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向家坝地下厂房进水口边坡稳定性分析及边坡加固措施
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内容提示：运用波前法进行有限元法求解，对向家坝地下厂房进水口边坡进行了三维非线性有限元计算分析，对其稳定性进行安全评价，并提出相应的边坡加固措施。
摘 要：运用波前法进行有限元法求解，对向家坝地下厂房进水口边坡进行了三维非线性有限元计算分析，对其稳定性进行安全评价，并提出相应的边坡加固措施。（参考《建筑中文网》）
关键词：边坡稳定 边坡开挖 有限元法 边界条件 边坡加固
一、前言
边坡稳定与否在土木工程中是一个非常重要的问题。在开挖的过程中，由于边坡结构的改变而使其应力状态发生变化，常常会导致边坡失稳。因此预先做好边坡的稳定性分析，并提出有针对性的工程处理措施，是工程顺利进行的保证。本文以向家坝地下厂房进水口边坡为例，通过三维非线性有限元计算分析，对进水口边坡的整体稳定进行安全评价，并提出边坡加固的工程处理措施。
二、边坡开挖方式和分析方法
向家坝地下厂房进水口边坡开挖方式为分层开挖、逐层开挖逐层加固。
计算方法为波前法求解的有限元方法。单元编号时先对非开挖单元进行编号，然后是后开挖的单元，最后才是最先开挖的单元。这样就保证了在分析每步开挖后的岩体结构时，剩下单元和结点的编号仍然是连续的，且和初始单元和结点编号一致。
三、计算工况及荷载组合
本次研究分别对施工期、运行期等多种工况进行计算。计算工况对应的荷载组合如表1所示。计算荷载包括：水荷载(包括地下水和水库蓄水)、岩体自重、地震荷载、岩锚荷载以及地应力作用等，用A1～ A6表示。工况及荷载组合如下表1所示：
表1 计算工况及荷载组合
计 算 工 况
荷 载 组 合
库水位（m）
工况1 (施工开挖)
A2 A5
工况2 （运行期考虑地震作用）
A1 A2 A3 A5
380.0
工况3 （正常运行）
A1 A2 A5
380.0
工况4 （考虑渗流作用）
A1 A2 A3 A5 A6
380.0
工况5 （运行采取加固措施）
A1 A2 A4 A5
380.0
A1——水荷载； A2——结构自重；
A3——地震荷载； A4——岩锚荷载；
A5——地应力作用；A6——渗透力作用。
四、边界条件和计算假设
（一）边界条件：
(1) 在X方向的边界上，采用约束X方向位移；
(2) 在Y 方向的边界上，采用约束Y方向位移；
(3) 在Z=60.0平面上，采用约束Z方向位移；
（二）计算假定：
(1) 在进水口边坡面上低于相应水位的节点满足第一类边界条件，即满足渗流分析中的Dirichlet条件，故取固定水头，其值为相应的水位值；
(2) 在Z=60.0平面上，采用隔水层边界；
五、计算成果
1.工况1计算结果
（1）位移计算成果
边坡坡面上最大回弹位移为9.85mm，位于②号机纵剖面附近。引水隧洞进水口底板处出现整个开挖面位移最大位置，其最大值达到20.08mm。
（2）应力计算成果
进水口边坡坡面部分区域第一主应力出现拉应力，在软弱夹层处出现0.85～1.08MPa的较大拉应力，其它部位拉应力很小或无拉应力。边坡岩体第三主应力仍处于受压状态，坡面处压应力较小，其值在0.85～3.73MPa之间，随着坡面深度的增加，压应力值也逐渐增加。
2.工况2
在开挖完毕后，下闸蓄水至380.0m高程时，水荷载作用在进水口边坡岩体上产生的变形和应力分布如下所述：
（1）位移计算成果
进水口边坡底板的最大位移为17.318mm，比施工开挖时减少2.76mm。进水口边坡坡面上位移的变化量要小于底板，最大仅在1mm左右。边坡上的最大位移值为9.15mm。
（2）应力计算成果
边坡坡面上岩体的应力变化较小，坡脚的应力变化也只有0.5MPa左右。应力分布规律基本与工况1相同。
3.工况3
工况3是在工况2的基础上不考虑地震荷载时对进水口边坡进行计算分析，并将其计算结果与工况2进行对比分析。
位移结果显示，在不考虑地震荷载时，边坡面上的最大位移为7.88mm，小于运行期考虑地震荷载时的最大位移9.15mm。进水口底板处的最大位移略有加大，为17.634mm，工况2下为17.318mm，是由该处位移Y方向分量与地震荷载方向相反所致。就整个进水口边坡坡面的位移变化趋势来看，位移的变化主要出现在地震荷载所加的方向上，进水口边坡坡面岩体位移表现为Y方向位移分量较考虑地震荷载时要小。
从拉应力的分布形态来看，当运行期不考虑地震荷载时，最大拉应力依然出现在软弱夹层处，为1.26MPa左右，相比考虑地震荷载时边坡坡面岩体出现的拉应力要有所减小。计算结果表明，地震荷载对进水口边坡的安全系数有一定的不利影响，但是从数值变化来看，影响不是很大。
4.工况4
工况4是在开挖完毕后，下闸蓄水至380.0m高程时，计算分析渗流作用对进水口边坡岩体位移变形和应力分布的影响，并计算运行期间水位从正常蓄水位骤降至死水位时对边坡位移、稳定的影响。
根据有限元计算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在渗流场作用下边坡岩体上产生的位移方向与边坡开挖产生的位移方向相反，对边坡的影响是有利的。
而当水位从正常蓄水位骤降至死水位时，边坡岩体位移的改变值相对较大，最大值有0.8mm左右。虽然从位移上看，水位骤降对边坡的整体稳定性影响不是很大，但是由于岩体里面的水不能及时排除出，一方面使边坡岩体的容重增大，增加了岩体的下滑力；另一方面，裂隙中水流所产生的静水和动水压力对节理较发育边坡岩体的块体稳定威胁较大。
5.工况5
本工况为正常运行期进水口边坡稳定性分析，考虑的荷载有地应力、重力、水荷载、锚固荷载等。计算结果显示，考虑锚固和水荷载时，进水口边坡坡面上最大位移为7.42mm，较工况3的7.88mm少了0.46mm，而坡面上位移平均减少1mm左右。进水口底板回弹位移最大值为17.68mm，与工况3的17.634mm基本一致。
从拉应力的分布形态来看，边坡坡面岩体上没有出现1.2Mpa以上的较大拉应力。由于锚固的作用，拉应力值较工况3有所减小，马道尖角处出现的拉应力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉应力为1.18Mpa，依然出现在软弱夹层处。
综上所述，进水口边坡在正常运行期内，具有良好的整体稳定性。
六、有限元计算结果分析
根据计算成果，对向家坝地下厂房进水口边坡的变形特点和应力分布规律作如下总结：
(1) 在施工开挖时，进水口边坡坡面变形表现为开挖引起的卸荷回弹，但其值不大，最大位移值为9.85mm。整个进水口边坡开挖区域位移变形最大的位置在进水口底板处，其最大位移值达到20.08mm。
(2) 进水口边坡坡面的部分区域出现拉应力，在软弱夹层处出现0.85～1.08MPa的较大拉应力，在其它部位拉应力很小甚至不出现拉应力。在软弱夹层附近出现较大拉应力的区域应及时进行加固，避免出现局部失稳。
(3) 在向家坝进水口边坡开挖和加固过程中，没有过大的拉应力和塑性变形区。进水口边坡大多数区域处于压应力状态，仅在边坡马道局部出现较小的拉应力区，边坡开挖卸荷显著的深度为3～8米。说明向家坝进水口边坡开挖是稳定的，其开挖加固顺序是合理的。
七、进水口边坡处理措施
有限元法分析计算的结果表明，在考虑了边坡开挖、因施工爆破等可能造成的节理裂隙或卸荷裂隙贯通、持续暴雨或水库水位骤降等因素对边坡稳定性的影响后，边坡位移不大，其整体稳定是有保证的。但在开挖过程中，边坡局部受地质优势面、层面切割形成不利的块体组合，也可能产生局部失稳。
根据计算分析的结果和已建工程的实践经验，进水口边坡采取了以下工程处理措施来保证边坡运行的安全：
关键词：边坡稳定 边坡开挖 有限元法 边界条件 边坡加固
一、前言
边坡稳定与否在土木工程中是一个非常重要的问题。在开挖的过程中，由于边坡结构的改变而使其应力状态发生变化，常常会导致边坡失稳。因此预先做好边坡的稳定性分析，并提出有针对性的工程处理措施，是工程顺利进行的保证。本文以向家坝地下厂房进水口边坡为例，通过三维非线性有限元计算分析，对进水口边坡的整体稳定进行安全评价，并提出边坡加固的工程处理措施。
二、边坡开挖方式和分析方法
向家坝地下厂房进水口边坡开挖方式为分层开挖、逐层开挖逐层加固。
计算方法为波前法求解的有限元方法。单元编号时先对非开挖单元进行编号，然后是后开挖的单元，最后才是最先开挖的单元。这样就保证了在分析每步开挖后的岩体结构时，剩下单元和结点的编号仍然是连续的，且和初始单元和结点编号一致。
三、计算工况及荷载组合
本次研究分别对施工期、运行期等多种工况进行计算。计算工况对应的荷载组合如表1所示。计算荷载包括：水荷载(包括地下水和水库蓄水)、岩体自重、地震荷载、岩锚荷载以及地应力作用等，用A1～ A6表示。工况及荷载组合如下表1所示：
表1 计算工况及荷载组合
计 算 工 况
荷 载 组 合
库水位（m）
工况1 (施工开挖)
A2 A5
工况2 （运行期考虑地震作用）
A1 A2 A3 A5
380.0
工况3 （正常运行）
A1 A2 A5
380.0
工况4 （考虑渗流作用）
A1 A2 A3 A5 A6
380.0
工况5 （运行采取加固措施）
A1 A2 A4 A5
380.0
A1——水荷载； A2——结构自重；
A3——地震荷载； A4——岩锚荷载；
A5——地应力作用；A6——渗透力作用。
四、边界条件和计算假设
（一）边界条件：
(1) 在X方向的边界上，采用约束X方向位移；
(2) 在Y 方向的边界上，采用约束Y方向位移；
(3) 在Z=60.0平面上，采用约束Z方向位移；
（二）计算假定：
(1) 在进水口边坡面上低于相应水位的节点满足第一类边界条件，即满足渗流分析中的Dirichlet条件，故取固定水头，其值为相应的水位值；
(2) 在Z=60.0平面上，采用隔水层边界；
五、计算成果
1.工况1计算结果
（1）位移计算成果
边坡坡面上最大回弹位移为9.85mm，位于②号机纵剖面附近。引水隧洞进水口底板处出现整个开挖面位移最大位置，其最大值达到20.08mm。
（2）应力计算成果
进水口边坡坡面部分区域第一主应力出现拉应力，在软弱夹层处出现0.85～1.08MPa的较大拉应力，其它部位拉应力很小或无拉应力。边坡岩体第三主应力仍处于受压状态，坡面处压应力较小，其值在0.85～3.73MPa之间，随着坡面深度的增加，压应力值也逐渐增加。
2.工况2
在开挖完毕后，下闸蓄水至380.0m高程时，水荷载作用在进水口边坡岩体上产生的变形和应力分布如下所述：
（1）位移计算成果
进水口边坡底板的最大位移为17.318mm，比施工开挖时减少2.76mm。进水口边坡坡面上位移的变化量要小于底板，最大仅在1mm左右。边坡上的最大位移值为9.15mm。
（2）应力计算成果
边坡坡面上岩体的应力变化较小，坡脚的应力变化也只有0.5MPa左右。应力分布规律基本与工况1相同。
3.工况3
工况3是在工况2的基础上不考虑地震荷载时对进水口边坡进行计算分析，并将其计算结果与工况2进行对比分析。
位移结果显示，在不考虑地震荷载时，边坡面上的最大位移为7.88mm，小于运行期考虑地震荷载时的最大位移9.15mm。进水口底板处的最大位移略有加大，为17.634mm，工况2下为17.318mm，是由该处位移Y方向分量与地震荷载方向相反所致。就整个进水口边坡坡面的位移变化趋势来看，位移的变化主要出现在地震荷载所加的方向上，进水口边坡坡面岩体位移表现为Y方向位移分量较考虑地震荷载时要小。
从拉应力的分布形态来看，当运行期不考虑地震荷载时，最大拉应力依然出现在软弱夹层处，为1.26MPa左右，相比考虑地震荷载时边坡坡面岩体出现的拉应力要有所减小。计算结果表明，地震荷载对进水口边坡的安全系数有一定的不利影响，但是从数值变化来看，影响不是很大。
4.工况4
工况4是在开挖完毕后，下闸蓄水至380.0m高程时，计算分析渗流作用对进水口边坡岩体位移变形和应力分布的影响，并计算运行期间水位从正常蓄水位骤降至死水位时对边坡位移、稳定的影响。
根据有限元计算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在渗流场作用下边坡岩体上产生的位移方向与边坡开挖产生的位移方向相反，对边坡的影响是有利的。
而当水位从正常蓄水位骤降至死水位时，边坡岩体位移的改变值相对较大，最大值有0.8mm左右。虽然从位移上看，水位骤降对边坡的整体稳定性影响不是很大，但是由于岩体里面的水不能及时排除出，一方面使边坡岩体的容重增大，增加了岩体的下滑力；另一方面，裂隙中水流所产生的静水和动水压力对节理较发育边坡岩体的块体稳定威胁较大。
5.工况5
本工况为正常运行期进水口边坡稳定性分析，考虑的荷载有地应力、重力、水荷载、锚固荷载等。计算结果显示，考虑锚固和水荷载时，进水口边坡坡面上最大位移为7.42mm，较工况3的7.88mm少了0.46mm，而坡面上位移平均减少1mm左右。进水口底板回弹位移最大值为17.68mm，与工况3的17.634mm基本一致。
从拉应力的分布形态来看，边坡坡面岩体上没有出现1.2Mpa以上的较大拉应力。由于锚固的作用，拉应力值较工况3有所减小，马道尖角处出现的拉应力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉应力为1.18Mpa，依然出现在软弱夹层处。
综上所述，进水口边坡在正常运行期内，具有良好的整体稳定性。
六、有限元计算结果分析
根据计算成果，对向家坝地下厂房进水口边坡的变形特点和应力分布规律作如下总结：
(1) 在施工开挖时，进水口边坡坡面变形表现为开挖引起的卸荷回弹，但其值不大，最大位移值为9.85mm。整个进水口边坡开挖区域位移变形最大的位置在进水口底板处，其最大位移值达到20.08mm。
(2) 进水口边坡坡面的部分区域出现拉应力，在软弱夹层处出现0.85～1.08MPa的较大拉应力，在其它部位拉应力很小甚至不出现拉应力。在软弱夹层附近出现较大拉应力的区域应及时进行加固，避免出现局部失稳。
(3) 在向家坝进水口边坡开挖和加固过程中，没有过大的拉应力和塑性变形区。进水口边坡大多数区域处于压应力状态，仅在边坡马道局部出现较小的拉应力区，边坡开挖卸荷显著的深度为3～8米。说明向家坝进水口边坡开挖是稳定的，其开挖加固顺序是合理的。
七、进水口边坡处理措施
有限元法分析计算的结果表明，在考虑了边坡开挖、因施工爆破等可能造成的节理裂隙或卸荷裂隙贯通、持续暴雨或水库水位骤降等因素对边坡稳定性的影响后，边坡位移不大，其整体稳定是有保证的。但在开挖过程中，边坡局部受地质优势面、层面切割形成不利的块体组合，也可能产生局部失稳。
根据计算分析的结果和已建工程的实践经验，进水口边坡采取了以下工程处理措施来保证边坡运行的安全：
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200610/1963.htm
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