核电站人工边坡稳定性评价

周 亮，孙茂前

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 工程概述

某核电站规划分三期建成，其中三期工程进行厂区场地开挖后，在场地南部灯塔山与厂区连接处的灯塔岭东北侧形成140余米长的人工边坡。其距拟建核岛厂房最近距离190m，边坡走向137°，坡脚开挖起自厂坪标高14.5m，坡高11m～20m。

2 岩体结构面网络模拟

在现场勘测大量结构面调查统计资料的基础上，应用岩体结构面网络模拟理论、方法和程序，对该核电站人工边坡进行结构面几何形态要素的统计分析和岩体结构面网络模拟的应用。为了能够全面反映人工边坡岩体结构面的分布和组合状况，采用测线量测法，在测区内选择有代表性、结构面出露条件较好的典型地段进行了结构面系统量测。根据统计的结构面样本179 条进行结构面分组，其中图1为传统极点投影图，可以看出测区内岩体结构面发育较密集的有3组，倾向分别为NEE、SE和NW，表1为现场量测的结构面产状(同时分解成三组形式表示结构面的分组结果)；而采用动态聚类法分析结构面分组时，大致以此3组作为初始聚类参考，图2为动态聚类结构面分组，优势产状见表2。

表1 结构面产状 单位：°

图1 极点投影图

图2 动态聚类结构面分组

表2 优势产状

结构面分组完成后，在分析各组结构面几何形态要素概率分布形式的基础上，建立该组结构面几何形态要素概率模型。现以现场量测的第3组结构面样本几何形态要素数据为例，建立岩体结构面概率模型。在此，简单的以图3和表3表达概率模型实现计算效果及相应参数。

图3 各几何形态要素分布直方图

表3 各几何形态要素特征值

可以看出，结构面倾角基本上服从正态分布，倾向接近于正态分布，迹长基本服从负指数分布，间距也大致接近于负指数分布。

使用岩体节理分布Monte-Carlo计算机辅助模拟程序，根据各组结构面几何形态要素概率模型，生成与实测结构面具有相同几何形态要素及分布形式的切面结构面网络图。图4为岩体结构面二维网络模拟图，模拟结果可以很好的显示三组结构面的分布与交错关系。

3 边坡岩体模型

图4 结构面二维网络模拟图

坡体岩性主要为侏罗系上侏罗统东兴组棕黄色长石石英砂岩和紫红色泥岩。其中，地表浅层岩体基本上全风化为土层，属于地表植被根系的作用层，其厚度小，对边坡整体稳定性不构成影响；强风化岩石也为散体状，其性质不受结构面的控制，因此全风化和其下部的强风化带的物理力学性质按土层来确定，可不考虑结构面的影响。由于边坡体主体为软弱～较软岩体，属弹塑性介质，计算采用理想弹塑性本构模型，只施加重力荷载，不考虑构造应力，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。计算边界取到足够远处，即人工边坡开挖后，引起边坡应力、应变影响范围以外。垂直边界面水平方向加约束，水平边界面垂直方向加约束，为固定支座。厂址区地震烈度为Ⅵ度，边坡上没有构筑物，因此不考虑地震的影响，按静力情况模拟。根据实测的典型工程地质剖面，以人工开挖形成1:1坡比进行边坡稳定性计算。图5核电站人工边坡剖面岩体含三组结构面网络图。

图5 边坡剖面岩体结构面网络图

以有限元法边坡稳定性分析，用节理单元模型处理时，将岩体结构面几何模型转化为计算模型，具体实现过程在此不再赘言。其中，节理单元接触面法向刚度Kn取岩块的抗剪强度、切向刚度Ks取岩块弹性模量。

在边坡区选取中风化砂岩和泥岩两类岩性发育三组结构面的代表性统计窗1处，统计结果见表4。

表4 结构面统计窗数据统计

同样，用节理岩体损伤模型处理时，也可直接应用有限元法中岩体损伤模型，对灯塔岭人工边坡概化模型处理。将现场量测的结构面抗压强度JCS、结构面粗糙度系数JRC代入式Kni= -7.15+1.75JRC+(JCS/JRC)，可求得结构面法向刚度Kni，再和几何形态要素中节理盘半径统计平均值α一同代入式即可得结构面传压系数Cv，可见表5。

表5 结构面统计窗数据统计

在此基础上，进行损伤张量计算可得到考虑结构面影响传压和传剪系数修正后的整体损伤张量，同时也可得到三个特征值及与之对应的相互垂直的三个特征向量，依此相应折减便可得到稳定性计算时变形参数，结果见表6。

表6 岩体变形参数选取

采用RMR岩体分类对工程地质岩组评分，然后按Hoek-Brown经验方程在给定岩石的单轴抗压强度σc条件下，以不同的σ3计算相应的σm，用一组σ3和σ1m绘制摩尔圆及其包络线，在包络线上截取cm值，并量取φm。此方法即为对岩体抗剪强度的弱化处理，用弱化处理后的岩体抗剪强度和工程经验综合确定稳定性计算时的强度参数。各类岩组计算参数取值见表7。

表7 岩体强度参数选取

4 人工边坡稳定性评价

在某核电站人工边坡稳定性评价中，以有限元法两种不同的模型处理，图6和图7分别为两种模型稳定性分析图。无论是节理单元模型，还是损伤模型都清楚地显示了边坡滑动带。同时，自坡脚起大致圆弧形的一定范围内变形很大，所以节理单元模型位移等值线图在此区域很密集，而损伤模型应力矢量图表示的应力矢量同样也在近圆弧形范围内自坡脚起向外逐渐减小。在岩体边坡稳定性评价中，两种数值计算模型不同之处的最直接体现就是稳定系数大小的差别，这种稳定系数之间大小差别反映到最危险滑动面搜索结果上就是滑动面位置和范围的不同。对于不同滑动面的差异可以解释为是由两种不同数值计算模型本身方法的差异造成，以节理单元模型考虑时只是对整个坡体范围内的结构面进行特殊的单元剖分处理，有限元法计算时可以看作每条结构面和周围岩体建立弹塑性力学方程进行力与位移的计算；而损伤模型对结构面的折减则是建立模型时过渡为对整个坡体范围内岩体强度和变形的折减，所以岩体强度和变形的降低也要在有限元法计算时相应的引起潜在滑动面的“扩展”。

图6 节理单元模型位移分布图

图7 节理岩体损伤模型应力矢量图

事实上，对于考虑受结构面影响的岩体边坡稳定性评价采用有限元法计算时，有限元计算受数值模拟方法限制，文中模拟进行了一定的理想化处理，所以效果相对较好。除了在模拟中参数还有待进一步的探讨外，稳定性评价时的有限元模拟最重要的还是对于当前使用的有限元软件其内部计算核心信息一无所知，正是这种知识上的缺失很大程度上限制了研究的深度，因此，自用有限元软件的开发至关重要，从这一意义上说，对于节理化岩体边坡稳定性研究无论空间还是内容都很广阔，还有很多其涉及到的有意义的工作需要进行。

[1]孙卫军，周维垣.裂隙岩体弹塑性—损伤本构模型[J].岩石力学与工程学报，1990，9(2).

[2]范雷，王亮清，唐辉明.节理岩体结构面产状的动态聚类分析[J].岩土力学，2007，28(11).

[3]贾洪彪，等.岩体结构面三维网络模拟理论与工程应用[M].北京：科学出版社，2008.

[4]凌建明.节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题[J].力学进展，1994，25(2).

[5]杨延毅.节理裂隙岩体损伤—断裂力学模型及其在岩体工程中的应用[D].北京：清华大学，1990.

[6]周维垣，杨延毅.节理岩体力学参数取值研究[J].岩土工程学报，1992，14(5).

[7]李同录，等.节理岩体力学参数的选取与应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(13).

[8]陈征宙，等.岩体节理网络模拟技术研究[J].岩土工程学报，1998，20(1).