Bull Eng Geol Environ (2015) 74:1153–1162 DOI 10.1007/s10064-014-0698-1
原创论文
高边坡强度减量有限元法稳定性评价
Qinghui Jiang bull; Zufang Qi bull; Wei Wei bull;
Chuangbing Zhou
接收时间: 2014年5月30日/接收: 2014年10月15日/在线发布: 2014年10月28日
copy;出版社柏林海德堡2014
摘要
锦屏-I 水电站坝址位于雅砻江，地质条件复杂。在拱坝桥台开挖后，将建造一个高约530米的陡峭岩石边坡。左岸边坡存在一个巨大的楔块，对整个工程的施工进度和安全性具有重要影响。为了评估边坡在施工过程中的稳定性，采用强度折减有限元法（SRFEM）来模拟大块的渐进破坏。用于判断斜坡的故障准则为SRFEM讨论。所提出的SRFEM结果表明，在1885米高程以下的拱肩坡度开挖会大幅度恶化巨块的稳定性。抗剪隧道的实施，有效地增加了大块体的安全系数，保证了左坝肩边坡的稳定。
关键词 锦屏一级水电站、高岩石坡、稳定性、减少力量、有限元法
Q. Jiang (amp;) C. Zhou
·
南昌大学土木工程与建筑学院, 南昌 330031, 中华人民共和国
电子邮件: jqh1972@aliyun.com jqh1972@aliyun
Q. Jiang Z. Qi W. Wei C. Zhou
· · ·
武汉大学土木工程学院, 中华人民共和国武汉430072
介绍
锦屏一级水电站位于雅砻江上游，在四川的木里县和盐源县之间中国省（图1）。水库的正常水位为1880米，库容量为（成都勘测研究所国家电力设计2003）。该电站的装机总容量为3600兆瓦，年发电量为千瓦时。用于保水的结构是双曲拱坝，最大高度305米，是世界上同类型中最高的一座。该坝址位于典型的深切V形谷中，如图2所示。山谷两侧坡高差异达，坡度约为。被推翻的桑坦向斜线是坝址的控制框架，地层的走向与河流的水流方向平行。
为了建造305米高的拱坝，左岸基岩从1,101-1,580米的高程处以1：0.5-1：0.3的坡度切割，形成了530米高的开挖边坡。由于地质和构造过程复杂，在左坝肩斜坡出现断层（f5，f8和f42-9），煌斑岩X以及其他一些弱的地质构造面（见图3,4）。EW方向的一些小断层，倾斜度适中且轻微，在左岸坡度发育较为严重。除了斜坡浅表区的正常卸荷裂缝外，左岸斜坡部分深部卸荷裂缝发育较为广泛。这些不利的地质构造特征导致边坡的稳定条件较差。由于地质特征复杂，施工环境复杂，锦屏一级水电站坝址开挖的相对
N
Scale 0 100 200 300km
Beijing
图. 1 锦屏一级水电站选址
Yangtze River
Jinping-I Hydropower Station
高差较大，左岸边坡非常重要，施工过程中的稳定性对整个工程的施工进度和安全性有着至关重要的影响。因此，有必要对
不同开挖阶段的左岸边坡稳定性进行评估。通常采用极限平衡法（LEM）和有限元法（FEM）进行边坡稳定性分析。
图. 2 锦屏-I 水电站坝址区深部 V 形河谷
N62°42#39;59'W
1- 1
0 100m
X
Original topography
After excavation
Deep crack zone
1885m
1780m
Sandy slate (T2-3Z )
3
1640m
Marble (T2-3Z2)
图. 4 左坝肩斜坡的 II1-II1 地质剖面 (T2 2-3z: 上至中3三叠纪系统杂谷脑组第二层, 大理石。T2—3z: 杂谷脑组的第三层, 上至中三叠统体系, 沙石板。f2、f5、f8、f42-9: 故障。X: 煌斑岩脉堤)
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）。 潜在的失效区块由断层f42-9，煌斑岩岩体X和深部裂缝SL44-1组成。 TPL9，TPL14和TPL22是三个观察点，设置在潜在故障块的边界以进行有限元分析
随着许多人对其开发和应用作出贡献, LEM 在理论和计算机编码方面都有很好的发展 (Bishop 1955;
Morgenstern and Price 1965; Chen and Morgenstern 1983; Hungr et al. 1989; Lam and Fredlund 1993; Duncan 1996; Chen et al. 2001; Huang et al. 2002; Cheng and Yip 2007; Zheng 2009; Sun et al. 2012; Jiang et al. 2013). 极限平衡法是许多民用工程边坡稳定评价的一种简单有效的方法。但这种方法还是有一些局限性的。例如, 不能考虑边坡岩体的应力和变形。此外, 失效表面塑性区的演化过程也不能用 LEM 模拟。基于强度约简技术的有限元法可以弥补 LEM 在边坡稳定性分析中的局限性。(Griffiths and Lane 1999; Dawson et al. 1999; Zheng et al. 2005; Griffiths and Marquez 2007; Cheng et al. 2007). 通过逐步降低剪切强度参数, 使所有滑动面变为塑性屈服状态, 可获得边坡安全系数。
本研究采用强度折减法有限元法对锦屏一级水电站左岸边坡的稳定性进行了分析。在边坡开挖到不同海拔高度时, 计算出巨大的潜在破坏块的安全系数。 为保证在施工期间左岸坝肩边坡整体稳定, 在左岸斜坡上设置
了三条抗剪隧洞, 海拔分别为1883、1860、1834米。
分析了抗剪隧洞对提高边坡稳定性的作用。
T坝体左坝肩边坡高度陡峭, 边坡的地质条件十分复杂。图3显示了基坑开挖布置的左坝肩边坡的地质规划观。图4显示了大坝 II1-II1 的典型地质剖面。 斜坡基岩由属于三叠系中段Zagunao组和上段（T2-3Z）的偏晶型组成。 它可以分为三个片段：绿片岩片段T2-3Z1，大理岩片段T2-3Z2和砂岩片岩片段T2-3Z3。 左岸为非典型的反倾斜斜坡，倾斜角度为30-45（见图4）。大理岩下露出18501900米，坡度为5070。变质砂岩和砂岩板岩露头出露海拔18501900米，坡度4050。 岩石的完整性不是很好。 如图4所示，大理石大面积卸载区的水平深度一般为10-20米，沙质板岩的深度为50-90米。
左斜坡发育大量断层，NE向NNE发育最为发育，规模较大。方向为N30-50E /SE\60-80;其断裂带宽度一般为13m，如f5，f8，f2断层和煌斑岩岩体X（见图3,4）。那些发生在NE向EW的断层，如f42-9断层（方向EW/S\40-60）是第二个发育良好的断层。这个斜坡的岩石中有三组主要的接头。第一套包括方向N15-35E，NW\30-50的垫层接缝。第二组的方位为SN-N30E，SE\60-80，延伸大于10米。第三组的方向为N50-70E，SE\50-70，共同延伸5-10米。大多数这些关节是没有填充的刚性结构平面。另外，如图4所示，深部裂缝在斜坡的地下部分已经广泛发展，甚至深达100-200米。可以观察到坝址的地质条件非常复杂，这导致了左岸桥基边坡稳定性差. 根据大坝左岸边坡软弱结构面特征的空间分布和交叉点, 可以得出结论: 边坡整体稳定主要受巨大的潜在破坏块控制, 由断层 f42-9、煌斑岩脉堤 X、深裂 SL44-1
可能的破坏模式是深部断裂 SL44-1 作为上游边界的楔形破坏模式, 断层f42-9作为下游边界和底滑动面, rophyre 堤 X 充当尾端切削面。
大区块的总容积约为 1.08 9 106 m3。图3显示了大块的边界和有限元分析观测点的分布。边坡开挖后, 断层 f42-9 将暴露在开挖面上, 断层 f5 和 f8 的岩体逐渐消除 (图 4)。这将极大地恶化大街区的稳定。
强度折减有限元
强度折减原理
针对边坡稳定性评价, 研制了强度减量有限元法。强度约简原理是将已知破坏面的实际剪切强度参数c和/与强度还原因子(K)分开, 然后用新的抗剪强度参数CR和R代替有限元法中的实际剪切强度参数。alculations (松井和 San 1992)
,
为了获得一个真正的安全系数, 强度降低系数 (K) 需要逐步增加, 直到减少强度参数 (CR 和/R) 使斜坡的破坏状态。在当时, 边坡的安全因素等于强度降低因子, 即 F frac14; K。在本研究中, 用于边坡稳定性评估的 FE 程序采用3D 分析的弹性-完美塑性模型, Mohr–Coulomb 失效准则假设为零膨胀。
斜坡失效
在定义斜率失效时, 可以使用以下标准来判断斜率是否到达临界状态: 数值非收敛判据(Ugai 1989; Griffiths and Lane 1999), 塑性屈服区连接判据 (Luan et al. 2003; Deng et al. 2004; Zheng et al. 2008), 和位移变异判据(Zhao et al. 2003; Zheng et al. 2006). 数值非收敛准则是指在强度降低过程中, 当最大不平衡力的残差值或不对称力量不能满足所需的收敛条件时, 计算出的前一次步长非收敛性被认为是当斜率达到破坏状态时。塑性屈服区连接的判据是在强度折减过程中塑性屈服区从斜坡脚到斜坡顶部连接时，斜坡的稳定性丧失。
塑性屈服区连接的力矩被认为是当斜坡达到破坏状态时。位移突变判据是指在强度降低时, 坡面上某些点的位移急剧增加。位移与强度折减因子关系曲线的拐点被认为是当边坡达到破坏状态时, 相应的强度折减系数等于边坡的安全系数。采用数值非转化 gence 准则的前提条件是, 所使用的有限元程序必须具有相当高的鲁棒性。复杂三维边坡的稳定性分析是一种典型的非线性计算方法, 各种因素如强度类型、屈服准则、本构模型、收敛精度和方程求解等都可能影响程序, 特别是收敛精度和方程求解器具有重要的影响。
左坝肩边坡三维稳定性分析
三维有限元模型及其参数
采用强度折减法有限元法计算了左坝肩边坡的安全安全系数。在有限元分析中, 采用了零膨胀 Mohr–Coulomb 失效判据的弹性-理想塑性模型。有限元分析的左坝肩边坡模型范围如下: 840 米长的水流 (y) 方向, 1200 米宽向内斜坡从河床中线的横向 (x) 方向, 1500 米高的垂直 (z) 方向 (来回m 海拔1300米到海拔2800米)。3D FE 模型采用六面体等参, 模拟边坡岩体。各向异性层状单元用于模拟煌斑岩X，断层f2，f5，f8，f42-9等地质构
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