摘 要：運(yùn)用波前法進(jìn)行有限元法求解，對向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了三維非線性有限元計算分析，對其穩(wěn)定性進(jìn)行安全評價，并提出相應(yīng)的邊坡加固措施。
關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定 邊坡開挖 有限元法 邊界條件 邊坡加固
一、前言
邊坡穩(wěn)定與否在土木工程中是一個非常重要的問題。在開挖的過程中，由于邊坡結(jié)構(gòu)的改變而使其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，常常會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。因此預(yù)先做好邊坡的穩(wěn)定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進(jìn)行的保證。本文以向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡為例，通過三維非線性有限元計算分析，對進(jìn)水口邊坡的整體穩(wěn)定進(jìn)行安全評價，并提出邊坡加固的工程處理措施。
二、邊坡開挖方式和分析方法
向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡開挖方式為分層開挖、逐層開挖逐層加固。
計算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號時先對非開挖單元進(jìn)行編號，然后是后開挖的單元，最后才是最先開挖的單元。這樣就保證了在分析每步開挖后的巖體結(jié)構(gòu)時，剩下單元和結(jié)點的編號仍然是連續(xù)的，且和初始單元和結(jié)點編號一致。
三、計算工況及荷載組合
本次研究分別對施工期、運(yùn)行期等多種工況進(jìn)行計算。計算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫蓄水）、巖體自重、地震荷載、巖錨荷載以及地應(yīng)力作用等，用A1-A6表示。
2.工況2
在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，水荷載作用在進(jìn)水口邊坡巖體上產(chǎn)生的變形和應(yīng)力分布如下所述：
（1）位移計算成果
進(jìn)水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開挖時減少2.76mm.進(jìn)水口邊坡坡面上位移的變化量要小于底板，最大僅在1mm左右。邊坡上的最大位移值為9.15mm.
（2）應(yīng)力計算成果
邊坡坡面上巖體的應(yīng)力變化較小，坡腳的應(yīng)力變化也只有0.5MPa左右。應(yīng)力分布規(guī)律基本與工況1相同。
3.工況3
工況3是在工況2的基礎(chǔ)上不考慮地震荷載時對進(jìn)水口邊坡進(jìn)行計算分析，并將其計算結(jié)果與工況2進(jìn)行對比分析。
位移結(jié)果顯示，在不考慮地震荷載時，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運(yùn)行期考慮地震荷載時的最大位移9.15mm.進(jìn)水口底板處的最大位移略有加大，為17.634mm，工況2下為17.318mm，是由該處位移Y方向分量與地震荷載方向相反所致。就整個進(jìn)水口邊坡坡面的位移變化趨勢來看，位移的變化主要出現(xiàn)在地震荷載所加的方向上，進(jìn)水口邊坡坡面巖體位移表現(xiàn)為Y方向位移分量較考慮地震荷載時要小。
從拉應(yīng)力的分布形態(tài)來看，當(dāng)運(yùn)行期不考慮地震荷載時，最大拉應(yīng)力依然出現(xiàn)在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時邊坡坡面巖體出現(xiàn)的拉應(yīng)力要有所減小。計算結(jié)果表明，地震荷載對進(jìn)水口邊坡的安全系數(shù)有一定的不利影響，但是從數(shù)值變化來看，影響不是很大。
4.工況4
工況4是在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，計算分析滲流作用對進(jìn)水口邊坡巖體位移變形和應(yīng)力分布的影響，并計算運(yùn)行期間水位從正常蓄水位驟降至死水位時對邊坡位移、穩(wěn)定的影響。
根據(jù)有限元計算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場作用下邊坡巖體上產(chǎn)生的位移方向與邊坡開挖產(chǎn)生的位移方向相反，對邊坡的影響是有利的。
而當(dāng)水位從正常蓄水位驟降至死水位時，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不是很大，但是由于巖體里面的水不能及時排除出，一方面使邊坡巖體的容重增大，增加了巖體的下滑力；另一方面，裂隙中水流所產(chǎn)生的靜水和動水壓力對節(jié)理較發(fā)育邊坡巖體的塊體穩(wěn)定威脅較大。
5.工況5
本工況為正常運(yùn)行期進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析，考慮的荷載有地應(yīng)力、重力、水荷載、錨固荷載等。計算結(jié)果顯示，考慮錨固和水荷載時，進(jìn)水口邊坡坡面上最大位移為7.42mm，較工況3的7.88mm少了0.46mm，而坡面上位移平均減少1mm左右。進(jìn)水口底板回彈位移最大值為17.68mm，與工況3的17.634mm基本一致。
從拉應(yīng)力的分布形態(tài)來看，邊坡坡面巖體上沒有出現(xiàn)1.2Mpa以上的較大拉應(yīng)力。由于錨固的作用，拉應(yīng)力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現(xiàn)的拉應(yīng)力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應(yīng)力為1.18Mpa，依然出現(xiàn)在軟弱夾層處。
綜上所述，進(jìn)水口邊坡在正常運(yùn)行期內(nèi)，具有良好的整體穩(wěn)定性。
六、有限元計算結(jié)果分析
根據(jù)計算成果，對向家壩地下廠房進(jìn)水口邊坡的變形特點和應(yīng)力分布規(guī)律作如下總結(jié)：
（1） 在施工開挖時，進(jìn)水口邊坡坡面變形表現(xiàn)為開挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm.整個進(jìn)水口邊坡開挖區(qū)域位移變形最大的位置在進(jìn)水口底板處，其最大位移值達(dá)到20.08mm.
（2） 進(jìn)水口邊坡坡面的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，在軟弱夾層處出現(xiàn)0.85-1.08MPa的較大拉應(yīng)力，在其它部位拉應(yīng)力很小甚至不出現(xiàn)拉應(yīng)力。在軟弱夾層附近出現(xiàn)較大拉應(yīng)力的區(qū)域應(yīng)及時進(jìn)行加固，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。
（3） 在向家壩進(jìn)水口邊坡開挖和加固過程中，沒有過大的拉應(yīng)力和塑性變形區(qū)。進(jìn)水口邊坡大多數(shù)區(qū)域處于壓應(yīng)力狀態(tài)，僅在邊坡馬道局部出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力區(qū)，邊坡開挖卸荷顯著的深度為3-8米。說明向家壩進(jìn)水口邊坡開挖是穩(wěn)定的，其開挖加固順序是合理的。
七、進(jìn)水口邊坡處理措施
有限元法分析計算的結(jié)果表明，在考慮了邊坡開挖、因施工爆破等可能造成的節(jié)理裂隙或卸荷裂隙貫通、持續(xù)暴雨或水庫水位驟降等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩(wěn)定是有保證的。但在開挖過程中，邊坡局部受地質(zhì)優(yōu)勢面、層面切割形成不利的塊體組合，也可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)。
根據(jù)計算分析的結(jié)果和已建工程的實踐經(jīng)驗，進(jìn)水口邊坡采取了以下工程處理措施來保證邊坡運(yùn)行的安全：
a） 邊坡
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開挖時采用先進(jìn)的控制爆破技術(shù)。
b） 開挖邊坡周邊設(shè)置截水溝。開挖邊坡高程383m以上，按照排、間距3m×3m梅花形布置帶反濾層的排水孔。在T33巖層范圍設(shè)置兩層排水廊道。
c） 清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開挖邊坡高程380m以下，設(shè)置系統(tǒng)錨桿Ф28@2.5 m×2.5m， L=8m，噴混凝土δ＝15cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@200mm；高程380m以上設(shè)置系統(tǒng)錨桿Ф28@2 m×2m， L=8m，噴混凝土δ＝20cm，掛鋼筋網(wǎng)φ8@250mm.
d）右岸進(jìn)水口邊坡涉及有煤層開采的區(qū)域或巖體較破碎的設(shè)置區(qū)域網(wǎng)格梁，煤洞范圍采取局部回填混凝土的措施，回填范圍約10m～20m，同時布置帶反濾層的排水孔，采取合理的排水和防滲措施。在T33巖層范圍的各級馬道設(shè)置2000KN的預(yù)應(yīng)力錨索。
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