GTS在边坡动态施工设计中的运用

郭 波 路 娟

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地质工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

GTS在边坡动态施工设计中的运用

郭 波1路 娟2

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.云南省地质工程第二勘察院，云南 昆明 650051)

以某电站厂房后缘边坡开挖为工程依托，介绍了该厂房的地质水文条件，利用GTS软件建立了边坡的模型，并模拟了边坡开挖的施工步骤，对各施工步骤下的边坡稳定情况进行了分析，为边坡开挖支护提供了依据。

边坡开挖，GTS，稳定性，应力，等值线

各个工程行业中如交通、水利水电等都涉及到边坡的稳定性问题，工程设计往往考虑边坡的几个工况下的安全稳定问题，具体施工由施工单位进行施工方案设计，不同的施工方案对工程地质体也是有影响的，而且施工方案也受各种因素的影响，施工后的坡体有时可能与预计的相差较大，设计方根据实际开挖情况评价工程地质体的稳定性，修改设计支护方案，需花费较长时间，实效性差。若不重新计算评价工程地质体，施工方一般根据边坡的情况进行动态支护，这种方式可能造成支护过度或支护不足的情况，工程的经济性及安全性都得不到保障。GTS数值模拟软件可以进行施工阶段的模拟，不需要重复建模，对不同的施工阶段及施工步骤都可以进行模拟计算，对边坡的稳定性起到了一个预警作用，对边坡的支护设计起到了指导作用。下文将以某电站的厂房后缘边坡开挖为例，说明GTS软件在边坡开挖支护设计过程中的指导作用。

1 工程实例

1.1 工程概况

电站厂房采用地面厂房，横向长约100 m，纵向宽约42 m，最大开挖深度约67 m，建基面高程约108.50 m。边坡为电站厂房的后缘边坡，边坡总体高63.5 m，厂房基坑底高程为108.5 m，分为6级边坡，底部两级边坡坡高分别为7.5 m和13.5 m，平台宽为16.0 m，坡比为1∶0.5和1∶0.75，上部四级坡高为5.0 m，平台宽为2.5 m，坡比为1∶0.5。

1.2 厂房工程地质条件

1)地形地貌。厂址区位于左岸RCC重力坝坝后近河边的山坡上，山坡地形总体较缓，自然坡度一般为5°～15°，但靠河边地形多较陡，部分为基岩陡壁。2)地层岩性。厂区多基岩出露，覆盖层较薄，可忽略不计。出露的基岩为全～强风化及部分弱风化的千枚岩，岩层产状为N35°～40°E,SE∠75°～90°。岩层走向与厂房纵轴线呈85°相交，为逆向坡。3)地质构造。该地区无大的地质构造，仅节理较发育。主要发育的节理有三组：a.层节理，延伸一般较长；b.近垂直于层节理的节理(基本顺河向)，主要产状N50°～65°W,NE∠80°～90°,少量陡倾向SW，发育间距一般0.3 m～1.5 m不等，可见延伸长一般1 m～3 m，部分较长；c.近水平向的缓倾角节理，略倾NE向或SW向，主要产状N20°～35°W,NE∠10°～20°或SW∠10°～25°，其在地表的发育间距一般0.2 m～0.6 m，延伸较短，一般0.5 m～2.0 m，并根据钻孔资料，该组节理在该部位的强～弱风化的基岩中多见发育，在微风化及新鲜岩体中发育较少。节理面多平直粗糙，部分充填有石英和岩屑。4)物理地质现象。厂址区基岩全风化层下限埋深一般为0 m～5.4 m；强风化层下限埋深一般为2.2 m～12 m；弱风化层下限埋深一般为7.3 m～16.80 m；以下为微风化～新鲜岩体。其中，全风化岩体呈散体结构；强风化岩体以碎裂结构为主；弱风化岩体多呈互层～中厚层状结构，局部为薄层及厚层状结构，RQD值为25.6%～67.1%；微风化及新鲜岩体多呈中厚层状结构，局部夹薄层～互层状结构，RQD值为49.3%～91%。岩体主要卸荷界限基本沿弱风化下限。5)水文地质条件。该区地下水主要为基岩裂隙水，水位埋深一般4 m～14.50 m不等，总体埋深较浅。厂房段弱风化及微风化～新鲜岩体透水率多小于4.4Lu，多属于弱～微透水岩体。

2 工程地质体模型及计算参数

2.1 边坡模型的建立

厂房的后缘边坡较高，采用厂房的纵轴线剖面建立模型，为简化建模的复杂性，边坡模型对岩体的节理、构造等不进行建模，而在本构模型的选取中给予考虑。边坡范围内均为千枚岩，岩层产状与剖面大角度相交，且岩体内地下水稳定，渗流系数小，不考虑地下水渗流情况，水对岩体的影响仅在岩石的重度中体现。模型中包括冲积层、各个风化层岩体，边坡原始部分和挖出的部分。边坡体主要由千枚岩组成，为岩质逆向边坡，岩体较坚硬，故将坡体简化成理想的弹塑性材料，计算模型选取摩尔—库仑准则[1]。受开挖影响，边坡稳定性分析主要集中在表部岩体，边坡网格划分时，对边坡表部岩体进行细网格划分，对深部岩体进行粗网格划分。模型计算时受荷载及边界条件影响，对计算模型荷载进行简化处理，荷载简化为主要为自重；边界上限制节点向厂房的上、下游位移，计算范围的底部边界岩体单元节点采用固定约束。厂房地质剖面图及厂房网格划分图见图1和图2。水平方向为X轴方向，竖直方向为Y轴，垂直于剖面为Z轴方向。

2.2 参数的选取

模型计算的参数主要依据为室内试验和现场原位测试的成果，计算所用的力学参数见表1。

表1 模型计算参数取值

3 施工步骤的模拟计算结果及分析

3.1 边坡的应力场特征

自重应力在边坡应力场中起主导作用，随着边坡的逐步开挖，边坡的应力场发生改变。边坡初始应力状态下(见图3)，最大主应力分布大致与坡面平行，随着埋深的加大，最大主应力值逐渐增大，最大主应力值为1.1 MPa～5 268 MPa，小值位于边坡表面处，大值位于埋深较大的微风化基岩。最大主应力方向，边坡浅部的水平方向逐渐变化为边坡表部的竖直方向，边坡坡脚处主要为顺Z轴方向。深部基岩处的最大主应力为顺Z轴方向，边坡坡脚处的深部基岩主要为顺X轴方向；开挖到第7步(见图4)，边坡的应力状态改变较大，边坡的最大主应力分布随开挖边坡改变而改变，大部分与坡面平行，在开挖边坡中部出现了应力集中现象，最大主应力值为1.47 MPa～4 759 MPa，小值位于开挖边坡较缓处，大值位于深度基岩处。最大主应力方向，边坡浅部的最大主应力由顺X轴方向逐渐变为垂直于开挖坡面，深度基岩处为顺Z轴方向，边坡坡脚处的深部基岩顺X轴方向逐渐向边坡X轴负方向转移。其余开挖步骤中的最大主应力状态位于上述两种状态之间。

3.2 边坡位移特征

从边坡的开挖位移等值线图可以得出，边坡随着开挖的步骤，位移的主要表现为开挖面的卸荷回弹(见图5～图9)。图5是边坡开挖1位移等值线图，显示最大位移发生在开挖边坡的坡脚处，最大位移值为0.26 cm。图6显示开挖2的最大位移发生在开挖边坡坡面及边坡坡脚处，最大位移值为0.5 cm。图7显示开挖3的最大位移发生在开挖边坡坡脚附近的平台上，最大位移值为0.84 cm。开挖4、开挖5和开挖6的最大位移发生的位置均位于边坡坡脚处的平台上，与开挖3类似，最大位移值分别为1.18 cm,1.48 cm和1.72 cm。开挖7的最大位移发生在开挖坡面及坡底平台处，最大位移值为1.84 cm。

从等值线图中可以看出随着开挖的进行，卸荷回弹量最大的地方在开挖坡脚及平台部位，其中开挖2和开挖7步骤下的开挖面坡面也出现了较大的卸荷回弹，随着开挖深度的增加，卸荷回弹量逐渐增大。 利用强度折减法对各个开挖步骤的边坡稳定性进行分析，其安全系数均为4，边坡状态为稳定。

4 结语

1)该厂房后缘边坡岩体工程地质条件较好，大部分基岩出露，风化较浅，岩体完整性较好，且在弱风化及微新岩体中进行了现场原位试验，其模拟参数取值与实际试验值相符，模拟计算结果对工程具有实际指导作用。2)边坡开挖后，开挖面及其下部的坡体内的最大主应力大部分由平行于坡面转变为垂直于坡面，且在坡脚及少量坡体中部产生了应力集中现象，但坡体本身由较好岩体组成，在应力集中部位未出现边坡局部破坏情况。3)随着开挖的进行，开挖边坡的坡脚及坡脚附近的平台处卸荷回弹较其他部位较大。随着开挖高程的降低，卸荷回弹量逐渐增大。尤其在进行开挖2和开挖7步骤时，开挖坡面也出现了较大回弹位移，在设计支护时应引起重视。4)模拟计算是采用的二维模拟，实际坡体存在不利结构面组合，可能产生局部顺不利组合面的掉块或失稳情况，但边坡总体较稳定，不存在较大规模的开挖边坡失稳现象。

[1] 陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，2001.

The application of GTS in side slope dynamic design and construction

Guo Bo1Lu Juan2

(1.KunmingSurveyDesignResearchInstituteLimitedCompany,ChinaElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China;2.YunnanGeologicalEngineeringSecondExplorationInstitute,Kunming650051,China)

Based on trailing edge side slope excavation project of a powerhouse slope excavation, this paper introduced the geological and hydrology conditions of this building, set up the slope model using GTS software, and simulated the construction procedures of side slope excavation, analyzed the side slope stability of each construction step, provided basis for side slope supporting.

side slope excavation, GTS, stability, stress, isoline

2014-11-24

郭 波(1982- )，男，工程师； 路 娟(1984- )，女，工程师

1009-6825(2015)04-0078-02

TU413.62

A