基于ADINA的某水电站开关站边坡稳定性分析

徐 晋，王志刚

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060）

基于ADINA的某水电站开关站边坡稳定性分析

徐 晋，王志刚

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060）

结合实际工程现况，对边坡的岩体稳定性、岩体结构面分级及岩体结构类型的划分等进行了综合分析；运用有限元软件ADINA建立了三维弹塑性有限元模型，动态模拟边坡的开挖加固过程，并就三种工况下的边坡稳定性予以讨论，模拟了加固过程；最后对边坡稳定性进行定量分析。

边坡；稳定性；有限元软件ADINA，锚固；水电站

1　有限元ADINA软件简介

有限单元法是20世纪50年代之后随着计算机的广泛应用而发展起来的一种数值模拟计算方法。由于有限单元法的通用性和灵活性，适用于具有不规则几何图形和边界条件比较复杂的连续介质问题，而这些问题用古典的或常规的分析方法在以往是很难解答的，因此有限单元法的发展极为迅速，并且在各向异性、非线性及与时间有关的材料等方面有着独到之处。

2　工程地质基本情况

2.1地层岩性

开关站位于大理岩形成的层面坡上，自然坡度约35°～40°。上游侧分布有厚约0～0.5 m的坡残积堆积，植被较多。基岩岩性为深灰色中厚～厚层状大理岩、条带状大理岩，夹绿片岩透镜体，总体产状N20°～40°E，NW∠30°～40°。除f13断层从开关站后缘高程通过，以N50°E，SE∠70°产状往山里延伸外，断层、层间挤压破碎带不发育。前期地质调查和勘探揭示，场区自然岸坡中未发现变形迹象，自然岸坡整体稳定。图1为开关站剖面布置图，表1为岩体及结构面强度参数。

2.2滑动面确定

开挖边坡中对开挖坡稳定起控制作用的主要结构面包括层间挤压破碎带、风化的绿片岩夹层、层面裂隙、浅表部的NE向卸荷裂隙。以层面裂隙或风化绿片岩夹层或层间挤压破碎带为底滑面，在此底滑面的不同位置作相互平行的陡倾节理（倾向和倾角固定）作为后缘滑面，然后验算不同组合滑面的安全系数，得到最小安全系数的滑面。

图1　开关站剖面布置图

表1　岩体及结构面强度参数

3　边坡稳定性分析

3.1模型的建立［2］

（1）材料模型：岩体和断层均采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，预应力锚索采用双线性弹塑性本构。

（2）荷载条件：主要有地应力场、重力，同时考虑三种工况（正常工况、暴雨工况、地震工况）。

（3）边界条件：平行边坡走向界、垂直边坡走向界和底部边界分别取法向支座约束。

（4）单元类型：岩体和断层采用三维四面体四节点的实体单元模拟，预应力锚索采用truss单元模拟。

3.2动态应力变形分析

3.2.1初始应力场分析

由于边坡开挖量不大，且处于边坡浅表卸荷松弛区，这种处理对结果影响相对较小，因而采用自重应力场来模拟初始应力是合理的。本文着重分析剖面（见图2）。

图2　剖面初始有效应力分布图

边坡在天然状态下的初始地应力场符合一般初始应力场分布规律：地应力分布以垂直向分布为主，从地表向岩层深部竖向应力σz逐步增大，同时接近坡面处的最大主应力方向和坡面平行，最小主应力方向和坡面垂直。从图2可以看出，由于断层f13的作用，上下两盘的应力分布呈现不连续状态，断层带处的应力较小，两侧应力较大，断层带附近部分区域有应力集中现象。

3.2.2应力计算分析图

边坡开挖过程中有效应力云图和压应力云图分别如图3、图4所示。

图3　第一步开挖下有效应力分布图

图4　第三步开挖下压应力分布图

（1）坡体在开挖时，其内部有效应力分布变化不大，在开挖面上存在略微减小，而在断层f13附近应力出现明显的界限，破坏了其连续性。

（2）施工工序采用逐层开挖，坡体表面近似处于低拉应力状态。在开挖过程中，出现了拉应力，大小约为0.14 MPa。同时，边坡开挖表面形成的拉应力区大多分布在开挖表面上缘及坡角，可能在施工过程中引起边坡浅表局部破坏，需加强监测。

3.2.3位移变形分析

分析边坡的1-1剖面在3种工况（天然工况﹑暴雨工况﹑地震工况）下的位移变化（见图5～图8）。

图5　第二步开挖下水平向位移图（天然工况）

图6　第三步开挖下水平向位移图（天然工况）

图7　第三步开挖下水平向位移图（暴雨工况）

图8　第三步开挖下水平向位移图（地震工况）

在开挖过程中最大变形出现的位置及量值见表2。

表2　坡体开挖过程中水平方向最大位移出现位置及量值

（1）开挖过程中边坡水平向位移随开挖工程的进行出现了增加的变化趋势，这主要是由于临空面的产生导致了边坡向临空方向产生位移。在开挖过程中，需要对其进行锚固监测。

（2）从变形在不同工况下的值来看：在天然工况下，最大水平方向位移量为1.563 cm；在暴雨工况下，最大水平方向位移量为1.689 cm；在地震工况下，最大水平方向位移量为1.839 cm。表3为各种工况下边坡坡面最大水平方向位移。

表3　各种工况下边坡坡面最大水平方向位移

4　边坡加固方案

开挖加固方案为：采取以预应力锚索及锚杆支护措施和边坡截、排水为主的方法。其中采用预应力锚索为2 000 kN，锚索深20～60 m，排间距5.0 m×5.0 m，梅花形长短交错布置，锚固方向为垂直坡面。在一级边坡安装4根锚索，二级边坡安装7根锚索[3]。

5　边坡加固后稳定性分析

边坡在预应力锚索加固过程中的位置剖面图、水平方向位移云图、压应力云图如图9～图12所示。

图9　1-1剖面预应力锚索图

图10　第三步开挖加固后水平方向位移分布

图11　第二步开挖加固后压应力分布图

图12　第三步开挖加固后压应力分布图

从图9～图12及表4可以得出以下结论。

（1）边坡开挖加固后的位移变化特征

在支护条件下，边坡每步开挖加固后水平方向位移分量的量值可见表4。

表4　1-1剖面开挖加固后边坡坡面最大水平方向位移

（2）边坡的应力分布特征

在预应力锚索加固条件下，边坡应力变化不大，相比无支护工况，压应力有所增加，应力集中现象也有所改善，并且在第三步开挖后出现的拉应力区已基本消失，限制了裂隙的发展，各加固状态下相应开挖坡面的塑性区分布，增强了岩体的整体稳定性。

6　整体稳定性评价

（1）在本次有限元模型计算中，层间挤压错动带、风化的绿片岩夹层未考虑在内，同时对部分节理裂隙进行了概化，与实际地质条件并不完全一致，计算结果与实际情况存在一定的出入，但基本能反应开挖边坡的应力场、位移场及边坡稳定状况。通过三维有限元模拟计算在自重应力作用下的天然边坡可知，初始应力场分布符合一般的应力分布规律，整体应力变形场稳定，边坡整体稳定性较好，对边坡开挖施工影响不大[4]。

（2）边坡开挖之后，应力重新调整，在开挖面坡脚出现局部应力集中，且岩体拉应力区主要出现在各级边坡的中上部和各级马道部位，可能引起边坡浅表局部破坏，但开挖边坡的整体位移相对整个边坡来说比较小。

（3）对边坡提出如下加固措施：边坡开挖形成的临空面宜采用大量的锚索进行支护；考虑到施工及风化卸荷等因素的影响，不排除浅层破坏的可能，所以有必要加强坡面浅层防护，如坡面设计短锚杆及坡面喷射混凝土。

[1]孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社，1988.

[2]亚得科技有限公司.ADINA在土木交通工程中的应用[Z].北京：亚得科技有限公司，2004.

[3]谢建清，夏如伯.节理岩体中锚索加固作用分析[J].探矿工程，1998（3）：12-14.

[4]张永兴.边坡工程—理论与实践最新发展[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

U417.1

B

1009-7716（2016）04-0185-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.057

2016-01-11

徐晋 (1985-),男,吉林磐石人，工程师，从事岩土工程勘察工作。