李家?guī)r水庫城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定三維有限元分析

何 楊，張志強(qiáng)，向 勇，王志堅

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 工程概況

李家?guī)r水庫位于岷江一級支流——西河上游的文井江山區(qū)河段，壩址位于四川省崇州市懷遠(yuǎn)鎮(zhèn)青峰嶺社區(qū)境內(nèi)。該水庫開發(fā)任務(wù)是以供水為主，并為成都市提供應(yīng)急備用水源，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用，為大(2)型工程。李家?guī)r水庫的設(shè)計正常蓄水位均為763.0m，最大壩高為123.0m，總庫容為17346×104m3，為成都市提供常態(tài)供水流量為4.71m3/s，提供應(yīng)急供水流量為16.3m3/s，為崇州市提供常態(tài)供水流量為2.91m3/s。電站裝機(jī)12000kW。

工程總體布置為河床布置混凝土面板堆石壩；右岸布置溢洪道和泄洪放空洞；左岸布置城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)以及壩后電站廠房。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口設(shè)置在壩軸線左岸上游約300m處，采用岸塔式結(jié)構(gòu)，塔井通過交通橋與左岸壩頂交通洞(兼灌漿平洞)相連，進(jìn)口閘室順?biāo)鞣较蜷L40m，進(jìn)口底板高程688.00m，頂高程768.00m，凈高80.0。為加強(qiáng)塔井和邊坡整體穩(wěn)定性，在進(jìn)口開挖邊坡高程720.60m以下與塔井之間用C15混凝土回填密實。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡681.00～695.40m高程采用垂直開挖，695.40～783.00m高程以上根據(jù)邊坡巖石分類開挖坡比采用1∶0.5～1∶1，覆蓋層開挖坡比采用1∶1.5。

2 地質(zhì)條件

李家?guī)r水庫城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口處地形為斜坡，坡角25°～40°。地表分布有崩坡積孤塊塊碎石土，厚3～9m，結(jié)構(gòu)松散。下伏基巖為K1j③厚層塊狀礫巖夾薄層透鏡狀巖屑砂巖。巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為8～12m，弱風(fēng)化帶厚度為10～14m。根據(jù)巖土體透水性特征，強(qiáng)風(fēng)化巖體完整性較差，呈碎裂結(jié)構(gòu)，滲透系數(shù)(1.2～7.5)×10-3，為中等透水；弱風(fēng)化巖體構(gòu)造裂隙仍較發(fā)育，透水率62～97Lu，為中等透水層；新鮮巖體透水率4.1～89Lu，為弱—中等透水。

根據(jù)設(shè)計建基高程，閘基位于K1j③新鮮礫巖上，礫巖以鈣泥質(zhì)礫巖為主，少量泥鈣質(zhì)礫巖，巖體質(zhì)量為CⅣ類。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

左側(cè)邊坡最大開挖坡高90m左右，其中高程720.60m以下為臨時邊坡。巖層產(chǎn)狀N50～57°E/SE∠45～55°，為斜向坡，巖層視傾坡外，傾角緩于開挖坡角。邊坡上部覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)化帶巖體破碎、完整性差；下部新鮮巖體以鈣泥質(zhì)礫巖為主，巖體較破碎、完整性較差；加之為斜順向邊坡，因此存在高邊坡穩(wěn)定問題，尤其是施工期臨時穩(wěn)定問題，邊坡巖體開挖切腳后可能產(chǎn)生順層滑動。

正面邊坡開挖坡高95m左右，巖層視傾坡內(nèi)，其中高程720.60m以下為臨時邊坡。開挖邊坡為逆向坡，邊坡整體穩(wěn)定。邊坡巖體725.0m高程以下為鈣泥質(zhì)礫巖，巖體結(jié)構(gòu)較破碎—完整性差，開挖邊坡穩(wěn)定性較差，為保證施工期安全，建議支護(hù)并及時回填；725.0m高程以上為泥鈣質(zhì)礫巖，新鮮巖體較完整，但上部風(fēng)化、卸荷帶巖體較破碎、完整性較差，加之裂隙切割，可能產(chǎn)生局部垮塌。

右側(cè)開挖邊坡小于50m，為斜向坡，巖層視傾坡內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定。但邊坡上部覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)化卸荷帶巖體較破碎，開挖邊坡穩(wěn)定性較差，可能產(chǎn)生局部垮塌。

4 邊坡支護(hù)方案

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口引渠及塔井周邊開挖邊坡主要為砂巖、礫巖互層組成，為避免形成大開挖和超高邊坡，邊坡開挖按“陡開挖、強(qiáng)支護(hù)”原則進(jìn)行處理，開挖坡比采用1∶0.5，邊坡整體采取噴錨支護(hù)，正常蓄水位以上掛網(wǎng)噴植被混凝土厚12cm，以下噴C25混凝土10cm，并埋設(shè)PVC排水管，孔深9m，坡頂外緣設(shè)地表截排水溝。

巖質(zhì)邊坡：錨桿Φ25mm，長度4.5～6m，間排距3.0m；每級邊坡頂部錨桿Φ28mm，長度9.0m，間排距3.0m，2排。

覆蓋層邊坡：自進(jìn)式錨桿Φ32mm，長度6m，間排距3.0m。

預(yù)應(yīng)力錨索：695～719高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。

預(yù)應(yīng)力錨索：724～739高程2000kN/L40m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。

隧洞頂部錨桿Φ28mm，長度9m，間排距3.0m。

5 邊坡計算參數(shù)

本工程場地基本烈度為7度，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口及其邊坡采用50年超越概率5%的地震動參數(shù)值206cm/sec2進(jìn)行抗震設(shè)計。計算參數(shù)見表1，后緣邊坡和左側(cè)邊坡以及典型斷面位置示意圖如圖1所示。

圖1 后緣邊坡和左側(cè)邊坡以及典型斷面位置示意圖

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡支護(hù)方案剖面如圖2所示。

表1 計算參數(shù)

圖2 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡支護(hù)方案沿水流方向剖面圖

6 供水洞進(jìn)口邊坡三維有限元穩(wěn)定計算

邊坡有限元計算采用ABAQUS軟件進(jìn)行計算。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題[1]。

本工程中巖體采用三維四面體10結(jié)點(diǎn)實體單元(C3D10)或六面體20結(jié)點(diǎn)實體單元(C3D20)進(jìn)行剖分模擬。接觸面單元采用Katona內(nèi)界面單元模擬。錨索的模擬采用一種能夠分別模擬自由段、錨固段以及反映自由段錨索與孔周圍巖相互滑移的特殊錨索單元來模擬。錨桿、錨筋樁均用梁單元進(jìn)行模擬。

有限元計算時采用增量法：對應(yīng)于第i級荷載增量Δ{Ri}的位移增量為Δ{δi}[2- 3]，有：

[K]Δ{δi}=Δ{Ri}

(1)

Δ{δi}=(Δ{δi})e+(Δ{δi})p

(2)

式中，[K]—整體剛度矩陣，[K]=[K]e-[Ki]p；[K]e—不變的彈性整體剛度矩陣；[Ki]p—該點(diǎn)的彈性剛度矩陣修正值，可根據(jù)上一級荷載末的應(yīng)力狀態(tài)來確定；(Δ{δi})e—總位移中純彈性的那一部分；(Δ{δi})p—塑性造成的附加位移。

(Δ{δi})e的求解用彈性公式：

[K]e(Δ{δi})e=Δ{Ri}

(3)

(Δ{δi})p的求解用公式通過迭代計算：

[K]e(Δ{δi})p=[Ki]p((Δ{δi})e+(Δ{δi})p)

(4)

式中,[Ki]p—根據(jù)上一級荷載末的應(yīng)力狀態(tài)來確定。

靜力工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖3所示。根據(jù)圖3(a)可以看出，該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.77(壓)～0.48MPa(拉)的范圍，邊坡底部一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，拉應(yīng)力不超過0.5MPa。

根據(jù)圖3(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.39～-0.47MPa的范圍，均為受壓狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)好。

圖3 靜力工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖4所示。根據(jù)圖4可以看出，該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)、第三主應(yīng)力與整體揭示的主應(yīng)力分布規(guī)律相同，量值大小也相同。

圖4 地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

靜力工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖5所示。根據(jù)圖5(a)可以看出，該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.55～0.03MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過0.1MPa。

如圖5(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-2.06～-0.80MPa的范圍，從第三主應(yīng)力來看，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

圖5 靜力工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖6所示。根據(jù)圖6(a)可以看出，該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.38～0.15MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過0.2MPa；根據(jù)圖6(b)所示，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.06～-0.80MPa的范圍，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

圖6 地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

從以上不同區(qū)域條件上的城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力應(yīng)力范圍、應(yīng)力最大值與最小值以及拉應(yīng)力區(qū)分布等方面的分析，表明該支護(hù)條件下，邊坡巖體中沒有過大的拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)且拉應(yīng)力區(qū)很小，邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)較好。

通過以上計算說明邊坡的控制工況為地震工況，且支護(hù)方案具備優(yōu)化的條件。考慮到本區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況和施工情況，支護(hù)方案做以下優(yōu)化如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后地震工況進(jìn)口閘室后緣邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

進(jìn)口閘室后緣邊坡，高程754.40～800.0m：錨桿φ28mm，長度9.0m，間排距3.0m，20排；優(yōu)化為錨桿φ28mm，長度6.0m，間排距4.5m；進(jìn)口左側(cè)邊坡，高程727.00以上：錨桿φ32mm，長度6m，間排距3.0m；優(yōu)化為錨桿φ28mm，長度6m，間排距4.5m；預(yù)應(yīng)力錨索695～719m高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，4排。優(yōu)化為700～719m高程1000kN/L35m預(yù)應(yīng)力錨索，間排距6.0m，3排；其他部位的支護(hù)參數(shù)按原方案進(jìn)行。

根據(jù)圖8所示該支護(hù)方案下，進(jìn)口閘室后緣邊坡特征斷面第一主應(yīng)、第三主應(yīng)力與整體揭示的主應(yīng)力分布規(guī)律相同，量值大小也相同。

圖8 優(yōu)化后地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖

該支護(hù)方案下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第一主應(yīng)力在-0.39～0.16MPa(拉)的范圍，邊坡底部出現(xiàn)一定范圍出現(xiàn)了受拉區(qū)，最拉應(yīng)力不超過0.2MPa；優(yōu)化后地震工況進(jìn)口左側(cè)邊坡典型斷面主應(yīng)力云圖如圖8所示。根據(jù)圖8(b)，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡特征斷面第三主應(yīng)力在-3.03～-0.76MPa的范圍，從第三主應(yīng)力來看，邊坡巖體均處于受壓狀態(tài)。

從以上不同區(qū)域條件上的城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力應(yīng)力范圍、應(yīng)力最大、小值以及拉應(yīng)力區(qū)分布等方面的分析，表明該支護(hù)條件下，邊坡巖體中沒有過大的拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)且拉應(yīng)力區(qū)很小，邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)很好。

7 供水洞進(jìn)口邊坡安全系數(shù)

邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，對巖體的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)是土的實際剪切強(qiáng)度與折減后達(dá)到臨界破壞時的剪切強(qiáng)度之比，具有強(qiáng)度儲備系數(shù)的概念[4- 5]。邊坡失穩(wěn)破壞主要由巖土體抗剪強(qiáng)度降低、容重增加、坡頂建筑物荷載增大、邊坡開挖擾動等多種因素導(dǎo)致。強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)定義為：使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，對巖、土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)為巖土體的實際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時的折減后剪切強(qiáng)度的比值[6- 10]。

使用強(qiáng)度折減法計算各方案安全系數(shù)見表2。

表2 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口閘室后緣邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)

在原方案下，強(qiáng)度折減法安全系數(shù)分別為2.64和2.15；若按照本報告提出的優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)，靜力方案安全系數(shù)為2.41、動力方案為1.94。

城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)見表3，從表3可以看出，原支護(hù)方案城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡在靜力和動力方案下，強(qiáng)度折減法安全系數(shù)分別為2.76和2.38；若按照本報告提出的優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)，靜力方案安全系數(shù)為2.51、動力方案為2.17。

表3 城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口左側(cè)邊坡各方案強(qiáng)度折減法安全系數(shù)

通過以上計算分析，在同樣保證邊坡穩(wěn)定的情況下，方案2比方案1投資節(jié)省23.5萬元。

8 結(jié)論

本文通過對李家?guī)r水庫城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡三維在不同工況下邊坡應(yīng)力的對比分析，根據(jù)各工況下分析結(jié)果提出對當(dāng)前支護(hù)方案的優(yōu)化建議，并分析了優(yōu)化方案下的邊坡穩(wěn)定性問題與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，主要成果如下：

(1)利用三維方法計算時，能充分考慮邊坡的整體效應(yīng)，邊坡支護(hù)方案可進(jìn)行一定優(yōu)化，從而得到更加經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案。此方案應(yīng)在開挖過程中結(jié)合地質(zhì)條件及施工方法等因素綜合考慮。

(2)在原支護(hù)方案靜力工況下，城鄉(xiāng)供水洞進(jìn)水口邊坡閘室后緣邊坡在各工況下整體是穩(wěn)定的、支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

(3)在優(yōu)化后支護(hù)方案錨桿、錨索支護(hù)方案，邊坡巖體變形、應(yīng)力有很小的增加，地震瞬時條件下邊坡整體安全也可得到保證。

本工程的控制工況為施工期和地震工況。所以在施工期做好排水措施，采取有效可靠的系統(tǒng)排水和防滲措施，盡量減少地表水、地下水對邊坡穩(wěn)定的影響。