潘燕芳，劉 翔，黎滿林

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

大崗山水電站位于四川省西部大渡河中游石棉縣境內(nèi)，是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積達(dá)6.27萬km2，占全流域的81%，多年平均流量1010m3/s，電站正常蓄水位1130m，最大壩高210m，總庫容7.42億m3，電站裝機(jī)容量2600MW。

左岸纜機(jī)自然邊坡高陡，地形較完整，無溝谷切割，地形坡度約40°，地表零星分布崩坡積物?；鶐r為灰白色、微紅色黑云二長花崗巖(γ24－1)，有輝綠巖脈穿插。纜機(jī)平臺(tái)位于海流溝與大渡河次級(jí)分水嶺的北西坡，其后次級(jí)分水嶺高1540～1400m，坡面沖溝不發(fā)育，地形較完整，地表植被較好。左岸纜機(jī)平臺(tái)及邊坡區(qū)主要發(fā)育 β6、β101、β99、β9、β78(f117)、β79、β166等巖脈破碎帶，裂隙主要發(fā)育有③、④、⑥3組。邊坡微新巖體以塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，陡傾角的巖脈破碎帶擠壓較緊密，但表淺部風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，巖體呈碎裂－塊裂結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量較差。PLⅢ－PLⅢ工程地質(zhì)剖面見圖1。

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中采用的巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)見表1、2，巖脈及斷層物理力學(xué)參數(shù)見表3。

2.2 開挖施工過程

圖1 PLⅢ－PLⅢ工程地質(zhì)剖面

左岸纜機(jī)PLⅢ－PLⅢ剖面邊坡開挖模擬過程(見圖2):第一步:1450m高程以上開挖;第二步:1450～1420m高程坡段開挖;第三步:1420～1390m高程坡段開挖，1450m高程以上坡段支護(hù);第四步:1390～1360m高程坡段開挖，1450～1420m高程坡段支護(hù);第五步:1360～1330m高程坡段開挖，1420～1390m高程坡段支護(hù);第六步:1330～1300m高程坡段開挖，1390～1360m高程坡段支護(hù);第七步:1300～1270m高程坡段開挖，1360～1330m高程坡段支護(hù);第八步:1270～1255m高程坡段開挖，1330～1300m高程坡段支護(hù);第九步:1255～1225m高程坡段開挖，1300～1270m高程坡段支護(hù);第十步:1225～1195m高程坡段開挖，1270～1255m高程坡段支護(hù);第十一步:1195～1165m高程坡段開挖，1255～1225m高程坡段支護(hù);第十二步:1165～1135m高程坡段開挖，1225～1195m高程坡段支護(hù)。

表1 邊坡巖體有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

表2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2.3 加固方案

1135m高程以上設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，錨索參數(shù)為:100t或150t，間排距5m ×5m，長50～60m，俯角5°。考慮到邊坡實(shí)際施工過程中上下坡段之間的施工干擾，錨索的支護(hù)按滯后兩個(gè)施工坡段模擬。

3 有限元模型

左岸纜機(jī)PLⅢ－PLⅢ剖面邊坡二維有限元模型見圖2。模型計(jì)算范圍橫河向920m(從河床中心線向左岸坡內(nèi)取920m)，垂直向900m(從高程600m到高程1500m)。有限元模型對(duì)卸荷及風(fēng)化界線，巖體質(zhì)量分類界線，β101、β99、β6、β184、β166、β79、β28、β21等巖脈和 f172、f112、f67、f33等斷層進(jìn)行了細(xì)致模擬，共剖分單元2260個(gè)，結(jié)點(diǎn)4672個(gè)，其中開挖單元147個(gè)。

4 有限元分析及評(píng)價(jià)

4.1 變形分析

在邊坡開口線及各級(jí)馬道外緣選取12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(見圖3)。邊坡關(guān)鍵點(diǎn)在邊坡開挖過程中的累積變形量隨開挖的變化見圖4。各開挖步下關(guān)鍵點(diǎn)的變形增量及累積變形增量見表4。開挖完成累積變形矢量圖見圖5。從變形計(jì)算結(jié)果可見:

表3 左岸邊坡巖脈及斷層的物理力學(xué)參數(shù)

圖3 關(guān)鍵點(diǎn)位置

(1)總體上，纜機(jī)平臺(tái)PLIII－PLIII剖面左岸邊坡開挖支護(hù)后，水平方向位移基本指向坡內(nèi)，在垂直方向上表現(xiàn)為向上回彈變形。開挖至壩頂高程時(shí)，邊坡最大水平變形為53.3mm(向坡內(nèi))，最大垂直向變形為90.0mm(豎直向上)。

(2)在下挖過程中，各開挖步產(chǎn)生的水平變形增量大多指向坡內(nèi)，且隨著開挖量的增大及開挖高程的下降，水平變形增量顯著增大，但在1135～1225m高程開挖時(shí)，水平變形增量又隨著開挖高程的下降而顯著減小。各開挖步產(chǎn)生的最大水平變形增量從0.5mm逐步增大到18.5mm，又從18.5mm減小到2.7mm。

(3)在下挖過程中，各開挖步產(chǎn)生的垂直變形增量一般表現(xiàn)為向上的回彈型變形，最大垂直變形增量隨著開挖高程的下降先增大后減小，垂直變形增量在3.7～21.7mm范圍內(nèi)變化。

(4)從變形隨開挖的變化過程來看，一是開挖引起的回彈變形范圍隨開挖逐級(jí)增大;二是各級(jí)邊坡開挖對(duì)鄰級(jí)邊坡變形的影響最為顯著，對(duì)較遠(yuǎn)坡段的影響逐步減弱。后繼邊坡開挖使開挖邊坡變形逐步增大，最終趨于平穩(wěn)。

表4 纜機(jī)平臺(tái)PLIII－PLIII剖面左岸邊坡開挖過程中觀測點(diǎn)位移值

4.2 應(yīng)力分析

左岸纜機(jī)PLIII－PLIII剖面邊坡的初始應(yīng)力場及開挖至壩頂高程時(shí)的應(yīng)力場主應(yīng)力云圖見圖6(圖中主應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù);應(yīng)力單位MPa);邊坡開挖至壩頂高程時(shí)邊坡淺表層拉應(yīng)力區(qū)見圖7。從圖中可見:

(1)邊坡大主應(yīng)力基本與坡面平行，小主應(yīng)力基本與坡面垂直。邊坡初始應(yīng)力場基本上處于零應(yīng)力或雙向受壓狀態(tài)，這對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。邊坡表面局部存在最大量值為0.125MPa的拉應(yīng)力，但分布范圍及深度均不大，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響不大。

(2)邊坡開挖至壩頂高程時(shí)，邊坡大主應(yīng)力基本與開挖面平行，而小主應(yīng)力基本與開挖面垂直。開挖面上的大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，量值約為0～2.0MPa，坡腳最大壓應(yīng)力約為2.0MPa;小主應(yīng)力主要為低壓或低拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為0.06MPa，水平深度3～5m，處在系統(tǒng)錨桿的有效支護(hù)范圍內(nèi)。

(3)邊坡開挖至壩頂高程時(shí)，邊坡拉應(yīng)力分布范圍極小，對(duì)邊坡局部穩(wěn)定性影響很小，表明預(yù)應(yīng)力錨索起到了良好的支護(hù)作用。

4.3 塑性區(qū)分布

邊坡在初始地應(yīng)力條件下以及邊坡開挖至壩頂高程時(shí)的塑性區(qū)見圖8。從圖中可見:

(1)從初始應(yīng)力場塑性區(qū)的分布特征上看，邊坡塑性區(qū)主要沿Ⅴ類巖體底部界限呈條帶狀分布并呈貫通趨勢(shì)，表明邊坡淺表層的不穩(wěn)定性較為突出，且邊坡的安全裕度不大。左岸纜機(jī)PLIII－PLIII剖面邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)模式:是以Ⅴ類巖體底部界線為底滑面、剪出口位于坡腳的滑動(dòng)模式。

(2)邊坡開挖完成后，邊坡塑性區(qū)被開挖邊坡截?cái)啵?300m高程以上邊坡和纜機(jī)平臺(tái)1270m高程以下邊坡形成兩段貫通的塑性區(qū)。1390m高程以上邊坡的塑性區(qū)埋深較大，預(yù)應(yīng)力錨索的深度難以貫穿Ⅴ類巖體，因此1390～1300m高程鎖固段邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)于抑制“以Ⅴ類底部界線為底滑面、剪出口位于1300m高程坡腳的滑動(dòng)模式”的變形破壞至關(guān)重要;纜機(jī)平臺(tái)以下1270～1195m高程坡段Ⅴ類巖體中塑性區(qū)水平埋深較淺，處在預(yù)應(yīng)力錨索的有效加固范圍內(nèi)，因此預(yù)應(yīng)力錨索的及時(shí)跟進(jìn)是確保該坡段邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

圖4 各關(guān)鍵點(diǎn)累積變形隨開挖的變化曲線

圖5 開挖完成累積位移矢量圖

圖6 主應(yīng)力云圖

5 結(jié) 語

圖7 開挖至壩頂高程時(shí)拉應(yīng)力區(qū)分布

本文采用二維彈塑性有限元方法模擬左岸纜機(jī)PLIII－PLIII剖面邊坡開挖支護(hù)施工過程，研究邊坡在逐層開挖逐層支護(hù)過程中的應(yīng)力－變形演化規(guī)律、預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡的加固支護(hù)效應(yīng)以及對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下:

圖8 塑性區(qū)

(1)由計(jì)算成果分析可知，加固后的邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。開挖引起的回彈變形范圍隨開挖逐級(jí)增大;各級(jí)邊坡開挖對(duì)鄰級(jí)邊坡變形的影響最為顯著，對(duì)較遠(yuǎn)坡段的影響逐步減弱。后繼邊坡開挖使開挖邊坡變形逐步增大，最終趨于平穩(wěn)。

(2)邊坡開挖至壩頂高程時(shí)，邊坡大主應(yīng)力基本與開挖面平行，小主應(yīng)力基本與開挖面垂直。邊坡面拉應(yīng)力分布范圍極小，對(duì)邊坡局部穩(wěn)定性影響很小，表明預(yù)應(yīng)力錨索起到了良好的支護(hù)作用。

(3)1390～1300m高程鎖固段邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)于抑制“以Ⅴ類底部界線為底滑面、剪出口位于1300m高程坡腳的滑動(dòng)模式”的變形破壞至關(guān)重要;纜機(jī)平臺(tái)以下1270～1195m高程坡段Ⅴ類巖體中的滑動(dòng)破壞模式，其水平埋深較淺，在預(yù)應(yīng)力錨索的有效加固范圍內(nèi)，因此預(yù)應(yīng)力錨索的及時(shí)跟進(jìn)是確保該坡段邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

［1］孫維麗，陳征宙，鄧立立，等.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性有限元分析［J］.東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，27(1):65 －68.

［2］陳益峰，周創(chuàng)兵，余志雄，等.錦屏一級(jí)左岸導(dǎo)流洞出口邊坡開挖支護(hù)有限元模擬［J］.巖土力學(xué)，2007，28(10):1565 －1570.

［3］張萍，胡冉，張勤.大崗山水電站右岸邊坡開挖支護(hù)的有限元模擬［J］.水電能源科學(xué)，2009，27(2):122 －125.