體實體單元SOLID45模擬巖體。模型共有巖體單元44088。為了研究兩個坡面的變形規(guī)律，取開挖后隧洞口前后各一個斷面作為典型斷面。

3.2邊坡開挖及材料參數特性

3.2.1開挖方案

為不影響邊坡頂右方的施工道路和民房的安全，開挖分兩級進行：①先挖除人工填土，形成一級坡；②第二步挖除出口上部覆蓋層，高程360.00m～375m范圍以開挖坡比1:1形式削坡，高程375m之上部分垂直開挖。出口右側邊坡以坡比1:0.5自上而下開挖至高程355m，形成二級坡。

3.2.2材料參數特性

3.3計算工況

開挖是為了確保隧洞在出口處成洞的安全性及上部邊坡的穩(wěn)定性。計算考慮初始工況、施工開挖邊坡穩(wěn)定情況。

3.4邊坡應力與變形分析

3.4.1初始地應力場

在自重下產生的初始應力場，沿X方向（坡向）最大應力分布在坡對側底部，主要是因右側巖層較厚產生的偏壓，擠壓左側造成左側底部壓力最大，值為1.25Mpa。鉛直向應力基本為壓應力，僅表層與邊界存在拉應力，但值較小，主要由邊界效應引起，最大壓應力分布于右側坡模型底部，值為2.77MPa，也是因右側巖體較左側厚造成。開挖體處順河向應力基本受壓，僅表層受到較小拉應力，最大值約0.166MPa。

3.4.2無支護的開挖應力與變形分析

（1）第一步開挖應力分析

第一步開挖后的典型坡面主應力分布：大主應力基本受拉，值約0.27MPa～-0.15MPa，小主應力受壓，值約0 MPa～-0.31MPa。開挖引起的附加應力水平較大，由此產生的第一、二、三附加主應力主要分布于開挖體底部及坡面，最大值分別為0.821MPa、0.397MPa、0.366MPa，對穩(wěn)定不利。

（2）第一步開挖引起位移增量分析

第一步開挖后典型坡面引起的變形規(guī)律：坡面沿X方向變形集中在中下部，值約2.33mm～3.74mm，坡腳下部最大回彈量約4.68mm，說明坡腳受開挖影響最敏感，應先挖除坡腳上部土體，削破減載，而不應直接開挖坡腳。

（3）第二步開挖應力分析

繼續(xù)開挖后，典型斷面主應力分布：一級坡面（斷面2-2）與二級坡面（斷面1-1）應力水平基本相當，大主應力基本受拉，值約為-0.11～0.16MPa，對坡面穩(wěn)定不利。小主應力均為受壓，值約為-0.3MPa～0MPa。

（4）第二步開挖引起位移增量分析

第二步開挖引起的典型斷面位移規(guī)律：典型斷面1-1及2-2變形規(guī)律基本一致，水平位移均在坡的中下部較大，最大值分別為4.0mm、4.19mm。坡底鉛直位移亦基本一致，最大值分別8.0mm、8.83mm。

3.5邊坡塑性區(qū)分析

塑性變形是因物體變形超出了彈性范圍，產生的不可恢復的變形。是破壞開始前的預兆，塑性區(qū)的出現(xiàn)及范圍大小可很好的說明塑性破壞的程度。

考慮到一級坡坡高約30m，是本次開挖的重點關注部位，故取本級坡典型斷面2-2研究其塑性區(qū)分布規(guī)律。

第一步挖除隧洞口雜填土后，卸荷使得巖體受拉后率先產生塑性變形，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在一級坡坡腳，高度約5m，深度約4m。當繼續(xù)開挖后，塑性區(qū)不斷向內擴大，并有向上發(fā)展趨勢，高度約7m，深度約5m，同時在第二級坡腳也出現(xiàn)了塑性區(qū)，但范圍不大。由于一級坡高度較二級坡大，且塑性區(qū)范圍也相對較大，若一級坡塑性區(qū)不斷向上擴大，最終貫通，將導致邊坡整體失穩(wěn)破壞，因此，對邊坡采用加固是十分必要的。

4　支護措施

開挖后邊坡總體上是穩(wěn)定的。但邊坡巖體強度較低，為防止變形加劇仍需及時支護。

開挖后邊坡采取噴錨加固方式，即掛鋼筋網噴C20混凝土，厚15cm，采用B28自進式錨桿，長3.5m，縱橫間距1m，如圖4、5。當噴錨加固后，第二級坡腳處塑性區(qū)消失，第一級坡（出口右側坡）腳塑性區(qū)范圍有所減小，只是表層塑性區(qū)范圍縮小，其深度和高度基本無變化，說明加固對第二級坡有一定效果，對第一級坡無明顯效果。

表2　邊坡巖體支護設計

圖4　出口右側邊坡支護示意圖

圖5　出口上部邊坡支護示意圖

5　結語

本文主要分析了邊坡開挖前后的應力、應變及典型斷面的塑性區(qū)情況，有如下結論：

（1）本邊坡的特點是巖體參數較低，在有限擾動下，且變形較小情況下坡腳就出現(xiàn)塑性區(qū)，如不支護坡腳會最先破壞。因此，要對邊坡采取加固措施。

（2）噴錨支護后，二級坡變形改善顯著，塑性區(qū)基本消失。但一級坡變形改善效果較小。鑒于一級坡為重點加固部位，因此，加固效果不理想，可能是因為在塑性區(qū)內錨固長度僅為3.5m，長度不足，支護方案有待改善。陜西水利

［1］譚曉慧，王建國，王印.邊坡穩(wěn)定的非線性有限元分析［J］.巖土力學，2008，08: 2047-2050.

［2］胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應用［J］.山西建筑，2010，03:341-342.

（責任編輯：唐紅云）

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