综合考虑安全性和经济性的料场边坡开挖方案优选

2010-03-07郭永成赵二平

三峡大学学报(自然科学版) 2010年1期

陈星郭永成,2 赵二平,2

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002;2.武汉大学水利水电学院,武汉430072)

水电工程中需要使用大量的人工骨料,料场开挖后容易形成高陡边坡.由于不同的开挖方案在施工过程中以及施工结束后所产生的位移应力情况不同,同时开挖方量也会有所区别,研究在合适的开采区范围,尽可能采用合理的开挖方案,达到既保证开挖边坡的稳定,又能够满足经济性目标,对于工程施工具有一定的指导意义.

李景[1]采用剩余推力法计算天然斜坡的稳定性,并根据规范从经济效益考虑,确定在开挖与支护总费用最低时的边坡开挖坡比为最优坡比.张显书[2]利用ANSYS对岩质高边坡开挖过程中应力场及位移场的空间变化特征进行了数值仿真模拟,并优化其结构设计,提出了合理经济的治理方案,指导治理工程施工.沈才华[3]引入拓扑优化理论,建立隧道拓扑优化模型,并结合弹塑性有限元数值计算方法,提出对隧道支护加固部位进行拓扑优化分析的方法.

结合某水电站人工骨料料场边坡工程项目,建立三维弹塑性有限元模型,对不同开挖高程和开挖坡比的4种开挖方案进行对比分析,得出复杂地质条件下料场边坡施工的优选方案.

1 开挖边坡概况

(1)地形地貌.料场位于坝址区李子沟背斜的核部,地层走向NW-SE向,核部地层平缓,走向近南北向;岩层倾向北翼NW355°～NE25°,倾角50°～70°,南翼SE135°～155°,倾角60°～80°.主要地层为天河板组上段(瓘1t2)、天河板组上段(瓘1t1)及石龙洞组下段(瓘1sl1),岩相稳定.料场位于大坝约200m的左岸岸坡上,料场顶部山脊尖棱,地形陡峭,山脊高程近700m,山坡坡度50°左右,斜坡走向与地层走向近正交,基岩裸露,沟谷发育,风化层及剥离层较薄,地表径流强,无明显的地质灾害.因此,该料场按地形地质条件划分为Ⅰ类.

(2)地层岩性.料场地层共3段,为石龙洞组下段(瓘1sl1)、天河板组上段(瓘1t2)及天河板组下段(瓘1t1),主要岩体均为厚～中厚层结构.

(3)开采区范围.料场上游为水电站拱坝,下游为交通要道李子沟大桥,中间带为背斜构造.为避免料场开挖对拱坝和大桥的影响,开采带定为背斜核部,开挖后背斜两侧形成逆向边坡,有利于稳定.

按设计需求(骨料54万m3),并考虑开采区周边地形地质环境的影响,初定优先开采区范围如图1所示,方案1、2开采边界相同(A-B-C-D-E-FG-H-A),方案3、4开采边界相同(A-B-C-DE-F-I-A).

图1 人工骨料场综合工程地质图

2 初始物理力学参数

根据地勘资料,以及现场查勘,并结合开挖过程中岩石的结构面显露情况,岩层力学参数见表1.

表1 岩层初始力学参数

3 开挖方案

结合现场的地质条件,拟定的料场边坡开采范围见图1(1-1,2-2表示所取的三维模型典型剖面);开挖时,垂直距离每30m左右设置一级马道,马道宽3m,370m以下不设马道,各方案具体开挖步骤如下:

方案 1:分 5步开挖,370～493 m高程坡比1∶0.3,370m以下近似垂直;

方案 2:分 5步开挖,370～493 m高程坡比1∶0.3,370m以下坡比近似1∶0.2;

方案 3:分 6步开挖,490～520 m高程坡比1∶0.5,370～490m高程坡比1∶0.35,370m以下近似垂直;

方案 4:分 6步开挖,490～520 m高程坡比1∶0.5,370～490m高程坡比1∶0.35,370m以下坡比近似1∶0.2.

4 计算模型

针对4种开挖方案,分别建立三维数值计算模型.模型底部采用竖直向约束,侧面采用水平向约束,岩体材料选用Mohr-Coloumb材料.图2～3分别表示方案1开挖前后的网格划分图.

图2 方案1开挖前网格材料图

图3 方案1开挖后网格材料图

5 计算结果

FLAC3D采用的“显式拉格朗日”算法和“混合-离散分区”技术,能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动,是十分强大的岩土工程专用软件[4],但其在前处理(建模与网格划分)和后处理(图形结果输出)方面却存在着明显不足[5-6].对此,首先利用具有强大图形与网格划分功能的ANSYS软件来实现复杂模型构建,然后通过相应程序将模型导入到FLAC3D中进行模拟计算,最后将计算结果导入到TECPLOT软件中进行后处理分析.限于篇幅,文中仅列出部分图表,部分计算图见图4～8,整体和典型剖面的计算结果统计见表3～4.

图4 方案1不平衡力变化曲线

图5 方案1 X方向相对位移

图6 方案1第一主应力

6 方案比较

6.1 位移比较

分别对边坡整体和典型剖面的有限元计算成果进行整理,4种方案整个边坡最大相对位移、最大应力见表3,1-1剖面和2-2剖面的最大相对位移、最大应力见表4.

图7 方案1 X方向相对位移(1-1剖面)

图8 方案1 X方向相对位移(2-2剖面)

表3 整体边坡三维有限元计算成果表

表4 三维计算典型剖面计算成果表

从表3可以看出,4种开挖方案X、Y、Z方向向坡外最大相对位移均较小.X方向向坡外最大相对位移为4 mm,Y方向最大相对位移为9mm,Z方向最大相对位移为16mm.开挖完成后,方案3的相对位移稍大,其它方案差别不大.

针对塑性区的位置(见后文),在弧形马道的圈顶外侧设置关键点.方案1的关键点位置在图3中以星型表示,不同高程关键点的位移随开挖步的变化见图9.图9表明,每一步开挖完成后形成开挖平台,开挖平台下的关键点位移向坡内,而位于开挖平台上的关键点位移由坡内转向坡外;整个开挖完成后,关键点向坡外的位移随着高程的降低而增加.

图9 方案1关键点位移曲线

6.2 应力比较

从表3可以看出,4种开挖方案第一主应力均小于1MPa.边坡开挖卸荷并未出现明显的拉应力区,基本上以压应力为主.最大拉应力为0.6MPa,最大压应力为12 MPa.并且开挖完成后,边坡表面的拉应力区分布范围较小.

6.3 塑性区比较

4种方案的塑性区体积见表5,图10表示方案1的剪切塑性区.从4种方案的塑性区分布图中可以看出,开挖后的塑性区分布位置及范围大致相同,主要分布在开挖面附近;在开挖面附近,塑性区主要分布在弧形马道的弧顶外侧;边坡在370 m和400m高程处塑性区区域较大;塑性区均未贯穿坡体,这表明边坡处于正常工作状态.