单 威, 李建东

(内蒙古自治区 水利水电勘测设计院,内蒙古 呼和浩特 010020)

隆盛水库溢洪道高边坡FLAC3D数值模拟稳定性分析

单 威, 李建东

(内蒙古自治区 水利水电勘测设计院,内蒙古 呼和浩特 010020)

隆盛水库是内蒙古大黑河一级支流拐角铺河上在建的一座中型控制性水利枢纽工程,是调洪蓄水和防止泥沙进入大黑河的重要水利工程。因顺坡向缓倾角节理裂隙及混合岩化作用发育,水库溢洪道右岸高边坡在开挖后修坡过程中,发生了两次大规模滑塌,在收集该地区大量的野外调查资料的基础上,运用FLAC3D软件模拟分析隆盛水库溢洪道高边坡的稳定性,对工程区边坡开挖和修坡条件下的土体变形及位移情况进行模拟计算,获得了边坡在开挖和修坡条件下的最大、最小主应力图和一系列观测点位移图,为工程设计提供参考。

高边坡;FLAC3D模拟计算;稳定性分析;隆盛水库

1 研究背景

隆盛水库是内蒙古大黑河一级支流拐角铺河上在建的一座中型控制性水利枢纽工程。工程的任务是灌溉、城镇及工业供水、拦沙、防洪等综合利用,根据调节计算每年灌溉可供水量为658万m3,城镇及工业供水可供水量为380万m3。工程等别为Ⅲ等,主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪排沙洞及供水洞等,主要建筑级别为3级建筑物,次要建筑物为4级,施工临时建筑物级别为5级。

因顺坡向缓倾角节理裂隙及混合岩化作用发育,水库溢洪道右岸高边坡在开挖后修坡过程中,发生了两次大规模滑塌,造成一、二级马道严重损毁。本文以分析确定该高边坡潜在不稳定滑动面及应力集中区域分布范围为主要研究目的,运用FLAC3D软件建模分析,对工程区边坡开挖和修坡条件下的土体变形及位移情况进行模拟计算,获得了边坡在开挖和修坡条件下的最大、最小主应力图和一系列观测点位移图,为工程设计边坡加固处理措施提供参考。

2 研究区概况

2.1 工程概况

隆盛水库溢洪道设计方式为开敞式溢洪道,由进水渠段、控制段、泄槽段、挑流消能段组成。目前,溢洪道开挖进水渠段已至设计高程1 461.50 m,由控制段至泄槽段现状底板高程为1 458.78～1 448.68 m,右部边坡分为五级马道,一—四级马道边坡高度15 m左右,四—五级边坡高度约30 m,五级马道以上边坡高度10～15 m,工程开挖坡高在100 m左右,属工程开挖高边坡。每级边坡坡比为1∶0.75,二级以上边坡已完成喷锚处理。

溢洪道右岸一级边坡开挖修坡过程中发生较大的边坡滑塌两次,一次是发生在2015年8月15日,塌坡范围桩号0+080～0+120,高度为一级马道边坡坡脚(高程1471.0 m左右)—二级马道顶部(高程1 486.0 m)。另一次较大的滑塌发生在2015年8月31日。在2015年8月30日发现一级马道桩号0+020～0+040发生局部塌落,桩号0+060～0+100一级马道发生纵向锯齿状拉裂缝,裂缝宽度10～15 cm,地质设代向监理反映了相关情况,并建议停止开挖。次日,桩号0+060～0+100段发生较大边坡滑塌,塌坡高度为一级马道顶部(高程1 471.0 m左右)—一级马道边坡坡脚(高程1 458.0 m左右)。

2.2 右岸高边坡岩性特征

一级边坡底部岩性为下太古界乌拉山群大理岩组(Ar1wl2)黑云母角闪斜长片麻岩,分布厚度8～10 m,片麻理非常发育,节理发育,岩体呈碎裂结构。上部岩性0-020～0+005段为下太古界乌拉山群大理岩组(Ar1wl2)白云石大理岩,分布厚度为3～5 m,节理较发育,岩体呈次块状结构;0+005～0+028段为下太古界乌拉山群大理岩组(Ar1wl2)绿泥石英岩、石英片岩及混合岩化岩,分布厚度5～7 m,节理较发育,岩体呈碎裂结构。

二级边坡根据当时地质编录岩性为下太古界乌拉山群大理岩组(Ar1wl2)黑云母角闪斜长片麻岩,片麻理非常发育,节理发育,岩体呈碎裂结构,现已喷锚支护。

2.3 右岸高边坡卸荷裂隙拉裂缝的分布和性质特征

右壁发育有6条拉裂缝L2-1～L2-6。其中L2-1、L2-2位于桩号0+005～0+030之间一级、二级马道坡顶,L2-1发育长度约25.0 m,裂缝宽度5～7 mm,L2-2发育长度约20.0 m,裂缝宽度5～7 mm,两条拉裂缝延伸较长,均沿溢洪道轴向水平发育;L2-3、L2-4位于桩号0+065～0+090、0+105～0+110的二级马道坡顶处,L2-3发育长度约25.0 m,裂缝宽度5～7 mm,L2-4发育长度约5.0 m,裂缝宽度5～7 mm,均沿溢洪道轴向水平发育;L2-5、L2-6位于桩号0+130～0+140间的二级马道坡顶—三级马道坡顶处,发育长度7.5～15.0 m,裂缝宽度3～8 mm,垂直溢洪道轴向顺坡面纵向发育。

分析认为,L2-1为卸荷裂隙结构面,结构面与边坡呈外倾关系,即结构面倾向与边坡坡向相同,结构面倾角38°～43 °,小于边坡坡度角(1∶0.75,即53°)。结构面平整,倾角上陡下缓,结构面延伸远,控制范围在桩号0+000～0+130。结构面以上岩体已发生滑塌,滑塌范围在桩号0+000～0+130。滑塌较严重段,滑塌高度由一级马道坡角至二级马道坡顶,高程在1 464.00～1 486.50 m。L2-1卸荷裂隙结构面,是造成右边坡失稳滑塌控制性的主结构面。6条裂缝推测均为卸荷裂隙,其下部岩体为潜在不稳定岩体,已建议进行边坡加固处理。

3 FLAC3D数值模拟高边坡稳定性分析

3.1 FLAC3D概述

FLAC3D是在三维连续介质中应用的快速拉格朗日差分分析方法。它在分析岩土工程结构的弹塑性力学行为、模拟施工过程等方面有其独到的优点。尤其在发生塑性流动或失稳的情况下,此法可以很方便地用于模拟结构从弹性到塑性屈服、失稳破坏直至大变形的全过程,这是其它一些模拟计算方法无法比拟的[1]。

3.1.1 空间导数的有限差分近似

在FLAC3D中采用了混合离散法,区域被划分为常应变六面体单元的集合体,而在计算过程中,程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应变的集合体,变量均在四面体上进行计算,六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均值[2]。

3.1.2 计算循环

FLAC3D的计算循环是FLAC3D程序将会计算单元之间的不平衡力,将此不平衡力重新添加到各节点上,再进行下一步的迭代运算,直到不平衡力足够小或者各个节点的位移趋于平衡为止。

3.2 边坡模型的建立

考虑到建立三维模型的复杂性,在建立三维模型时,对一些因素进行了简化。同时,本文主要模拟边坡开挖后周边的应力变化及位移对边坡的影响,所以主要对边坡区进行模拟计算。模型计算的基本参数根据研究区域的岩层柱状图和现场测得的岩层物理力学的实验结果来确定。结合工程具体情况,建模时将工况分为:开挖前、开挖后、修坡三个阶段予以考虑[3]。

此三维模型的建立采用分区组合的方法进行构造,首先按层面和模型外边界进行分区,分别划分每个区的网格,然后再将各分区组合在一起,形成计算模型。模型外围规格1 600 m×400 m×630 m,共划分出15 420个单元,16 544个节点(未开挖前的网格示意图如图1)。具体建模过程如下:按溢洪道右岸高边坡工程地质剖面图将图形剖分,以海拔高程1 400 m作为模型坐标中心,向水平方向和垂直方向建模。为减小计算误差,满足FLAC3D计算精度,假设模型沿边坡走向长400 m,形成一个三维模型。其中X,Y,Z正方向依照右手定律,X以右方向为正,Z以垂直向上为正。

形成的初始状态未开挖前的网格图见图1。

3.3 验证模型合理性

模型建立完毕后,首先通过生成模型的最大不平衡力图形确定边坡天然条件下的稳定性,验算边坡模型是否最终达到平衡。经模拟计算,高边坡最大不平衡力随时间推移不断减小,说明在天然条件下,模型经过一段时间的应力平衡过程后,各向应力随时间延续逐渐平衡,说明模型逐渐趋于稳定,所建模型合理(见图2)[4]。

3.4 开挖后边坡稳定性分析

高边坡开挖后(见图3),应力分布发生改变,模型重新进行应力计算并趋于平衡,最大不平衡力随时间推移最终趋于定值(见图4),说明开挖后模型达到平衡,应力重新分布结束[5-6]。

图1 边坡开挖前的网格图Fig.1 Grid pattern before slope excavation

图2 开挖前最大不平衡力图Fig.2 Maximum unbalanced graph before excavation

图3 开挖后边坡模型Fig.3 Slope model after excavation

开挖后,应力分布改变,通过平衡后的模型最大主应力和最小主应力分布图对比开挖前、后的不平衡力分布状态。其中,由开挖前、后的最大、最小主应力分布对比图(见图5、图6),在高边坡坡脚位置出现应力集中,该位置可能出现较大规模位移,因此对该部分单元选取考察点观测其位移变化。

图4 开挖后最大不平衡力图Fig.4 Maximum unbalanced graph after excavation

本次模拟计算中,设计在应力集中区域内,布设位移考察点9个(见图7),其中PK5、PK4、PK3、PK2、PK1点为边坡开挖后考察点,P2、P3、P10、P15点为修坡后考察点。

通过各点开挖后应力重分布状态下的最大位移量计算,生成各考察点X、Y、Z轴向位移量分析图,5个考察点PK5、PK4、PK3、PK2、PK1中,以PK2点位移最大,且随时间推移该点位移最后趋于稳定,即卸荷裂隙停止发展,说明开挖后边坡处于稳定状态,最大位移量为6.94 cm。详见图8开挖后点PK2(230,0,330)的X向位移。

3.5 修坡后边坡稳定性分析

修坡后边坡稳定性分析过程与开挖后边坡稳定性分析过程相同。首先根据软件生成的最大不平衡力图判断模型是否稳定,再通过分析软件所生成的最大、最小主应力图分析边坡是否出现应力集中,最后通过各监测点的位移图判断模型是否发生变形破坏。

图5 最大主应力分布对比图Fig.5 Comparison chart of maximum principal stress

图6 最小主应力分布对比图Fig.6 Comparison chart of minimum principal stress

图7 考察点位置示意图Fig.7 Sketch map of position of observation point

图8 开挖后点PK2(230,0,330)的X向位移Fig.8 X directiomal displacement of PK2(230,0,330) after excavation

3.6 模拟计算成果分析

(1) 开挖前,模型中的最大不平衡力随时间延续逐渐减小,最后趋近于零,这与天然条件下边坡的稳定情况相同,说明所建模型合理。

(2) 开挖后,应力发生重分布,对比开挖前和开挖后模型最大主应力和最小主应力分布图,在边坡区部分位置出现应力集中,说明该位置可能出现较大位移。所有观察点在边坡开挖后首先随时间延续位移逐渐增大,但最终达到稳定状态。在所有观察点中以PK2点的X方向位移最大,达到6.94 cm,但最终位移趋于一定值,不再出现更大位移,其他观测点位移均较小。由此推之,边坡整体在开挖后,只在PK1、PK2点附件发生较大位移,位移大小7 cm左右,其他位置位移很小,所以边坡不会发生破坏,边坡稳定,无须加以支护措施[7]。

(3) 修坡后,分析其最大主应力和最小主应力分布图可知,在边坡位置除P2、P3、P10、P15点附近出现应力集中外,其他位置应力分布基本不发生改变。而P2、P3、P10、P15点周围的应力集中可能导致单元体发生大规模位移,使岩体破坏,边坡失稳。在所有观察点中以P3点的X方向位移最大,达到10.84 cm,且所有观察点均会发生较大规模位移,位移大小8～10 cm左右,且所有观察点在边坡开挖修坡后随时间延续位移逐渐增大。由此说明,修坡后在边坡修坡段会出现大规模位移,可能导致边坡失稳,需加支护。加锚杆后,边坡最大位移最大处为6.36 cm,比未加锚杆边坡最大位移减小4 cm。

4 结论及高边坡加固处理措施建议

(1) 优化设计方案,建议在满足水工泄洪顺畅条件下,不再继续向下开挖,不破坏边坡坡脚,不产生临空面,以保障现开挖边坡相对稳定条件。

(2) 对潜在不稳定边坡采用不同方式锚固处理。据FLAC3D模拟分析及水平孔揭露,建议于高边坡坡脚考察点P2-P3范围的应力集中区及卸荷区域进行水平锚固,贯穿深度应>22.0 m。

(3) 做好排水措施,于考察点P2水平向布设排水孔,减少节理裂隙内的积水并降低再次滑塌的可能。

(4) 对考察点P2、P3、P10、P15等模拟位移量较大区域,做好边坡岩体的长期变形观测工作。

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(责任编辑：陈姣霞)

FLAC3D Numerical Stability Analysis of High Slope in Longsheng Reservoir

SHAN Wei, LI Jiandong

(WaterResourcesandHydropowerSurveyandDesignInstituteofInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot,InnerMongolia010020)

Longsheng reservoir is medium controlling key water-control project,also is the flood water and preventing the sediment into the large key water conservancy project in Heihe.Because of llow-angle joint cracks,the development of migmatization,two large-scale collapse occur in the process of the high slope after excavation on the right bank slope of reservoir spillway. The paper has collected a large number of field survey data in the region,analyzed reservoir spillway slope stability by FLAC3D. Maximum and minimum principal stress diagram and a series of observation point displacement diagram by simulating calculation under hydro-geologic conditions of slope excavation and slope under the condition of the soil deformation and displacement,provide reference for the engineering design.

Longsheng reservoir; high slope; FLAC3D numerical simulation; stability analysis

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

内蒙古自治区乌兰察布市卓资县隆盛水库工程地质勘察(S090044105010)。

单威(1983-),男,工程师,水文与水资源工程专业,从事水文地质、水文水资源工作。E-mail:42392534@qq.com

TU457

A

1671-1211(2016)03-0315-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.016

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.032.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31