锦屏水电站缆机平台高陡边坡开挖支护数值模拟

赵 川，付成华，何 欢，钟学梅，周 丹

(西华大学 a. 流体及动力机械教育部重点实验室；b.能源与动力工程学院，成都 610039)

锦屏水电站缆机平台高陡边坡开挖支护数值模拟

赵 川a,b，付成华a,b，何 欢b，钟学梅b，周 丹b

(西华大学 a. 流体及动力机械教育部重点实验室；b.能源与动力工程学院，成都 610039)

以锦屏水电站缆机平台高陡边坡为例，采用有限元法对其分级开挖支护过程进行数值模拟计算，分析不同的单级开挖高度、岩体强度参数和支护时间对高陡边坡变形和稳定性的影响。结果表明：边坡的变形、安全系数受岩体强度参数影响较大；较好岩体条件下，单级开挖高度和支护时间对边坡的变形、安全系数影响很小,较差岩体条件下，单级开挖高度和支护时间对边坡的变形、安全系数影响显著，且单级开挖高度越大，支护的作用效果越明显。研究成果可为实际高陡岩石边坡工程开挖支护方案优化和施工提供参考。

锦屏水电站;高陡边坡；安全系数；开挖高度；支护时间；数值模拟

1 研究背景

目前，中国水电建设已进入后水电时代，水电站多位于深山、峡谷内，高陡边坡开挖工程不断呈现，高陡边坡开挖工程的安全问题日益突出。国内外高边坡开挖施工安全技术已日趋成熟，但对于高陡边坡开挖施工安全技术研究尚少，需要进一步研究[1-3]。

本文以锦屏水电站缆机平台边坡为例，基于有限元法进行高陡边坡分级开挖支护的数值模拟分析，系统地计算不同单级开挖高度、岩体强度参数及支护时间条件下边坡变形和安全系数的变化规律，分析边坡施工过程中的稳定性和变形特征，研究高陡边坡开挖与支护之间的关系，便于采取合理的施工工艺，保证边坡开挖施工安全[4-5]。

2 边坡概况

缆机平台边坡按坡比1∶0.5开挖，每30 m设一级马道，马道宽3 m，缆机平台以上边坡设有4级马道，总开挖高度150 m。

3 有限元模型建立及计算条件

计算边坡断面和岩层分布如图1所示，计算范围：水平方向取400 m,垂直方向取350 m。有限元计算力学参数取值见表1。

采用ANSYS[6]建立有限元模型。针对二维边坡的应力应变问题，本次建模选择plane82二维八节点单元，每个节点具有UX和UY2个自由度，比四节点plane42单元具有更高的精度，对不规则网格适应性更强，允许不规则形状的存在，适合模拟具有曲线边界的几何模型。模型共划分成1 398个单元，4 141个节点，有限元网格模型如图2所示。

边界条件：模型底部和左边界分别施加法向位移约束。

计算工况如下：

图1 计算范围及岩层分布Fig.1 Calculation domain and rock mass distribution

表1 有限元计算力学参数Table 1 Mechanical parameters of finiteelement calculation

(1) 单级开挖高度：10 m和15 m。

(2) 岩体强度参数：计算考虑了2种不同岩体强度参数。强度参数1取值对应表1中的岩体强度参数；强度参数2基于表1各项参数，仅将其中涉及开挖的Ⅳ类岩体黏聚力和内摩擦角分别调整至0.2 MPa和25°，Ⅲ类岩体黏聚力和内摩擦角分别调整至0.5 MPa和28°，其余参数不变，以探究具有不同岩体抗剪强度的边坡在开挖后其力学特性的异同。强度参数1对应于较好岩性，强度参数2对应于较差岩性。

(3) 支护方式：无支护；开挖一级支护一级；滞后一级开挖支护。采用喷锚支护,锚杆直径32 mm,长度10 m,竖直方向每隔2 m布置一排锚杆,喷射混凝土强度等级为C25,厚度20cm。

4 分级开挖支护边坡稳定分析

4.1 计算过程和等效处理

4.1.1 初始应力模拟

忽略构造应力，取边坡天然状态下的自重应力作为初始应力。不考虑地下水的作用。

4.1.2 开挖过程模拟

利用ANSYS的“生死”单元模拟边坡的开挖过程。计算过程中，程序将准备开挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的因子，使单元荷载变为0，从而不对荷载向量生效(但仍然在单元荷载列表中出现)。同样，当单元需要“出生”时，并不是将其加到模型中，而是先杀死它，然后在合适的荷载步中重新激活它。

4.1.3 支护作用模拟

将锚杆及其作用下的岩体看作一个整体即锚固体，采用将岩体和锚杆作为一种材料来等效模拟，根据研究经验直接提高相关参数值即可[7]。混凝土喷层采用Beam3单元模拟，输入相关实常数定义喷层厚度。

4.1.4 安全系数计算

安全系数计算采用有限元强度折减法，将坡体的真实抗剪强度除以一个折减系数F，以达到强度折减的目的，直至达到极限破坏状态为止，根据弹塑性有限元计算结果得到边坡危险滑动面，此时的折减系数即为边坡的安全系数[8-10]。其计算公式为：

(1)

(2)

式中：c和φ分别为岩土体真实的黏聚力和内摩擦角；c′和φ′分别为折减后的黏聚力和内摩擦角。

图3 强度参数1，2的边坡安全系数Fig.3 Safety factors of slope with different strength parameters 1 and 2

4.2 计算结果分析

4.2.1 不同因素对安全系数的影响

4.2.1.1 单级开挖高度对安全系数的影响

图3为强度参数1，2的边坡在不同开挖支护工况下的安全系数，按自上而下逐级开挖，随着边坡开挖级数的增加，边坡的安全系数在开挖开始时有一定减小，期间基本保持稳定，开挖到最后几级时下降趋势明显。对比分析可知：在无支护开挖完成后，较好岩性单级开挖10 m和15 m的安全系数均为2.9，单级开挖高度对边坡安全系数几乎没有影响；较差岩性单级开挖10 m和15 m的安全系数分别为1.25和1.15，单级开挖高度对边坡安全系数影响较大。

表2 10 m/级开挖位移Table 2 Displacements of slope when excavated 10m per stage mm

表3 15 m/级开挖位移Table 3 Displacements of slope when excavated 15m per stage mm

4.2.1.2 岩体强度对安全系数的影响

边坡无支护开挖，强度参数1即较好岩性时单级开挖10 m的安全系数为2.9(见图3(a))，边坡较为稳定；而岩性较差时单级开挖10 m的安全系数为1.25(见图3(b))，边坡稳定性相对较差。

4.2.1.3 支护时间对安全系数的影响

由图3(a)可知，当边坡岩性较好时单级开挖10 m并及时支护后边坡安全系数为3，滞后支护为2.95；分析图3(b)可知，边坡岩性较差时单级开挖10 m及时支护边坡安全系数为1.9，滞后支护为1.4，表明支护时间对岩性较差的边坡安全系数影响更大。当边坡岩性较差时，相比不支护工况，单级开挖10 m支护后安全系数增加了0.65，单级开挖15 m支护后增加了0.75。

4.2.2 不同因素对位移的影响

4.2.2.1 单级开挖高度对位移的影响

坡顶、坡脚测点见图1，规定位移水平向右为正，竖直向下为正。

分析表2和表3(只列出部分开挖级数的位移)可以看出，随着开挖的进行，边坡的水平位移和竖直位移均逐渐增大，且坡顶处测点发生朝向边坡临空面的位移，而坡脚测点发生面向坡体内部的位移，整个坡体的位移有向外旋转的趋势。这是由于开挖卸荷不均匀造成的。待开挖完成后，坡脚附近产生的位移大于坡顶处的位移，这与实际边坡开挖工程产生的位移趋势相同。当边坡岩性较好时，单级开挖10 m和15 m，开挖完成后产生的位移相同，不同单级开挖高度对边坡位移几乎没有影响；在强度参数2的边坡中，即岩性较差时，单级开挖高度15 m产生的位移比单级开挖高度10 m大，其在坡脚处体现较为明显，单级10 m开挖水平位移和竖直位移分别为-15.63 mm和28.31 mm，而单级15 m为-17.96 mm和28.86 mm，分别相差2.33 mm和0.55 mm。

图4 强度参数1，2的边坡坡脚水平位移Fig.4 Horizontal displacements of slope toe with different strength parameters 1 and 2

4.2.2.2 岩体强度对位移的影响

从表2和表3可知：当其它条件相同，岩性较差时，边坡开挖产生的水平位移和竖直位移更大。以表2中坡脚点位移为例，当岩性较好时水平位移和竖直位移分别为-8.87 mm和20.76 mm，而当岩性较差时为-15.63 mm和28.31 mm，相差较大。这与位移受岩体强度影响大[1]的一般规律一致。

4.2.2.3 支护时间对位移的影响

图4和图5给出了强度参数1，2的边坡坡脚点的位移随开挖级数的变化趋势。

从图4(b)中可见，当单级10 m开挖，无支护时水平位移-15.63 mm，支护后为-10.15 mm，水平位移减小了5.48 mm；当单级15 m开挖，无支护时水平位移-17.96 mm，支护后-10.66 mm，水平位移减小了7.3 mm，支护效果更为明显。

图5 强度参数1，2的边坡坡脚竖直位移Fig.5 Vertical displacement of slope toe with different strength parameters 1 and 2

综合分析图4和图5可知，在单级开挖高度和岩体性质相同的情况下，及时支护比滞后支护更能有效地控制边坡的变形。

5 结 论

通过对锦屏水电站缆机平台高陡边坡的分级开挖过程进行数值模拟计算，考虑了不同的单级开挖高度、岩体强度参数和支护时间等因素，计算结果反映了高陡岩石边坡开挖卸荷和支护对边坡变形和稳定影响的一般规律：

(1) 在其它条件相同的情况下，单级开挖高度对岩性较差边坡的位移和安全系数影响较大；而对岩体条件较好边坡影响较小。

(2) 岩体强度参数对高陡岩石边坡开挖的位移、安全系数影响大。

(3) 不同支护时间对开挖边坡稳定性产生较大影响。及时支护相比滞后一级支护，能更好地控制开挖造成的边坡变形变化，提高边坡安全系数，单级开挖15 m比10 m支护效果更明显。

因此，实际高陡边坡开挖过程中，根据岩性采取相应的单级开挖高度和支护措施，既有利于保证开挖边坡的稳定，又可控制工程造价。

[1] 郑颖人,陈祖煜,王恭先，等. 边坡与滑坡工程治理[M]. 北京：人民交通出版社,2007. (ZHENG Ying-ren, CHEN Zu-yu, WANG Gong-xian,etal. Engineering Treatment of Slope and Landslide[M]. Beijing: China Communications Press, 2007. (in Chinese))

[2] 邹丽春,王国进,汤献良，等.复杂高边坡整治理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社, 2006. (ZOU Li-chun, WANG Guo-jin, TANG Xian-liang,etal. Theory and Engineering Practice on Treatment of Complicated High Slope[M]. Beijing: China Water Power Press, 2006.(in Chinese))

[3] 谢国海,章广成,杨昌斌.边坡分级开挖过程的动态模拟[J].土工基础,2007,21(3):54-56. (XIE Guo-hai, ZHANG Guang-cheng, YANG Chang-bin. Achievement of Dynamic Simulation of Excavation of Slope in a Hydropower Station[J].Soil Engineering and Foundation, 2007, 21(3):54-56. (in Chinese))

[4] 易长平,卢文波,许红涛,等.岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(增1)：4750-4753. (YI Chang-ping, LU Wen-bo, XU Hong-tao,etal. Study on Effects of Dynamic Unloading on Initial Stress During Rock Excavation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(Sup.1):4750-4753.(in Chinese))

[5] 孙开畅,胡昌顺. 溪洛渡水电站拱肩槽及进水口高边坡稳定性研究[J].长江科学院院报,2007, 24(2): 17-21. (SUN Kai-chang, HU Chang-shun. Study on High Rock Slope for Xiluodu Hydropower Stations Spandrel Groove and Water Inlet[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2007, 24(2): 17-21.(in Chinese))

[6] 熊 斌.基于ANSYS软件的边坡开挖模拟和稳定性评价[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(2):64-67. (XIONG Bin. Simulation of Slope Excavation and Analysis on Its Stability Based on ANSYS Software[J]. Exploration Engineering (Drilling and Tunneling), 2009, 36(2): 64-67. (in Chinese))

[7] 杨双锁,张百胜.锚杆对岩土体作用的力学本质[J].岩土力学,2003,24(增):279-282. (YANG Shuang-suo, ZHANG Bai- sheng. Influence of Bolt Action Force on the Mechanical Property of Rocks [J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Sup): 279-282.(in Chinese))

[8] 陈 健,盛 谦,高 锋.构皮滩工程高边坡开挖数值模拟分析及稳定性评价[J].长江科学院院报,1996,13(增): 31-33. (CHEN Jian, SHENG Qian, GAO Feng. Numerical Simulation and Stability Analysis of High Slope Excavation for Goupitan Project[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 1996, 13(Sup.): 31-33. (in Chinese))

[9] 郑颖人,赵尚毅,张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学,2002,4(10):57-62. (ZHENG Ying-ren, ZHAO Shang-yi, ZHANG Lu-yu. Slope Stability Analysis by Strength Reduction FEM[J]. Engineering Science, 2002, 4(10): 57-62. (in Chinese))

[10]张奇华,杜俊慧,胡进华. 某水电站右坝肩边坡岩体稳定性研究[J].长江科学院院报,2006, 23(4): 32-35. (ZHANG Qi-hua, DU Jun-hui, HU Jin-hua. Study on Stability of Rock Mass of Right Dam Abutment Slope of Some Hydroelectric Station[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2006, 23(4): 32-35. (in Chinese))

(编辑：黄 玲)

Numerical Simulation on the Excavation and Support of High andSteep Slope of Cable-crane Platform of Jinping Hydropower Station

ZHAO Chuan1,2，FU Cheng-hua1,2，HE Huan2，ZHONG Xue-mei2，ZHOU Dan2

(1.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery under Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039,China; 2.School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, China)

The process of stepped excavation and support of the high-steep slope of cable-crane platform of Jinping hydropower station was simulated using finite element method. The effects of single-stage excavation height, strength parameters of rock mass, and supporting time on the deformation and stability of the slope were analysed. Results indicate that the deformation and safety factor are greatly influenced by the strength parameters of rock mass; when the rock mass is of good conditions, the height of single-stage excavation and the supporting time have small impacts on the deformation and safety factor, but when in poor conditions, the effects are significant, and larger height of single-stage excavation will lead to more obvious support effect. The research results provide reference for the optimization and construction of excavation and supporting scheme of high and steep slope engineering.

Jinping Hydropower Station；high and steep slope; safety factor; excavation height; supporting time; numerical simulation

2014-07-03；

2014-08-23

武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室开放基金项目(2011B087)；西华大学研究生创新基金项目(ycjj2015045)

赵 川(1989-)，男，四川内江人，硕士研究生，主要从事岩土工程稳定的研究工作，(电话)18482148168(电子信箱)871916370@qq.com。

付成华(1978-)，女，湖北襄阳人，副教授，博士，主要从事水利水电工程的教学和研究工作，(电话)028-87723028(电子信箱)fuchh_xhu@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.017

TU457

A

1001-5485(2015)08-0094-05

2015,32(08):94-98