锚索支护在某水电站边坡中的FLAC3D数值分析

罗维++刘鹏君++姚建顺

【摘 要】滇西某水电站导流洞在施工开挖工程中，边坡上部岩体会出现多条裂隙，对边坡的稳定性和施工安全性有着一定的影响。本文采用数值模拟对边坡进行了三维建模，植入锚杆加固措施对边坡的整体水平位移和塑形区进行了对比分析。通过数值模拟计算得出锚杆加固对改善边坡的变形有着良好的作用，对后期的施工有着一定的保障。

【关键词】数值模拟；锚杆；边坡加固

FLAC3D numerical analysis of the slope with the anchor rope supporting in a hydropower station

LUO Wei1 LIU Peng-jun1 YAO Jian-shun2

（1.China University of Geosciences， Hubei Wuhan 430074， China；

2.Shanghai investigation. Design & Research institute Co， Ltd. Shanghai 200434， China）

【Abstract】During the excavation of the diversion tunnel in DianXi， in the process of excavation， a number of cracks have been found in the upper slope rock mass， the stability and subsequent excavation of tunnels have been significantly adverse influenced. This paper adopts the numerical simulation was carried out on the slope with 3D modeling， With embedded anchor reinforcement measures， the overall level of slope displacement and plastic zone are analyzed in comparison. Calculated through the numerical simulation of anchor reinforcement to improve the slope deformation has a good effect， has a certain security on the late construction.

【Key words】Numerical simulation； Anchor； Slope reinforcement

0 前沿

随着我国经济社会的发展，为了缓解国家能源需求，我国建设了一批大规模的水利水电工程。这些工程常常处于高山峡谷之中，两侧边坡的稳定性是工程建设者们关注的重要问题。由于传统的极限平衡理论的局限性，使之在计算埋深、岩性、施工方法等对边坡稳定性的影响时显得有些不足。如金云弼等[1]采用块体极限平衡法对水电站泄洪洞口岩石边坡进行了稳定性分析，对其稳定性进行了评价。徐明毅等[2]采用三维刚体极限平衡法对小湾水电站进水口边坡进行了分析，计算了边坡开挖成型后加固和不加固两种情况下的稳定安全系数。20世纪70年代以来随着电子计算机技术的发展和应用，数值模拟方法越来越多的应用到工程计算当中。林正伟等[3]对隧道洞口边坡进行了二维有限元分析，得出了边坡变形和应力的变化规律，对加固效果进行了评价。祁生文等[4]，徐卫亚等[5]应用有限差分软件FLAC3D对洞口边坡在各种工况下的变形状况和稳定性进行了分析。本文利用FLAC3D数值模拟软件对滇西某水电站导流洞施工开挖边坡进行数值模拟分析其变形情况，为边坡的加固处理提供参考。

1 工程地质条件与稳定性现状

1.1 工程地质条件

水电站位于滇西澜沧江河段上，开挖边坡坡顶高程1415.00m，坡底高程1324.00m，边坡高约103.00m，边坡走向N5°E，与岩层走向和层内错动带的夹角小。岩体风化和倾倒变形强烈。边坡总体产状：N5°～10°E、NW∠45°～65°，边坡构造发育，受卸荷、倾倒影响，拉张的顺坡缓倾角节理发育，产状为N10°～20°、WSW∠10°～35°连通率44.3%～53.2%；顺层的层内错动带发育；顺层断层有F133、F137；倾向坡外的缓倾角断层F154。主要的软弱结构面顺层断层及层内错动带的走向与边坡的走向近平行、倾向相反、倾角较陡，倾向坡外的缓倾角节理和缓倾角断层较发育，未开挖前的自然边坡处于基本稳定状态。

1.2 开挖后边坡稳定性

导流隧洞出口明渠段层开挖施工后边坡上1339m～1356m高程出现多条裂缝，其中裂缝宽度在1～5cm之间。对边坡稳定和导流洞后续的施工安全造成不利影响，需要进行加固处理。

2 边坡锚固计算

2.1 计算模型及参数

在边坡上1339m～1356m高程间增加一排长锚索来讨论锚索对边坡变形的影响，计算模型如图1所示，锚索预应力为1000KN，排距4m。计算参数取值如表1所示。

2.2 计算结果及分析

图2（a）～（d）给出了在不增加和增加锚索的情况下开挖完成后边坡水平位移云图和塑性区分布云图。

图1 锚索模型图

Fig.1 Model of anchor cable

表1 锚索力学参数

Tab.1 The mechanical parameters of anchor cable

（a）施加锚索前水平位移 （b）施加锚索后水平位移

（c）施加锚索前塑性区 （d）施加锚索后塑性区

图2 锚索施加前后位移和塑性区图

Fig.2 The horizontal displacement and plastic zones of slope

before and after anchor cables applied本文选择了实际监测过程中水平位移为最大的两个点，即1#导流洞中心线上A点（高程1339m）和2#导流洞中心线上B点（高程1376m）来进行跟踪分析，其具体数值结果如表2所示。

表2 增加锚杆之后边坡水平位移计算结果比较（单位：mm）

Tab.2 Compared of calculation horizontal displacement of slope before and after anchor cables applied

从图2（a）～（d）可以看到，锚索施加前后，边坡的整体水平位移有了一定程度的减小（约2～3mm，约3%左右），且边坡坡体的整体塑性区面积有部分减小，尤其是变形较大的区域面积减小为原来的50%左右，这表明坡面上预应力锚索的施加对坡体的变形有着一定的改善作用。

导流隧洞进口边坡地质条件以强风化强倾倒岩体为主，中薄层状砂板岩组成，而且底部发育的缓倾角断层F154稳定性较差。由数值计算结果可知采用锚索加固对边坡的变形加固能够取得较好的效果，因此导流洞进口边坡采用锚索加固形式，在实际施工中也取得了较好的效果，边坡后期变形得到了有效的控制。

3 结论

本文利用FLAC3D数值模拟软件对水电站导流洞施工对边坡影响进行了分析，得到的主要结论如下：

（1）水电站导流洞施工对边坡的水平位移有着一定的影响。

（2）预应力锚索对改善导流洞边坡坡体的变形（尤其是水平位移）和塑性区作用明显。可以作为该边坡支护加固的主要形式。

【参考文献】

[1]金云弼，崔贤淑，杨春璞，马金波.西藏满拉水利枢纽左岸塌滑体稳定性研究[J]. 工程地质学报，2003，02：197-201.

[2]汪卫明，徐明毅，陈胜宏，邹丽春.小湾拱坝坝肩稳定的弹粘塑性块体理论分析[J].武汉大学学报（工学版），2001，03：42-46.

[3]林正伟，何江达，陈建康.水工隧洞堵头用常规法与有限元法计算的差异[J]. 四川水力发电，2003，02：80-83+110.

[4]祁生文，伍法权，兰恒星.盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2002，03：353-359.

[5]徐卫亚，宋晓晨，周维垣.水电站进水口岩石高边坡及坝坡与洞室相互作用的三维数值分析[J].岩石力学与工程学报，2004，16：2712-2717.

[责任编辑：王楠]