【2014年】向家壩地下廠房進水口邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡加固措施【工程建筑論文】

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1、[2014年】向家壩地下廠房進水 口邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡加固 措施【工程建筑論文】 工程建筑論文.向家壩地下廠房進水口邊坡穩(wěn)定性分析及邊 坡加固措施 摘要：運用波前法進行有限元法求解，對向家壩地下廠房進水口邊坡進行了三 維非線性有限元計算分析，對其穩(wěn)定性進行安全評價，并提出相應的邊坡加固 措施。 關鍵詞：邊坡穩(wěn)定邊坡開挖 有限元法 邊界條件 邊坡加固 一、前言 邊坡穩(wěn)定與否在土木工程中是一個非常重要的問題。在開挖的過程中，由于邊 坡結(jié)構的改變而使其應力狀態(tài)發(fā)生變化，常常會導致邊坡失穩(wěn)。因此預先做好 邊坡的穩(wěn)定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進行的保證。 本文以向家壩

2、地下廠房進水口邊坡為例，通過三維非線性有限元計算分析，對 進水口邊坡的整體穩(wěn)定進行安全評價，并提出邊坡加固的工程處理措施。 二、邊坡開挖方式和分析方法 向家壩地下廠房進水口邊坡開挖方式為分層開挖、逐層開挖逐層加固。 計算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號時先對非開挖單元進行編號， 然后是后開挖的單元，最后才是最先開挖的單元。這樣就保證了在分析每步開 挖后的巖體結(jié)構時，剩下單元和結(jié)點的編號仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結(jié) 點編號一致。 三、計算工況及荷載組合 本次研究分別對施工期、運行期等多種工況進行計算。計算工況對應的荷載組 合如表1所示。計算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫蓄水）

3、、巖體自重、 地震荷載、巖錨荷載以及地應力作用等，用A1?A6表示。工況及荷載組合如 下表1所示： 表1計算工況及荷載組合 計算工況 荷載組合 庫水位（m） 工況1 （施工開挖） A2+ A5 工況2 （運行期考慮地震作用） A1+ A2+ A3+ A5 380.0 工況3 （正常運行） A1+ A2+ A5 380.0 工況4 （考慮滲流作用） A1+ A2+ A3+ A5+A6 380.0 工況5 （運行采取加固措施） Al +A2 +A4 +A5 380.0 A1一一水荷載； A2——結(jié)構自重； A3——地震荷載；A4——巖錨荷載； A5一一地

4、應力作用；A6—滲透力作用。 四、邊界條件和計算假設 （一）邊界條件： （1）在X方向的邊界上，采用約束X方向位移; （2）在Y方向的邊界上，采用約束Y方向位移; (3)在Z=60.0平面上，采用約束Z方向位移; (二)計算假定： (1)在進水口邊坡面上低于相應水位的節(jié)點滿足第一類邊界條件，即滿足滲流 分析中的Dirichlet條件，故取固定水頭，其值為相應的水位值； (2)在N=60.0平面上，采用隔水層邊界； 五、計算成果 1 .工況1計算結(jié)果 (1)位移計算成果 邊坡坡面上最大回彈位移為9.85mm,位于②號機縱剖面附近。引水隧洞進水口 底板處出現(xiàn)整個開挖面位移最

5、大位置，其最大值達到20?08nlm。 (2)應力計算成果 進水口邊坡坡面部分區(qū)域第一主應力出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85? L08MPa的較大拉應力，其它部位拉應力很小或無拉應力。邊坡巖體第三主應力 仍處于受壓狀態(tài)，坡面處壓應力較小，其值在0.85?3.73MPa之間，隨著坡面 深度的增加，壓應力值也逐漸增加。 2 .工況2 在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，水荷載作用在進水口邊坡巖體上產(chǎn) 生的變形和應力分布如下所述： (1)位移計算成果 進水口邊坡底板的最大位移為17.318皿，比施工開挖時減少2.76mm。進水口邊 坡坡面上位移的變化量要小于底板，最大僅在

6、1mm左右。邊坡上的最大位移值 為9.15皿。 (2)應力計算成果 邊坡坡面上巖體的應力變化較小，坡腳的應力變化也只有0.5MPa左右。應力分 布規(guī)律基本與工況1相同。 3 .工況3 工況3是在工況2的基礎上不考慮地震荷載時對進水口邊坡進行計算分析，并 將其計算結(jié)果與工況2進行對比分析。 位移結(jié)果顯示，在不考慮地震荷載時，邊坡面上的最大位移為7.88mm,小于運 行期考慮地震荷載時的最大位移9.15mmo進水口底板處的最大位移略有加大， 為17.634mm,工況2下為17.318mm,是由該處位移Y方向分量與地震荷載方向 相反所致。就整個進水口邊坡坡面的位移變化趨勢來看，位移的變化

7、主要出現(xiàn) 在地震荷載所加的方向上，進水口邊坡坡面巖體位移表現(xiàn)為Y方向位移分量較 考慮地震荷載時要小。 從拉應力的分布形態(tài)來看，當運行期不考慮地震荷載時，最大拉應力依然出現(xiàn) 在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時邊坡坡面巖體出現(xiàn)的拉 應力要有所減小。計算結(jié)果表明，地震荷載對進水口邊坡的安全系數(shù)有一定的 不利影響，但是從數(shù)值變化來看，影響不是很大。 4 .工況4 工況4是在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，計算分析滲流作用對進水 口邊坡巖體位移變形和應力分布的影響，并計算運行期間水位從正常蓄水位驟 降至死水位時對邊坡位移、穩(wěn)定的影響。 根據(jù)有限元計算成果，水位由河床

8、常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場作用 下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開挖產(chǎn)生的位移方向相反，對邊坡的影響 是有利的。 而當水位從正常蓄水位驟降至死水位時，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最 大值有0.8刖左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不是 很大，但是由于巖體里面的水不能及時排除出，一方面使邊坡巖體的容重增大, 增加了巖體的下滑力；另一方面，裂隙中水流所產(chǎn)生的靜水和動水壓力對節(jié)理 較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩(wěn)定威脅較大。 5 .工況5 本工況為正常運行期進水口邊坡穩(wěn)定性分析，考慮的荷載有地應力、重力、水 荷載、錨固荷載等。計算結(jié)果顯示，考慮錨固和水荷載時，進水口邊坡坡面上

9、 最大位移為7.42mm,較工況3的7.88mm少了 0.46mm,而坡面上位移平均減少 1mm左右。進水口底板回彈位移最大值為17.68mm,與工況3的17.634mm基本 一致。 從拉應力的分布形態(tài)來看，邊坡坡面巖體上沒有出現(xiàn)1.2Mpa以上的較大拉應力。 由于錨固的作用，拉應力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現(xiàn)的拉應力集中 在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應力為1.18Mpa,依然出現(xiàn)在軟弱夾層處。 綜上所述，進水口邊坡在正常運行期內(nèi)，具有良好的整體穩(wěn)定性。 六、有限元計算結(jié)果分析 根據(jù)計算成果，對向家壩地下廠房進水口邊坡的變形特點和應力分布規(guī)律作如 下總結(jié)： (1)在

10、施工開挖時，進水口邊坡坡面變形表現(xiàn)為開挖引起的卸荷回彈，但其值 不大，最大位移值為9.85mmo整個進水口邊坡開挖區(qū)域位移變形最大的位置在 進水口底板處，其最大位移值達到20.08幽。 (2)進水口邊坡坡面的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85?1.08MPa 的較大拉應力，在其它部位拉應力很小甚至不出現(xiàn)拉應力。在軟弱夾層附近出 現(xiàn)較大拉應力的區(qū)域應及時進行加固，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。 (3)在向家壩進水口邊坡開挖和加固過程中，沒有過大的拉應力和塑性變形區(qū)。 進水口邊坡大多數(shù)區(qū)域處于壓應力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現(xiàn)較小的拉應力 區(qū)，邊坡開挖卸荷顯著的深度為3?8米。說明向家壩進水

11、口邊坡開挖是穩(wěn)定的, 其開挖加固順序是合理的。 七、進水口邊坡處理措施 有限元法分析計算的結(jié)果表明，在考慮了邊坡開挖、因施工爆破等可能造成的 節(jié)理裂隙或卸荷裂隙貫通、持續(xù)暴雨或水庫水位凌降等因素對邊坡穩(wěn)定性的影 響后，邊坡位移不大，其整體穩(wěn)定是有保證的。但在開挖過程中，邊坡局部受 地質(zhì)優(yōu)勢面、層面切割形成不利的塊體組合，也可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)。 根據(jù)計算分析的結(jié)果和已建工程的實踐經(jīng)驗，進水口邊坡采取了以下工程處理 措施來保證邊坡運行的安全： a)邊坡開挖時采用先進的控制爆破技術。 b)開挖邊坡周邊設置截水溝。開挖邊坡高程383nl以上，按照排、間距3mX3m 梅花形布置帶反濾層的排水

12、孔。在T33巖層范圍設置兩層排水廊道。 c）清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開挖邊坡高程380m以下，設置系統(tǒng)錨桿① 28@2.5 mX2.5m, "8m,噴混凝土 8=15cm,掛鋼筋網(wǎng)。8@200mm；高程 380m 以上設置系統(tǒng)錨桿①28@2 mX2m, L=8m,噴混凝土 6 =20cm,掛鋼筋網(wǎng)。 8@250mm。 d）右岸進水口邊坡涉及有煤層開采的區(qū)域或巖體較破碎的設置區(qū)域網(wǎng)格梁，煤 洞范圍采取局部回填混凝土的措施，回填范圍約10m?20m,同時布置帶反濾層的 排水孔，采取合理的排水和防滲措施。在T33巖層范圍的各級馬道設置2000KN 的預應力錨索。 參考文獻 [1]潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析.北京：水利出版社，1980. [2]曹文貴.柘溪水電站擴機工程進水口.廠房高邊坡穩(wěn)定分析與支護設計優(yōu) 化研究.湖南大學巖土工程研究所.2004. [3]畬成學.三板溪工程電站進水口高邊坡穩(wěn)定計算.武漢大學水利水電學 院.2003. [4]張強勇.巖土工程強度與穩(wěn)定計算及工程應用.中國建筑工業(yè)出版社.2005.