津桥湖泄水库洪洞出口边坡开挖稳定性分析

张雪晶　谢新生　谢秀新

（1.四川大学水利水电学院四川成都610065；2.上海勘测设计研究院有限公司上海虹口200434）

津桥湖泄水库洪洞出口边坡开挖稳定性分析

张雪晶1谢新生1谢秀新2

（1.四川大学水利水电学院四川成都610065；2.上海勘测设计研究院有限公司上海虹口200434）

津桥湖水库泄洪洞出口边坡开挖受限，须采取陡边坡开挖，存在较大安全隐患。因此，本文主要针对该问题，采用有限元软件A N SY S对泄洪洞出口段建立三维模型，模拟计算泄洪洞出口边坡开挖应力、应变场，分析其稳定性。以上计算分析可为泄洪洞设计、施工及后期运行提供参考，具有较高工程价值。

开挖；边坡；有限元法；稳定性分析

1　工程概况

津桥湖水库位于四川省巴中市区，横跨渠江水系一级支流巴河的支流新桥河，沿新桥河距巴河约1km。坝址处流域集雨面积9.96km2，主河道长5.94km，总库容143.2万m3，多年平均流量0.22m3/s，水库正常蓄水位380.0m，相应正常蓄水位库容134.00万m3，校核洪水位383.07m，总库容193.0万m3，死水位370.00m，死库容26.8万m3。水库枢纽主要由大坝、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、原河渠道组成。

泄洪洞位于右岸坝肩，采用塔式进水口，进口底板高程366.00m，出口底板高程355.00m，孔口尺寸3.8m×3.8m，洞身断面为圆形，洞径3.8m（内直径），隧洞总长418m，隧洞顶板埋深5m～40m。水流经溢洪道及泄洪放空洞下泄进入消力池后进入下游河道。

该水库主要特点为受地形影响，修建在即将成型的闹市区内，泄洪洞出口下游河道两岸100m处为一商业中心。泄洪洞本身及其出口边坡稳定应引起足够重视。

图1　泄洪洞出口段典型地质纵剖图

2　地质条件

隧洞洞身段处于山脊内，穿山而过，轴线和山脊基本正交，洞身中部岩性较好且无不利节理组合。洞身段洞顶板围岩为（K1b-Ss）泥质粉砂岩，洞底及侧壁为（K1b-Ss）泥质粉砂岩，稳定性较好但强度不足。出口处隧洞顶板岩层层间结合较差，尤其是砂泥岩交界部位，隧道开挖后顶板因应力回弹局部可能松动，如不进行及时支护可能产生一定规模的坍塌，且泥岩抵抗风化能力较差，失水后会快速崩解，可能存在局部剥落和塌块。

隧洞出口处存在大量堆填（Q4me）弃土，自身稳定性差，必须采取可靠的措施，方能进行洞口段的开挖。出口右侧边坡杂草丛生，上部风化强烈，下部已被部分弃土覆盖，见图1、图2、图3。

图2　泄洪洞出口典型地质横剖图（1-1）

3　三维有限元法分析

3.1计算模型

在岩土边坡、地下工程开挖中会遇到无限域或半无限域问题。圣维南认为荷载仅对局部范围有影响，在远离荷载作用区时影响效应可忽略。理论计算和实践表明，开挖释放荷载及结构应力对相邻岩体应力应变产生明显作用的范围大约为开挖结构与周围岩体接触面大小的2.5～5倍［1］［2］。

本次计算模型选取范围为隧0+318.00至隧0+418.00段，及出口段向后延伸20m，总长度120m。宽度分别取洞轴线右侧80.5m，左侧89.5m，总宽度170m。基础向下延伸80m，上部至地表，隧洞出口位置边坡高度为15m～30m。模型Z方向（正向）沿洞轴线指向下游，Y方向（正向）铅直向上，X正向指向左岸。模型边界条件是将基础底部施加Y方向位移约束，上下游施加Z方向水平位移约束，左右两侧施加X方向水平位移约束。

图3　泄洪洞出口典型地质横剖图（2-2）

表1　边坡岩体初始参数建议值

模型采用八节点六面体实体单元SOLID45模拟岩体。模型共有岩体单元44088。为了研究两个坡面的变形规律，取开挖后隧洞口前后各一个断面作为典型断面。

3.2边坡开挖及材料参数特性

3.2.1开挖方案

为不影响边坡顶右方的施工道路和民房的安全，开挖分两级进行：①先挖除人工填土，形成一级坡；②第二步挖除出口上部覆盖层，高程360.00m～375m范围以开挖坡比1:1形式削坡，高程375m之上部分垂直开挖。出口右侧边坡以坡比1:0.5自上而下开挖至高程355m，形成二级坡。

3.2.2材料参数特性

3.3计算工况

开挖是为了确保隧洞在出口处成洞的安全性及上部边坡的稳定性。计算考虑初始工况、施工开挖边坡稳定情况。

3.4边坡应力与变形分析

3.4.1初始地应力场

在自重下产生的初始应力场，沿X方向（坡向）最大应力分布在坡对侧底部，主要是因右侧岩层较厚产生的偏压，挤压左侧造成左侧底部压力最大，值为1.25Mpa。铅直向应力基本为压应力，仅表层与边界存在拉应力，但值较小，主要由边界效应引起，最大压应力分布于右侧坡模型底部，值为2.77MPa，也是因右侧岩体较左侧厚造成。开挖体处顺河向应力基本受压，仅表层受到较小拉应力，最大值约0.166MPa。

3.4.2无支护的开挖应力与变形分析

（1）第一步开挖应力分析

第一步开挖后的典型坡面主应力分布：大主应力基本受拉，值约0.27MPa～-0.15MPa，小主应力受压，值约0 MPa～-0.31MPa。开挖引起的附加应力水平较大，由此产生的第一、二、三附加主应力主要分布于开挖体底部及坡面，最大值分别为0.821MPa、0.397MPa、0.366MPa，对稳定不利。

（2）第一步开挖引起位移增量分析

第一步开挖后典型坡面引起的变形规律：坡面沿X方向变形集中在中下部，值约2.33mm～3.74mm，坡脚下部最大回弹量约4.68mm，说明坡脚受开挖影响最敏感，应先挖除坡脚上部土体，削破减载，而不应直接开挖坡脚。

（3）第二步开挖应力分析

继续开挖后，典型断面主应力分布：一级坡面（断面2-2）与二级坡面（断面1-1）应力水平基本相当，大主应力基本受拉，值约为-0.11～0.16MPa，对坡面稳定不利。小主应力均为受压，值约为-0.3MPa～0MPa。

（4）第二步开挖引起位移增量分析

第二步开挖引起的典型断面位移规律：典型断面1-1及2-2变形规律基本一致，水平位移均在坡的中下部较大，最大值分别为4.0mm、4.19mm。坡底铅直位移亦基本一致，最大值分别8.0mm、8.83mm。

3.5边坡塑性区分析

塑性变形是因物体变形超出了弹性范围，产生的不可恢复的变形。是破坏开始前的预兆，塑性区的出现及范围大小可很好的说明塑性破坏的程度。

考虑到一级坡坡高约30m，是本次开挖的重点关注部位，故取本级坡典型断面2-2研究其塑性区分布规律。

第一步挖除隧洞口杂填土后，卸荷使得岩体受拉后率先产生塑性变形，塑性区主要出现在一级坡坡脚，高度约5m，深度约4m。当继续开挖后，塑性区不断向内扩大，并有向上发展趋势，高度约7m，深度约5m，同时在第二级坡脚也出现了塑性区，但范围不大。由于一级坡高度较二级坡大，且塑性区范围也相对较大，若一级坡塑性区不断向上扩大，最终贯通，将导致边坡整体失稳破坏，因此，对边坡采用加固是十分必要的。

4　支护措施

开挖后边坡总体上是稳定的。但边坡岩体强度较低，为防止变形加剧仍需及时支护。

开挖后边坡采取喷锚加固方式，即挂钢筋网喷C20混凝土，厚15cm，采用B28自进式锚杆，长3.5m，纵横间距1m，如图4、5。当喷锚加固后，第二级坡脚处塑性区消失，第一级坡（出口右侧坡）脚塑性区范围有所减小，只是表层塑性区范围缩小，其深度和高度基本无变化，说明加固对第二级坡有一定效果，对第一级坡无明显效果。

表2　边坡岩体支护设计

图4　出口右侧边坡支护示意图

图5　出口上部边坡支护示意图

5　结语

本文主要分析了边坡开挖前后的应力、应变及典型断面的塑性区情况，有如下结论：

（1）本边坡的特点是岩体参数较低，在有限扰动下，且变形较小情况下坡脚就出现塑性区，如不支护坡脚会最先破坏。因此，要对边坡采取加固措施。

（2）喷锚支护后，二级坡变形改善显著，塑性区基本消失。但一级坡变形改善效果较小。鉴于一级坡为重点加固部位，因此，加固效果不理想，可能是因为在塑性区内锚固长度仅为3.5m，长度不足，支护方案有待改善。陕西水利

［1］谭晓慧，王建国，王印.边坡稳定的非线性有限元分析［J］.岩土力学，2008，08: 2047-2050.

［2］胡岩松.ANSYS模拟隧道施工过程应用［J］.山西建筑，2010，03:341-342.

（责任编辑：唐红云）

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