采用强度折减有限元法对某高边坡进行稳定性评价
Qinghui Jiang bull; Zufang Qi bull; Wei Wei bull; Chuangbing Zhou
摘要：锦屏一级水电站坝址位于Yalong江，地质条件复杂。 在拱坝坝肩开挖后，将建造一个高度约530米的陡峭岩石边坡。左坝肩边坡存在巨大的楔形破坏块，对整个工程的施工进度和安全性有重要影响。 为了评估施工期间斜坡的稳定性，采用强度折减有限元法（SRFEM）来模拟大块的渐进破坏。其讨论了判断斜坡失效的标准。所提出的结果表明，在1885米高度以下的拱肩沟坡的开挖将大大降低巨型块的稳定性。剪切阻力隧道的实施有效地提高了大块体的安全系数，保证了左坝肩边坡的稳定性。
关键词：锦屏一级水电站高边坡稳定性强度折减有限元法
引言：锦屏一级水电站位于亚龙河上游，位于中国四川省木里和盐源县之间（图1）。水库正常蓄水位1880米，蓄水量7.76*10-9 m3（成都国家电力勘测设计研究院2003）。该电站的总装机容量为3,600兆瓦，年发电量为166.2*108千瓦时。用于防水的结构是一个双曲拱坝，最大高度为305米，是世界上同类坝中最高的。坝址位于典型的深切V形山谷中，如图2所示。山谷两侧坡高差异达1,500~1700 m，坡度约为 500-900。翻转的三潭向斜是坝址的控制框架，地层走向平行于河流的水流方向。
为了建造305米高的拱坝，左边的桥台是从高程上切下来的2110 - 1580 m，坡度为1:0.5-1:0.3，形成开挖高度530 m的边坡。因为复杂的地质构造过程中，存在出露断层(f5、f8和f42-9)、煌斑岩岩脉X等一些较弱左桥台边坡地质构造面(见图3,4).东西向的一些小断层，与小倾角，是严重地发育于左岸斜坡。除了正常的边坡浅层卸荷裂隙，深部卸荷裂缝广泛发育于左桥台边坡。这些不利的地质构造特征导致边坡稳定性差。地质特征复杂，施工难度大环境、相对海拔差异较大金平一水电站坝址开挖，左桥台边坡的稳定性是如此重要在施工过程中对整个工程的施工进度和安全有着至关重要的影响。因此,有必要对左支台不同开挖阶段的边坡的稳定性进行评价。
极限平衡法(LEM)与有限元法（FEM）通常用于边坡稳定性分析。许多人对它的发展做出了贡献在实际应用中，极限平衡法在理论和计算机编码方面得到了很好的发展。极平衡法被证明是许多民用项目一种简单易行的方法边坡稳定性评价的有效方法。但该方法仍有一定的局限性。例如，岩石的应力和变形不能考虑边坡的质量。此外,在塑性区破坏的演化过程中，极限平衡法无法模拟物体表面。基于强度折减的有限元方法技术可以弥补极限平衡法在边坡稳定性分析的不足，通过逐渐减小剪切量，使所有的滑动面成塑性屈服状态可以得到边坡的安全系数。
本研究采用强度折减有限元法分析了锦屏1号水电站左边坡的稳定性。计算不同的海拔时的安全系数对边坡开挖时的破坏块。以保证左边坡施工中的整体稳定性，三条隧道分别为海拔1883米、1860米、1834米时在左岸的抗剪强度。隧道抗剪性能的影响对提高边坡稳定性也有一定的影响。
图1：锦屏-I水电站的位置
图2:锦屏-I水电站坝址所处的深切割V形谷
图3：左坝肩斜坡的地质平面图（f5，f8，f42-9：断层; X：煌斑岩堤; SL44-1：深裂缝）。 潜在的破坏块由断层f42-9，煌斑岩堤X和深裂缝SL44-1形成。 TPL9，TPL14和TPL22是在FE分析的潜在故障块的边界中设置的三个观察点
图4：左坝肩斜坡II1-II1地质剖面（T22-3z：上三叠统中三叠系Zagunao群的第二层，大理岩.T3 2-3z：Zagunao群的第三层 上中三叠系，砂质板岩.f2，f5，f8，f42-9：断层.X：煌斑岩堤）
左桥台边坡地质特征
坝址左坝肩边坡高陡，边坡岩体地质条件复杂。图3为左侧桥台边坡地质平面图，为开挖布置图。坝址典型地质剖面(II1-II1)如图4所示。边坡基岩为三叠纪中、上统扎古瑙组变质岩(T2-3Z)。可分为绿片岩段t2 - 3z1、大理石段T23Z2和砂质板岩段t2 - 3z3。左岸为典型的反倾坡，顺层倾角为30-45度(图4)，1850 - 1900米以下为大理岩露头，坡度为50-70。变质砂岩和砂质板岩露头出现在1850 - 1900米以上，坡度为40-50。岩石的完整性不是很好。如图4所示，大理岩重卸区水平深度一般为10-20 m，砂质板岩水平深度约为50-90 m。
左斜坡发育了大量的断层，其中向北东向至北东向的断层最为发育，规模较大。方向为N30-50E /SE\ 60-80;断裂带宽度一般为1-3 m，如f5、f8、f2断层和煌斑岩岩脉X(见图3,4)，向东西向走的f42-9断层(东西向EW/S\ 40-60)为第二发育良好的断裂。该边坡岩石主要有三组节理。第一组包括方向为N15-35E、NW\ 30-50的层理接头。第二组具有SN-N30E、SE\ 60-80方向和大于10 m的扩展。第三组方向为N50 - 70E, SE\ 50-70，共延伸5-10米。这些节点大多是刚性结构平面，没有填充。此外，深裂缝在边坡地下广泛发育，深度可达100-200 m，如图4所示。可以看出，坝址处的地质条件极为复杂，导致左坝肩边坡稳定性较差。
根据空间分布和交叉口坝体左坝边坡结构面薄弱的特点，可以得出结论，边坡整体稳定性的主要巨大的潜在破坏控制块体由f42-9断层、煌斑岩岩脉组成X、深裂SL44-1组成。可能的破坏形式是深断裂SL44-1的楔体破坏模式和以断层f42-9为上游边界沿下游边界溜底滑面，煌斑岩岩脉X作为尾端切割面。该巨型区块的总容积约为1.08*106立方米。图3显示了这个巨大块的边界和FE分析观测点分布情况。边坡开挖后，将出现f42-9断层外露在开挖表面的岩石，f5和f8被逐渐移动(图4)会极大地破坏大石块的稳定性。
减少强度有限元分析法
强度降低的原则
为此，建立了强度折减有限元法对边坡稳定性进行评价。强度降低原理是将已知破坏面实际抗剪强度参数C除以强度(K)，然后代入新的剪切量实际抗剪强度的强度参数CR和phi;R有限元计算参数(松井和San 1992)。
为了获得真正的安全系数，强度需要逐渐增加还原因子(K)，直到强度参数CR和phi;R的降低使斜坡进入破坏状态。当时，安全因素因为坡度等于强度折减系数，即F=K .在目前的研究中,使用的有限元法对边坡稳定性评价采用基于莫尔库仑弹塑性模型零膨胀破坏准则的三维分析方法。
边坡破坏
在定义边坡破坏时，可以使用以下标准判断边坡是否达到临界状态:数值不收敛准则;格里菲思塑性屈服区连接准则。数值不收敛准则表示当最大位移或不平衡力的残差值无法满足时所需的收敛条件强度降低，再按当斜率达到时的上一时刻进行计算，为不收敛层。塑性屈服区连接准则是当塑性屈服区从底部连接时边坡在强度降低时向坡顶倾斜边坡失稳。位移突变准则表示边坡表面某些点的位移在强度降低时急剧增加。拐点位移与的关系曲线上的点强度折减系数为当边坡达到破坏状态，并达到相应的强度降阶系数等于边坡的安全系数。
采用数值非收敛准则的前提是所使用的有限元程序必须满足一定条件具有相当高的稳定性。复杂三维边坡的稳定性分析是边坡稳定性分析的一种典型的非线性计算与单元类型、屈服准则、本构模型、收敛性等因素有关精度和方程求解可能影响收敛性对程序，特别是收敛精度和方程求解器对收敛性有重要影响。因此，数值非收敛准则对于判断复杂三维斜率的失效状态是不实际的。在一些经验的帮助下并进行了试验计算，确定了塑性屈服区准则连接可以用来直观判断的范围边坡塑性屈服区。与上述准则相比，位移突变准则为由于其清晰的物理概念和数值计算，在越来越多的实际应用中越来越受欢迎温顺。为了便于比较，这两种塑料屈服区连接准则与位移突变同时采用规范对左台边坡进行稳定性分析。
左侧桥台边坡三维稳定性分析
三维有限元模型及其计算参数
强度折减有限元法用于计算左基台边坡的安全系数。 在有限元分析中，采用具有Mohr-Coulomb破坏准则的弹性 - 完美塑性模型，假设零膨胀。 有限元分析的左邻接斜率模型范围如下：水流（y-）方向长840米，横向（x-）方向距河床中心线向内斜坡宽1,200米， 垂直（z-）方向高1500米（从海拔1,300米到海拔2800米）。三维有限元模型采用六面体等参元素来模拟斜坡的岩体。 各向异性层状元素用于模拟地质构造平面，如煌斑岩岩脉X、断层f2、f5、f8、f42-9、深裂缝sl44 -1、sl44 -9、SL54-1、SL13-SL15、SL18-SL23、SL40-SL42和SL47-SL49。有限元网格节点数为112,143，其中元素的数量是246,507。图5显示了3D FE左桥台边坡模型。根据测量数据与金平谷实际情况相符，初步开挖前边坡的应力为rxxfrac14;握0:021H,ryyfrac14;4:0 0:027H,和rzzfrac14;2:0 0:015H。这里，H是到地面单位为m，应力单位为MPa。
图5：左岸斜坡的三维有限模型
估算岩体的力学参数和结构特征对于边坡的稳定性分析是非常重要的。根据RMR系统，左岸斜坡的岩体首先分为四个等级，即II-V，等级III，IV和V进一步分为III1和III2，IV1和IV2，以及V1和V2。然后，通过选择代表性位置，对所有类型的岩体进行了97点刚性承压板测试。根据试验得到的变形参数，绘制出与不同等级岩体对应的散点图。通过排除相当离散的数据，将点群集段的平均值作为推荐的变形参数。岩体的强度参数和结构特征通过使用大规模直剪的原位测试来确定。进行了50组原位剪切试验，其中27组为岩体试件，23组为不连续试样。根据直剪试验结果，采用主导斜率法确定岩体强度参数和不连续性。 。根据锦屏一级水电站（成都国家电力勘察设计研究院2003）坝基岩体分类推荐值，岩石和不连续面的力学参数分别列于表1和表2。
加固措施
现场地质调查和勘探表明，高边坡浅层和表层岩体中发育了大量小断层和节理。随着斜坡开挖的继续，这些不连续的空间交叉可能形成可能不稳定的块的连续。为了提高潜在不稳定砌块的稳定性，使用岩石锚杆，预应力钢索和预固结灌浆来加固斜坡的浅层和表层岩体。根据极限平衡分析的计算结果，预应力电缆的安装间距为4 9 4 m，每个容量为2,000 kN（成都国家电力勘测设计研究院，2007）。锚固力的最佳趋势是与不连续的交叉线相反的方向。便于钻井和灌浆，电缆安装在水平面下方8。边坡稳定性和变形控制的加固布局如图6所示
图6：浅层和表层岩体的加固布置
图7：巨大块体的破坏面边界和三个抗剪切隧道的布局
为了提高弱结构面的抗剪承载能力，沿着前缘断裂线42-9排列了三条高度为1,883,1,860和1,834米的抗剪力隧道。抗剪力隧道的截面尺寸为9 9 10 m。图7显示了巨大块体的破坏面和三个抗剪切隧道的布局。为防止绕过抗剪隧道形成新的破坏面，在每个抗剪力隧道的两个方向上设置了两个混凝土键槽。键槽的持续性从悬挂壁延伸到断层f42-9的足壁，长度超过20米。键槽的截面尺寸为495m。图8显示了剪切阻力隧道的平面图和1,860米的关键凹槽。剪切阻力隧道和关键槽的铿乴属材料是微膨胀混凝土和一些预埋钢。根据实验室测试，铿乴岭混凝土的材料参数为：变形模量E = 26GPa，泊松比m = 0.2，内摩擦角/ = 45，内聚力C = 1MPa，单位重量c = 27kN / m3
图8：带有混凝土键槽的抗剪切隧道的布局：平面图; b A-A横截面
左桥台边坡稳定性分析
斜坡破坏准则的比较
为了分析不同标准对计算的安全系数的影响，两者都是塑性屈服区连接采用标准和位移变异准则，得到边坡开挖至海拔1,960 m时的边坡安全系数。
三个观察点TPL9，TPL14和TPL22设置在用于FE分析的巨大潜在故障块的边界中（参见图3）。图9显示了在强度降低过程中破坏表面的塑性屈服区的演变。图10显示了观测点的累积位移与强度折减系数之间的关系曲线。从图9中可以看出，破坏面的塑性屈服区随着缩减系数的增加而逐渐发展。当强度折减系数等于1.46时，破坏表面的塑性区域完全连接。因此，根据塑性屈服区连接的标准，我们得到斜率的安全系数为1.46。从图10中，TPL9，TPL14和TPL22的位移与增加的强度减小因子同步增加。当强度折减系数等于1.45时，所有观测点的位移突然增加。因此，可以根据位移变异准则确定斜率的安全系数为1.45。
图9：破坏面塑性屈服区的演变与强度折减系数（阴影区域处于弹性状态）<!-- 全文共7179字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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