摘 要：運用波前法進(jìn)行有限元法求解，對向家壩地下廠(chǎng)房進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了三維非線(xiàn)性有限元計算分析，對其穩定性進(jìn)行安全評價(jià)，并提出相應的邊坡加固措施。

　　關(guān)鍵詞：邊坡穩定 邊坡開(kāi)挖 有限元法 邊界條件 邊坡加固

　　一、前言

　　邊坡穩定與否在土木工程中是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。在開(kāi)挖的過(guò)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(huì )導致邊坡失穩。因此預先做好邊坡的穩定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進(jìn)行的保證。本文以向家壩地下廠(chǎng)房進(jìn)水口邊坡為例，通過(guò)三維非線(xiàn)性有限元計算分析，對進(jìn)水口邊坡的整體穩定進(jìn)行安全評價(jià)，并提出邊坡加固的工程處理措施。

　　二、邊坡開(kāi)挖方式和分析方法

　　向家壩地下廠(chǎng)房進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖方式為分層開(kāi)挖、逐層開(kāi)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(shí)先對非開(kāi)挖單元進(jìn)行編號，然后是后開(kāi)挖的單元，最后才是最先開(kāi)挖的單元。這樣就保證了在分析每步開(kāi)挖后的巖體結構時(shí)，剩下單元和結點(diǎn)的編號仍然是連續的，且和初始單元和結點(diǎn)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(jìn)行計算。計算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫蓄水）、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。

　　2.工況2

　　在開(kāi)挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時(shí)，水荷載作用在進(jìn)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(jìn)水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開(kāi)挖時(shí)減少2.76mm.進(jìn)水口邊坡坡面上位移的變化量要小于底板，最大僅在1mm左右。邊坡上的最大位移值為9.15mm.

　�。�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(shí)對進(jìn)水口邊坡進(jìn)行計算分析，并將其計算結果與工況2進(jìn)行對比分析。

　　位移結果顯示，在不考慮地震荷載時(shí)，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運行期考慮地震荷載時(shí)的最大位移9.15mm.進(jìn)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(gè)進(jìn)水口邊坡坡面的位移變化趨勢來(lái)看，位移的變化主要出現在地震荷載所加的方向上，進(jìn)水口邊坡坡面巖體位移表現為Y方向位移分量較考慮地震荷載時(shí)要小。

　　從拉應力的分布形態(tài)來(lái)看，當運行期不考慮地震荷載時(shí)，最大拉應力依然出現在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時(shí)邊坡坡面巖體出現的拉應力要有所減小。計算結果表明，地震荷載對進(jìn)水口邊坡的安全系數有一定的不利影響，但是從數值變化來(lái)看，影響不是很大。

　　4.工況4

　　工況4是在開(kāi)挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時(shí)，計算分析滲流作用對進(jìn)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(shí)對邊坡位移、穩定的影響。

　　根據有限元計算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場(chǎng)作用下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開(kāi)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(shí)，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩定性影響不是很大，但是由于巖體里面的水不能及時(shí)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(dòng)水壓力對節理較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩定威脅較大。

　　5.工況5

　　本工況為正常運行期進(jìn)水口邊坡穩定性分析，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(shí)，進(jìn)水口邊坡坡面上最大位移為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(jìn)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(lái)看，邊坡坡面巖體上沒(méi)有出現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，依然出現在軟弱夾層處。

　　綜上所述，進(jìn)水口邊坡在正常運行期內，具有良好的整體穩定性。

　　六、有限元計算結果分析

　　根據計算成果，對向家壩地下廠(chǎng)房進(jìn)水口邊坡的變形特點(diǎn)和應力分布規律作如下總結：

　�。�1） 在施工開(kāi)挖時(shí)，進(jìn)水口邊坡坡面變形表現為開(kāi)挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm.整個(gè)進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖區域位移變形最大的位置在進(jìn)水口底板處，其最大位移值達到20.08mm.

　�。�2） 進(jìn)水口邊坡坡面的部分區域出現拉應力，在軟弱夾層處出現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拉應力。在軟弱夾層附近出現較大拉應力的區域應及時(shí)進(jìn)行加固，避免出現局部失穩。

　�。�3） 在向家壩進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖和加固過(guò)程中，沒(méi)有過(guò)大的拉應力和塑性變形區。進(jìn)水口邊坡大多數區域處于壓應力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現較小的拉應力區，邊坡開(kāi)挖卸荷顯著(zhù)的深度為3-8米。說(shuō)明向家壩進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖是穩定的，其開(kāi)挖加固順序是合理的。

　　七、進(jìn)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(kāi)挖、因施工爆破等可能造成的節理裂隙或卸荷裂隙貫通、持續暴雨或水庫水位驟降等因素對邊坡穩定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩定是有保證的。但在開(kāi)挖過(guò)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。

　　根據計算分析的結果和已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗，進(jìn)水口邊坡采取了以下工程處理措施來(lái)保證邊坡運行的安全：

　　a） 邊坡開(kāi)挖時(shí)采用先進(jìn)的控制爆破技術(shù)。

　　b） 開(kāi)挖邊坡周邊設置截水溝。開(kāi)挖邊坡高程383m以上，按照排、間距3m×3m梅花形布置帶反濾層的排水孔。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(kāi)挖邊坡高程380m以下，設置系統錨桿Ф28@2.5 m×2.5m， L=8m，噴混凝土δ＝15cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@200mm；高程380m以上設置系統錨桿Ф28@2 m×2m， L=8m，噴混凝土δ＝20cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@250mm.

　　d）右岸進(jìn)水口邊坡涉及有煤層開(kāi)采的區域或巖體較破碎的設置區域網(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(shí)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。

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