【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 挖后的巖體結構時，剩下單元和結點的編號仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結 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 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 將其計算結果與工況2進行對比分析。 位移結果顯示，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 下邊坡巖體上產生的位移方向與邊坡開挖產生的位移方向相反，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，具有良好的整體穩(wěn)定性。 六、有限元計算結果分析 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： (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 地質優(yōu)勢面、層面切割形成不利的塊體組合，也可能產生局部失穩(wěn)。 根據(jù)計算分析的結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.