導流洞進口邊坡施工圍巖穩定性分析及支護措施評價

韓殿超

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710048）

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上,是規劃中該河段的第6 級水電站[1]。楊房溝水電站兩條導流隧洞均布置在右岸山體,導流隧洞進口高程均為1985.00 m,導流隧洞過流斷面為城門洞型,襯后凈斷面尺寸13 m×16 m（寬×高）。地質條件顯示[2],楊房溝1#、2#導流洞洞身進口段為變質粉砂巖洞段,圍巖類別為IV類,圍巖彈性模量,抗剪斷參數均較低,對洞室開挖穩定不利,進口段發育夾炭質板巖條帶,巖體較破碎,完整性差,呈互層～薄層狀；此外導流洞進口段邊坡還發育多組結構面,導致導流洞進口邊坡以及該洞段的導流洞開挖過程圍巖穩定問題相對突出。前期地質資料及相關文獻表明,陡傾斷層、軟弱夾層等會對楊房溝地下洞室開挖圍巖的穩定性構成直接影響,且易于形成“局部”結構面-應力組合型破壞問題[3-5]。

本文基于楊房溝巖體力學基本特征及現場工程地質資料,以導流洞進口邊坡開挖為案例,采用數值分析方法分析評價自然邊坡、導流洞一層開挖（未支護）、導流洞二、三層開挖（未支護）等3 種工況下邊坡的穩定特征,以保證導流洞進口段邊坡施工期的安全性。

1 工程地質條件

圖1為楊房溝導流洞進口段地質剖面圖,導流洞洞身進口段為變質粉砂巖洞段,圍巖類別為IV 類,巖層總體產狀為N20°E～N20°W,SE（NE）∠50°～70°,走向與洞軸線夾角0～20°。導流洞進口段邊坡發育3 組結構面：（1）產狀N40°～50°E,NW ∠60°～70°,閉合～微張,平直光滑,延伸較長；（2）產狀N15°～20°W,SW ∠65°～70°,面閉合～微張, 平直光滑, 斷續延伸, 較長；（3）產狀N20°～30°W,SW（NE）∠5°～20°,面微張,斷續延伸,較短。同時,導流洞進口邊坡優勢裂隙組也較為發育。

圖1 導流洞進口段地質剖面圖

2 計算模型的建立及參數的選取

2.1 計算模型的建立

數值計算已經普遍用于解決工程中的巖石力學問題,從工程角度出發,工程數值計算的關鍵問題是如何事先分析工程問題的性質,然后從眾多的計算方法和軟件中有針對性地選擇一種合理的軟件進行求解[6-9]。在本次分析中采用離散元3DEC 軟件,3DEC 是作為美國ITASCA 公司所開發的離散元法數值分析程序,主要針對巖體介質的不連續性問題研發,采用不連續力學理論的離散元方法求解。圖2 所示為導流洞進口段自然邊坡和開挖后邊坡的三維模型模型圖。其中巖體的材料分區根據地質剖面圖以強卸荷線、弱卸荷線劃分,分為V、IV 類和III 類巖體。圖3 所示為導流洞進口段自然邊坡和開挖后邊坡位移、速率監測點布置圖。

圖2 導流洞進口自然邊坡和開挖邊坡三維數值模型

圖3 導流洞進口自然邊坡和開挖邊坡監測點布置

2.2 本構與參數

本次計算中對邊坡巖塊和結構面均采用了理想彈塑性本構關系,即巖塊屈服以后不考慮其強度衰減。計算中巖體采用Mohr-Coulomb 本構模型,巖體參數取值按表1 取值。結構面采用Coulomb-slip 本構模型,該模型能夠有效模擬結構面的變形和破壞,且能合理描述破壞后的力學行為,結構面切向剛度和法向剛度的取值根據地質提供的結構面綜合模量和厚度平均值換算得到,結構面參數按表2 進行取值。

表1 導流洞進口段巖體力學參數地質建議值表

表2 導流洞進口段結構面力學參數地質建議值表

3 計算工況與計算條件

3.1 計算工況

本次數值模擬采用強度折減法分別進行：（1）自然邊坡工況；（2）導流洞一層開挖（未支護）工況；（3）導流洞二、三層開挖（未支護）工況下邊坡的穩定性計算。以期判斷邊坡在各個工況下的穩定性,數值分析中考慮了多個巖層和結構面對邊坡穩定性的影響。

3.2 強度折減法計算邊坡穩定性判斷

本文采用的強度折減法思路就是不斷惡化邊坡巖體和結構面的強度,直到其發生破壞出現不穩定；折減的操作方法是將邊坡巖體參數和結構面參數同時除以一個系數進行強度折減計算,直至邊坡開始出現問題[10]。強度折減計算中對邊坡穩定性分析評價工作從以下3 個方面著手：

1）監測點速率判斷：根據計算模型中設置的若干監測點,了解這些部位速度變化特征,速度不能趨于零時清楚表示該部位巖體出現運動位移,即失穩。

2）監測點變形判斷：從某種程度上講,實際計算中速度趨于零是指速度值足夠低,而可能并不絕對為零。此時了解變形變化特征顯得很有必要,當速度基本趨于零時,如果變形增量相對較小和變形增長率也相對不大,往往表示相對較好的穩定性。

3）變形場分布特征：邊坡面上變形場分布,即三個方向變形分量所指示的變形狀態,根據在邊坡坡面上的異常分布或者與其他地質條件如斷層的關系,判斷導致變形的主要因素和對穩定性的指示意義。

4 邊坡圍巖穩定性計算結果分析

4.1 自然邊坡工況穩定分析

自然邊坡監測點位移變化變形特征和變形速率計算結果見圖4,其縱坐標為位移、速度大小,橫坐標為強度折減系數,由計算結果可知,當自然邊坡折減系數3.0 時邊坡的變形收斂并趨于穩定,相對應變形速率趨于很小值或接近于零值,當折減系數達3.2 時變形出現持續增長,呈不收斂態勢,相對應變形速率亦出現持續增大趨勢,可判斷自然邊坡的整體安全系數介于3.0～3.2 之間；自然邊坡整體穩定性較好,滿足規范要求的工程設計邊坡要求。

圖4 自然邊坡監測點變形折減過程曲線

圖5為不同強度折減系數下自然邊坡表面變形分布特征,由圖可知,自然邊坡隨著折減過程變形明顯區域位于2070 m～2090 m 高程的V 類軟弱覆蓋層區域,該區域同時受炭質板夾層影響,當邊坡巖體及結構面的強度折減系數逐漸增大時,該區域控制邊坡變形的特征逐步顯著。由前面位移和速率分析判斷可知天然邊坡的安全系數在3.0～3.2 之間,當折減至3.2 時（臨界失穩狀態）,變形的云圖較清晰的指示邊坡在2070 m～2090 m 高程隨著軟弱覆蓋層呈現整體滑移拉裂失穩破壞。

圖5 自然邊坡變形隨折減過程的合位移分布特征

4.2 導流洞第一層開挖（未支護）工況穩定性分析

導流洞第一層開挖（未支護）工況下監測點位移變化變形特征和變形速率計算結果見圖6,由計算結果可知,在導流洞第一層開挖（未支護）工況下,當邊坡折減系數2.5 時邊坡的變形收斂并趨于穩定,當折減系數達2.6 時變形出現持續增長,呈不收斂態勢,相對應變形速率亦出現持續增大趨勢,可判斷邊坡在導流洞第一層開挖（未支護）工況下整體安全系數介于2.5～2.6 之間。

圖6 導流洞進口邊坡監測點變形折減過程曲線（導流洞第一層開挖（未支護））

圖7為導流洞第一層開挖工況不同強度折減系數下導流洞進口邊坡變形分布特征,由圖可知,在導流洞第一層開挖工況下,邊坡隨著折減過程變形明顯區域位于1#、2#導流洞開挖影響區域,當邊坡巖體及結構面的強度折減系數逐漸增大時,1#、2#導流洞開挖影響區域內巖體變形特征逐步顯著,是工程重點關注的區域,當邊坡巖體及結構面的強度折減至2.6 時（臨界失穩狀態）,1#、2#導流洞開挖影響區域內巖體沿著覆蓋層產生整體滑移拉裂失穩破壞。

4.3 導流洞第二、三層開挖（未支護）工況穩定性分析

導流洞第二、三層開挖（未支護）工況下監測點位移變化變形特征和變形速率計算結果見圖8,由計算結果可知,在導流洞第二、三層開挖（未支護）工況下,當邊坡折減系數2.2時邊坡的變形收斂并趨于穩定,當折減系數達2.4 時變形出現持續增長,呈不收斂態勢,相對應變形速率亦出現持續增大趨勢,可判斷邊坡在導流洞第二、三層開挖（未支護）工況下整體安全系數介于2.2～2.4 之間。

圖8 導流洞進口邊坡監測點變形折減過程曲線（導流洞第二、三層開挖（未支護））

圖9為導流洞第二、三層開挖工況不同強度折減系數下導流洞進口邊坡變形分布特征,由圖可知,在導流洞第二、三層開挖工況下,邊坡隨著折減過程變形明顯區域位于1#、2#導流洞開挖影響區域,當邊坡巖體及結構面的強度折減系數逐漸增大時,1#、2#導流洞開挖影響區域內巖體變形的特征逐步顯著,是工程重點關注的區域,當邊坡巖體及結構面的強度折減至2.4 時（臨界失穩狀態）,1#、2#導流洞開挖影響區域內巖體沿著覆蓋層產生整體滑移拉裂失穩破壞。

圖9 導流洞進口邊坡變形隨折減過程的合位移分布特征（導流洞第二、三層開挖（未支護））

5 結語

本文基于楊房溝巖體力學基本特征及現場工程地質資料,針對導流洞進口邊坡開挖,采用數值分析方法分析評價了自然邊坡、導流洞一層開挖（未支護）、導流洞二、三層開挖（未支護）等3 種工況下邊坡的穩定特征,具體結論如下：

1）自然邊坡抗滑穩定安全系數在3.0～3.2,邊坡整體穩定性較好；導流洞一層開挖（未支護）工況下邊坡抗滑穩定安全系數在2.5～2.6；導流洞二、三層開挖（未支護）工況下邊坡抗滑穩定安全系數在2.2～2.4；導流洞二、三層開挖（支護）工況下邊坡抗滑穩定安全系數在2.3～2.4。

2）自然邊坡工況下,邊坡變形最大位移發生在2070 m～2090 m 高程的V 類軟弱覆蓋層區域；導流洞開挖工況下,邊坡變形最大位移發生在導流洞開挖影響區域內；3 種工況下,邊坡的最終破壞均以邊坡沿著覆蓋層發生整體滑移拉裂失穩破壞為主。

3）結構面的影響使得各工況下邊坡整體變形有所增加,但各工況下邊坡的安全系數和穩定性仍能滿足工程設計要求。