新通道线路1隧洞上游进口边坡稳定性分析

张攀

摘要：过水隧道进口的边坡稳定问题是保证通航安全的核心问题之一。 本文主某过水隧道边坡为研究对象，在工程地质调查的基础上，使用3DEC、Catia等软件，应用离散元数值模拟进行边坡地质模型概化与试验参数研究，分析了不同工况下边坡的稳定性，最终对该隧道边坡稳定性进行综合分析与评价，并为进一步探讨该隧道边坡的稳定研究提出了合理建议。

关键词：进口边坡;离散元;3DEC;边坡稳定

0引言

1 三维离散元程序计算方法与二次开发

3DEC对介质（包括块体和不连续面）本构关系的模拟几乎没有限制，除了内置各向同性弹性、各向异性弹性、Mohr-Coulomb、双线性应变硬化/软化、各向异性应变硬化/软化本构模型以外，利用3DEC的接口功能可以直接输入试验获得的相应应力-应变关系曲线。根据某水运新通道工程需求，基于3DEC程序软件开展二次开发：

（1）考虑爆破动力荷载作用下岩体结构面本构模型的二次开发。

（2）根据前期的研究成果，三峡微新花岗岩呈现典型的弹脆塑性特征，在3DEC中实现了岩体弹脆塑性本构模型。

2 基本计算条件

2.1 岩体力学参数

以前期坛子岭双线五级船闸反演分析获得的相关岩体物理力学参数作为基本依据，初步确定相关岩体的物理力学参数，在本次计算中也考虑了边坡岩体开挖卸荷松弛的影响，在开挖临空面部位设置了开挖损伤区。对开挖影响区内的岩体力学参数进行降低，以反映开挖卸荷和施工爆破对围岩的扰动，本次计算最终使用的岩体力学参数取值见表1。

2.2 初始地应力场

考虑到拟建新航道区域尚无地应力实测数据，这里采用坛子岭已建五级船闸勘测设计中的地应力实测数据和反演分析成果，作为新航道区域计算分析初始地应力取值的初步依据。

全强风化带、强风化带：根据岩体自重应力场，作为初始地应力场‘

微新岩体：

X向应力分量σx = -6.11 - 0.0109 H （H为埋深）

Y向应力分量σy = -5.703 - 0.0118 H

Z向应力分量σz = -0.28 – 0.0299 H

弱卸荷带：σ = a + bH

式中：a，b按应力值沿深度方向连续。

3 计算模型及开挖模拟方案

3.1 计算模型

以设计提供的模型资料为基础，建立了隧洞上游进口边坡的三维离散元数值计算模型，，其中计算模型的范围为：X向跨度为750m;Y向跨度为800m;Z向跨度为430m，-Z向边界与高程-100m对应，+Z向则建模至实际地表。其中，X轴与船闸中心线一致，指向下游为正;Y轴垂直于船闸中心线，指向山内侧为正;Z轴铅直向上为正。采用了由整体到局部的方式建立边坡的三维离散元模型。块体模型导入3DEC后，将所有块体“粘接”起来成为连续体，来进行不考虑地质结构面影响的边坡稳定模拟分析，不考虑结构面的模型共划分了约38万个单元和12万个节点;进一步，利用“jset”命令在生成结构面和裂隙，来研究各种不利结构面组合条件下边坡的稳定分析。

计算域四周法向约束，底部三向约束，地表自由无约束。

3.2 开挖模拟方案

（1） 不考虑地质结构面的影响，将所有块体“粘接”起来作为连续体考虑，模拟船闸开挖过程，研究下挖过程中高边坡岩体的变形松弛特征、变形发展规律、塑性区的分布特征及扩展过程、支护系统的受力特征。

（2） 根据块体分析的结果，考虑各种不利地质结构面的组合，结合三维离散元法，综合考虑初始地应力场、边坡开挖卸荷损伤、洞室开挖等复杂情况下高边坡稳定性的非连续介质力学模拟分析。

（3） 采用强度折减法对新船闸隧洞进口边坡在开挖工况、运行工况及地震工况下的稳定性进行计算分析，综合评价边坡的稳定性。

4 计算结果分析

开挖完成后的岩体最大增量位移约98.80mm，发生在正面坡與北侧坡交界处强风化岩体出露部位;变形较显著的区域主要集中在顶部强卸荷、弱卸荷岩体中，微新岩体的变形一般小于20mm。

在开挖过程中，初始应力场不断受到扰动与调整，开挖面附近最大主应力方向接近垂直开挖面方向;最小主应力方向接近于平行开挖面方向。全部开挖完成后，在坡脚处存在不同程度的压应力集中现象，最大压应力值约18.3MPa;拉应力主要集中在开挖坡面浅表部位，最大拉应力值约0.7MPa。边坡塑性区主要集中在顶部强卸荷带以及开挖临空面浅表岩体内，以剪切屈服为主，局部存在拉、拉剪屈服;顶部岩体内塑性区延伸深度接近20m（基本位于全强风化带内），往下深度逐渐减小，微新岩体内延伸深度一般为5～8m。

在开挖工况的基础上，进行边坡运行工况、地震工况下的稳定性计算。其中，运行水位按175m计算，水载荷作为渗透体积力，水位线以下岩体强度参数按一定比例进行折减;地震工况采用拟静力法模拟，水平向地震加速度按0.1g考虑。

对三种不同工况局部和整体两种破坏模式下边坡的稳定性。局部破坏模式下，边坡的潜在失稳区域主要集中在坡顶强卸荷带岩体内;整体破坏模式主要指正面坡的整体失稳破坏，其剪出口大致位于EL180m高程处。各工况下边坡的安全系数见表2，可见在不考虑地质结构面的情况下，边坡的安全裕度较大，稳定性较好。

5 结论

（1）在不考虑不利地质结构面的条件下，新通道线路1方案隧洞上游进口边坡开挖完成后的岩体最大增量位移约98.8mm，发生在正面坡与北侧坡交界处强风化岩体出露部位;

（2）微新岩体的变形一般小于20mm。边坡塑性区主要集中在顶部强卸荷带岩体以及开挖临空面附近岩体内，顶部延伸深度接近20m，往下深度逐渐减小，微新岩体内延伸深度一般为5～8m。

（3）局部和整体两种破坏模式下边坡的稳定性分析显示，各计算方案下边坡的稳定性安全系数均大于2.80，安全裕度较大，稳定性较好。

（4）在后续的研究工作中，依据工程地质资料，进行块体稳定分析，找出关键块体，然后有针对性地引入三维岩体结构非连续模拟计算中，综合考虑地应力场、渗流场、开挖爆破、卸荷影响以及岩体变形等因素下进口边坡的稳定性。

基金项目：河海大学中央高校基本科研业务费项目2018B757X14 江苏省研究生实践创新计划项目编号SJCX18_0183