有限元法在取水口边坡开挖支护中的应用

朱兴杰

（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳110003）



有限元法在取水口边坡开挖支护中的应用

朱兴杰

（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳110003）

［摘 要］某工程取水口常年处于水库深水位以下，不具备检修条件，在取水口基坑开挖过程中形成的高边坡若出现破坏，将会造成取水口阻水甚至堵塞，直接影响整个工程的运行。采取有限元法对边坡开挖的稳定、支护后的应力及分布情况、开挖顺序的合理性进行验证，证明设计的合理性和可行性。

［关键词］有限元 ；应力分析；开挖顺序模拟

1　工程概况

某工程取水口在现有大型水库中修建，进水口及电站检修闸室位于沟口上游0.8 km处的小沟岔内，沟长约为300 m，沟内水面宽度100.0～ 40.0 m，沟内水面以下地形坡度为1:6左右，地面高程 250.0～310.0 m。取水口右侧山体高程为380.46～406.0 m，左侧山体高程为367.3～395.0 m。取水口建基面高程254.7 m，施工期边坡高度达89.9 m；运行期边坡非临水最大高度为30.1 m（永久边坡），临水最大高度为60.0 m（永久边坡）。

由于取水口常年处于水库深水位以下，不具备检修条件，若边坡出现破坏，将会造成取水口阻水甚至堵塞问题，投资数百亿的工程将面临瘫痪，直接影响整个工程的运行。因此根据SL386-2007《水利水电工程边坡设计规范》规定确定进水口边坡级别为1级。

2　取水口地质概况

取水口闸门竖井尺寸为33.3m×18.5 m，建基面高程约为254.7 m，顶高程311.5 m。该位置沟宽约35 m，沟底地面高程285.0～296.0 m。两侧山体较陡，坡积物较薄，可见裸露岩体。

该段位于库水位以下，水底基本无松散堆积物，基岩裸露，岩性主要为元古界二长花岗岩，呈灰白～灰褐色、肉红色，主要矿物成分为石英、长石及暗色矿物。

受应力卸荷和风化的影响，该区节理较发育，节理面多平直粗糙，微张～闭合，一般无充填或钙质充填，可见水锈，一般间距几十厘米，延伸几十米。主要节理面共三组，第一组节理走向NE15°，倾向SE，倾角72°。第二组节理走向NE50°，倾向NW，倾角70°。第三组节理走向NW350°，倾向NE，倾角51°。

3　边坡运用条件

该工程取水首部布置所影响的开挖边坡长度56.0 m左右，非临水边坡长度约45.0 m左右，临水边坡长度约11.0 m左右。

根据工作状况、作用力出现几率，确定运用条件如下：

3.1正常运用条件工况

1）桩号B0-033.3～B0+000.0 m，边坡高度：30.1 m，开挖坡度：1∶0.5，每级开挖高度15.0 m。非临水边坡运行期稳定分析。

2）桩号B0-180.0～B0-033.3 m，边坡高度：63.0 m，开挖坡度：1∶0.5、1∶0.75，每级开挖高度5.0 m。临水边坡运行期稳定分析。

3.2非常运用条件工况

桩号B0-033.3～0+000.0 m，边坡高度：89.9 m，开挖坡度：1∶0.2、1∶0.5，每级开挖高度15.0 m。非临水边坡施工期稳定分析。

4　开挖边坡稳定性分析

4.1地质初步分析

拟建取水口于水下（现有库水位）冲沟沟底，地面高程286.0～296.0 m，两岸山体较陡，左侧山顶高程381.6～395.0 m，右侧山顶高程393.3～401.0m，坡度约45°～50°，基岩多裸露，以弱风化为主，现有岸坡基本稳定。

该拟开挖边坡为竖井，基坑为矩形，S-N向布置，其建基面开挖尺寸为22.5 m×37.3 m。建基面高程约为254.7 m，其开挖深度35～45 m。两侧的最大开挖边坡高度应从山顶计算，左侧为144 m，右侧为150 m。该边坡类型为岩质超高边坡。设计开挖边坡坡比为1∶0.2和1∶0.5，开挖倾角63°和79°。

根据该区发育的三组节理面特征及竖井上下游边坡与左右边坡的产状，绘制开挖边坡与主要节理面赤平投影图，详见图1。

图1开挖边坡及主要节理面赤平投影

从图中可以看出，三组节理面的组合交线产状为：倾向NE30°，倾角46.5°～49°，比开挖边坡坡角缓。与竖井四面的开挖边坡均斜交，其中与上下游坡面交角较大，约60°左右，与左右两侧坡面的交角较小，约30°左右。其与上游坡和左侧坡倾向相反，对岸坡稳定有利。由于该区岩体为次块状结构，因此上游坡面及左侧坡面一般不会发生边坡变形破坏。组合交线与下游坡面和右侧坡面倾向大体相近，但斜交，倾角比坡角缓，对下游坡和右侧坡的稳定有一定影响，可能发生滑动型边坡变形破坏问题。

4.2开挖边坡处理措施

根据前述分析结果，需对进口边坡采取如下处理措施：

4.2.1开挖前处理

开挖前清除左右两侧坡顶及坡面上的松散块石，对于有松动或滑动迹象的大型块石可提前进行加固处理，防止发生块石滚动或坠落现象发生。上游坡顶以上沟底分布块径较大的块石及卵砾石，应采取拦挡措施，防止沟底块石、卵石向基坑滚落。

4.2.2地下水的处理

开挖基坑四面边坡均较陡，岩体以次块状结构为主，开挖岩体一般为弱透水，仅右侧边坡局部弱风化岩体为强透水。上游围堰顶地面高出下游坡口约10 m，所处冲沟狭长，坡降陡。上游及两侧地下水会向基坑汇集，另外，下游库水水头高出基坑坑底约50 m，尽管施工前会做围堰并作防渗处理，但在高水头作用下，还是会有一定的地下水渗向基坑。

节理面充水会降低节理面的抗剪强度，地下水渗流对岩体产生动水压力和静水压力，增大了其对边坡稳定的影响。由于该区发育的主要节理面多为平直粗糙型，一般无充填或钙质胶结，属无充填物的硬质节理面，地下水对边坡岩体节理面的抗剪强度影响有限，但对于同倾向的下游坡和右侧坡，其对边坡稳定的影响较大。因此基坑开挖前应对其四周进行防水和导水处理，最大限度的降低地下水对边坡稳定的影响。

此外，人类开挖活动是诱发边坡变形破坏的主要因素之一，人为的开挖、爆破等破坏了边坡原有的极限平衡状态。施工时应注意观测上部岩体的变形情况，并应及时采取处理措施。

天然应力的卸荷，造成坡顶节理面发育并张开，易造成坡顶岩体的局部失稳。当节理面与坡面同倾向，且倾角较缓时，容易产生滑动。当与坡面反倾向时，上部岩体易发生倾倒或掉块现象。

5　边坡开挖和支护措施

5.1开挖方案

水库100年一遇洪水位为308.11 m，取水头部常年处于水下位置。对上游挡墙，根据上开口线位置，预留岩坎，修建挡水围堰，预留岩坎边坡按1∶0.2计算预留下开口位置，取水口建成后，围堰拆除，预留岩坎也采用爆破拆除。

由于稳定坡度为全风化岩1∶1，弱风化岩1∶0.5，根据山体两侧地势，若按照稳定边坡开挖量非常大，而且开挖后上体上部需要做防风化的永久支护，设计采用311.5 m高程以下开挖边坡按照1∶0.2，311.5 m高程以上按照1∶0.5开挖。

5.2加固支护方案

1）对296.0 m以上坡面，为防止揭露的岩体风化、落块，在开挖后立即采用锚喷支护，喷射C30 厚100 mm，钢筋网准8 mm@150 mm×150 mm。

2）281.0～296.0m高程锚杆采用 准22 mm，L= 2.5 m间距2 m，对节理发育部位锚杆长度增长至5 m；266～281 m高程锚杆采用准25 mm，L=3.5 m，准25 mm，L=5 m间距2 m，相间布置，对节理发育部位锚杆长度全部取5 m；266 m高程以下部位锚杆采用准25 mm，L=5 m间距2 m。

3）针对施工中揭露的不利滑裂面及倒悬体，为避免深层滑动，采用固结灌浆花管代替锚杆加固岩体。填塞岩体缝隙，减少地下水的作用对边坡稳定的影响，提高岩体的整体性。在高程280 m、275 m、270 m、265 m、260 m部位全周设置固结灌浆花管，上游坡固结灌浆花管采用准42 mm，L=5 m间距2.5 m；两侧及下游游坡固结灌浆花管采用准102 mm，L=12 m间距2.5 m。

固结灌浆压力0.3 MPa，水泥浆液标准浓度采用2∶1，1∶1，0.5∶1，花管眼距200 mm，每个截面设置4个10 mm眼孔，交错布设。

6　边坡稳定计算分析

6.1物理力学指标

岩体和支护材料的物理力学指标见表1。

表1材料的物理力学指标见表

6.2计算模型

采用弹塑性有限元模型进行计算，计算采取具有代表性的开挖剖面。取水头部竖井开挖为方形，计算选取洞轴线位置进行开挖边坡支护结构应力和边坡位移计算。计算按照实际施工顺序从上到下分层开挖模拟，每一个开挖步结束及时进行喷锚支护，然后进行下一步开挖。

6.3开挖位移分析

开挖过程中最大沉降位移为8.9 mm，水平最大收敛位移为7.8 mm，从而可以确定在开挖过程中竖井变形稳定。

6.4开挖应力分析

应力分析开挖过程中，竖井周围产生了应力松弛现象，最大拉应力和最大压应力发生在某一开挖步中，最大拉应力值1.37 MPa，最大压应力-5.47 MPa。开挖过程中和开挖结束后，竖井的最大主压应力远远小于岩层的抗压强度25 MPa，竖井的最大拉应力亦小于岩石的抗拉强度2.5 MPa。从开挖应力分析结果可以看出，竖井在施工过程和施工结束后都处于应力稳定状态。

6.5初期支护内力分析

最大弯矩值在竖井腰部，最大值为355.79 kN·m；开挖过程中锚杆最大轴力为30 kN。从初期支护内力分析数值可以看出，喷射混凝土层和锚杆的内力值均满足强度要求。在初拟支护参数下，支护最大内力值完全满足承载能力要求，说明开挖过程中，洞室是稳定的，支护参数选取合理

6.6施工顺序模拟

实际施工中高边坡竖井开挖为从上部向下部分层开挖和锚喷支护。计算软件按3层进行模拟计算，每步分3个增量步分两个增量步分别模拟开挖和喷锚支护。

表2施工步与荷载释放系数分配表

7　结语

有限元计算表明，边坡支护加固后稳定满足要求。由于岩层介质的复杂性，在被支护岩层完全开挖暴露以前，很难确定结构面及不稳定岩体的实际出露位置。因此，有效的支护方式更应该与具体的岩体实际条件相结合，加强现场监控，及时完善支护参数，以确保施工过程及后期运行的稳定。

［参考文献］

［1］彭孔曙，胡敏云.有限元法在临水边坡设计中的应用［J］.科技通报，2012.9．

［2］汪益敏.有限元法在边坡岩体稳定分析中的应用［J］.西安公路学院学报，1994.12．

［3］王栋，年廷凯，陈煜淼.边坡稳定有限元分析中的三个问题［J］.岩土力学，2007.11．

［中图分类号］TV554

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0015－03

[收稿日期]2016-01-23