某水电站边坡卸荷岩体宏观力学参数反演对比研究

2013-10-21蔡健，刘杰

水力发电 2013年11期

蔡健，刘杰

（1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064）

0 引言

岩体宏观力学参数在有限元计算中占有十分重要的地位，没有正确的力学参数，数值模拟计算结果不能令人信服。由于岩体试验尺寸及现场选点条件的限制，复杂岩体的力学参数很难通过室内外试验直接测得。本文在总结前人研究成果的基础上，基于岩体卸荷原理和分级分区方法的基础上，对某水电站边坡区域进行了合理的划分，并选取具有代表性的区域进行二维与三维参数反演对比分析，最终得到卸荷岩体宏观力学参数，并进一步验证了本文研究方法的精确性和合理性。

1 基本方法

1.1 反演方法

以现场地质调查、材料试验为基础，与数值计算相结合，根据岩体结构面的分布状况、级别及岩体的不同性质，对岩体力学参数采用分区分级计算，最终对整个工程岩体力学参数进行评价。具体计算步骤如下:

（1）根据工程地质勘探成果，对给定的整个工程岩体各个区域分区分块。分区分块主要考虑岩石的类型及强度、风化程度、地应力分布、结构面的产状、间距及连通率、力学参数、地下水情况等。

（2）根据各个区块内所含节理的尺寸，对各区块划分不同尺寸级别，数值模拟计算试块全面、真实地反映其对应岩体的岩性组合和结构特征。

（3）根据每个区块的边界和外荷条件，对各区块内的分级计算试块逐级进行大三轴试验数值模拟，对每个区块的岩体参数进行评定。计算中应模拟区块内每条裂隙、每个层面。对同一区块不同级别计算试块，计算顺序是先小尺寸后大尺寸，先小裂隙后大裂隙。第1级试块内为岩石和小节理裂隙材料，计算参数和本构关系直接采用室内试验成果，通过第1级计算得到试块材料的力学参数。第2级计算试块内含第1级计算试块材料和中等裂隙材料。根据以上方法，依次计算各区块内不同级别的试块，直至计算到该区块最大级别试块，最大试块计算所得的参数就为该区块的力学参数值。

（4）把各区块和大断层及软弱厚层组合在一起，建立整体计算试块，计算得到工程整体的力学参数，对整个工程的岩体进行评价。

1.2 计算公式

在主应力空间中，弹性状态应力、应变关系服从广义虎克定律。在平面应变状态下，应变增量Δε3=0，计算模型在应力增量Δσ1、Δσ2的作用下，通过有限元计算可得到Δε1和Δε2，则可求出泊松比μ、变形模量E。由所求的变形参数，可得到单向应力状态下的应变增量和应力增量之间的关系式。三维有限元分区分级参数模拟同二维有限元，根据广义虎克定律推导出泊松比μ′和变形模量E′计算公式为

2 反演分析

2.1 区块划分

根据边坡岩体的类型及强度、风化程度、剪切破碎带、裂隙及断层的走向和倾向、结构面的间距及连通率、力学参数、地下水情况等因素将边坡划分为不同的区块，选取其中3个区块（2、3号和4号）进行二维、三维参数反演对比分析，其区块划分见图1。

图1 区块划分

（1）第2区块:位于左岸弱下风化层内边坡上，岩性主要为灰白色英安岩，岩体呈镶嵌状、块裂状结构，结构面发育，贯穿性结构面不多见，结构面延展差，多闭合，岩块间嵌合力较好。

（2）第3区块:位于左岸弱上风化层内边坡上，岩性主要为灰白色英安岩，岩体呈镶嵌状、块裂状结构，结构面较发育。

（3）第4区块:位于右岸弱上风化层内边坡上，岩性主要为灰黑色英安岩，岩体呈镶嵌状结构，结构面较发育。

2.2 区块二维参数反演

根据裂隙大小、性质、产状等因素，将第2区块分4级计算。其概化模型试件见图2，初始参数见表1。

在ADINA中建立好宏观力学参数分析模型后，设定材料参数进行计算，运行后处理文件，提取出节点数据，对节点应力、应变进行统计。最后，用岩体初始计算参数计算得到模拟试块的宏观变形参数。第2区块岩体二维宏观参数计算结果见表2。同理，第3、第4区块岩体二维宏观参数计算结果见表3、4。

2.3 区块三维参数反演

三维有限元参数反分析也采用二维参数分析中各区域岩体与破碎带的力学参数作为数值模拟的基本参数，将几种不同的岩体和剪切破碎带断层等组合在一起构成计算试块，并对其进行地质力学参数反分析，计算试块的选定也与三维有限元模型结合起来考虑。进行三维模拟区块断层和结构面过程中，各级区块大小以及结构面的分布和发育状况均与二维模型保持一致，故此处不再赘述。

表1 第2区块岩体的初始参数

图2 第2区块计算概化二维模型

表2 第2区块岩体的宏观参数计算成果

表3 第3区块岩体的宏观参数计算成果

表4 第4区块岩体的宏观参数计算成果

根据裂隙大小，性质，产状等因素，将第2区块分为4级计算。其分级概化模型试件见图3，初始参数见表1。在ADINA中建立好宏观力学参数分析模型后，设定材料参数进行计算，运行后处理文件，提取出节点数据，对节点应力、应变进行统计，最后将统计得到的数据代入公式1、2，计算得到模拟试块的宏观变形参数，计算结果见表5。同理，第3、第4区块岩体三维宏观参数计算结果见表6、7。

图3 第2区块分级计算概化三维模型

表5 第2区块岩体三维宏观参数计算成果

表6 第3区块岩体三维宏观参数计算成果

表7 第4区块岩体三维宏观参数计算成果

2.4 对比分析

3个区块二维与三维模拟计算变形模量、泊松比对比见图4。从图4可以看出，二维和三维模拟裂隙对计算结果的影响程度几乎一致。进行三维模拟时，变形模量的折减幅度比二维模拟略大，趋势基本一致。同样，泊松比的变化趋势基本一致，均随着计算级数的增大而增大，部分存在跳跃现象，其原因可能是:在三维模型中，由于结构面的存在，随着顶面荷载的施加，另外2个侧向临空面中间会出现应变集中凸出，使该面的平均位移增加，即侧向应变增大，故反求得出的泊松比随之减小。