联合进水口开挖边坡三维应力变形分析

姬永尚

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

新疆和田玉龙喀什水利枢纽工程位于玉龙喀什河干流中游河段上，是玉龙喀什河山区河段的控制性水利枢纽工程。水库设计最大坝高233.5 m，正常蓄水位2 170.0 m，库容5.28×108m3，电站装机容量200 MW，属大(Ⅱ)型Ⅱ等工程。主要建筑物由大坝(坝型为面板堆石坝)、泄水建筑物(表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放水冲沙洞)、引水发电系统等组成[1]。

表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放水冲沙洞和发电引水洞均布置在右岸，采用联合进水口(图1)。联合进口边坡开挖坡比为1∶0.3，每10 m设置一级马道，每级马道宽2.0 m，开挖高程范围为2 044～2 240 m，最大开挖高度约200 m[1]。工程边坡开挖范围大、边坡高，进行开挖边坡三维应力变形分析非常必要。

图1 右岸联合进口开挖边坡的三维地形拟合图Fig.1 Three-dimensional terrain fitting figure of the excavation slope in the right bank joint import

1 边坡基本地质条件

岸坡走向约350°，自然坡度45°～65°。岸坡基岩裸露，岩性为二云母石英片岩，强风化层厚2～3 m，风化裂隙发育，裂面上见有部分矿物风化蚀变，岩块内部较为新鲜坚硬；弱风化层厚12～15 m，节理裂隙稍发育，多闭合，仅有铁质浸染，风化蚀变矿物少见，锤击声清脆。岩体弱风化单轴饱和抗压强度Rc=37.0 MPa，软化系数0.63，微风化～新鲜单轴饱和抗压强度Rc=45 MPa，软化系数0.69，定性评价为中硬岩类。

二云母石英片岩为片理面结合牢固的薄层状结构，弱风化层岩体体积节理数Jv=3～5条，对应的岩体完整性系数Kv=0.55～0.75，岩体纵波速度Vp=3 600～4 800 m/s，属较完整岩类，局部较破碎；微风化层岩体体积节理数Jv=0.1～0.9条，纵波速度Vp=4 800～5 800 m/s，对应的岩体完整性系数Kv>0.75，属较完整～完整岩类。

根据揭露该地层的钻孔统计，弱风化层RQD值40%～73%，平均54%；微～新岩体RQD值平均值53%～92%，平均76%。

该段边坡主要分布两条平行次级断层f1和f2，产状300°～320°NE∠65°～75°，顺坡延伸，陡倾坡内，f1断层破碎带宽0.2～0.3 m，为小断层；f2规模相对较大，断层破碎带宽2.0 m左右，带内主要充填碎裂岩和糜棱岩，结构密实，中等胶结。

根据岩体的风化卸荷程度，岩石强度、岩体结构类型、岩体完整性和紧密程度等，对边坡工程岩体质量分类：微风化二云母石英片岩为BⅢ1，弱风化二云母石英片岩为BⅢ2，弱卸荷带为BⅣ，强风化及断层破碎带为Ⅴ。

2 开挖边坡三维应力变形分析

为充分了解引水发电洞、2#深孔防空冲沙洞、中孔泄洪洞和表孔溢洪洞进口边坡变形及稳定性情况，对联合进水口边坡进行建模型分析。

2.1 计算模型与计算条件

计算模型见图2，计算网格见图3。数值模型东西向X轴，指向东正；以南北向为Y轴，指向北为正；以竖直方向为正模型底部高程为1 950 m。三维模型尺寸400 m×500 m×400 m，数值模型包含的节点总数为28 541，四面体单元总数为156 207。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

图3 计算网格划分Fig.3 Compute grid partition

数值计算中，材料本构模型均采用弹塑性模型，强度准则为摩尔库伦屈服准则。模型四周法向约束，底部固定约束，约束条件见图4。计算根据地质报告确定，具体计算参数取值见表1。本次对联合进口边坡开挖过程分7级进行模拟分析，前3步为2#深孔防空冲沙洞和表孔溢洪洞进口边坡开挖，后4步为引水发电洞和中孔泄洪洞进口边坡开挖，开挖高程分别是：第一步开挖(2 200 m)、第二步开挖(2 170 m)、第三步开挖(2 150 m)、第四步开挖(2 114 m)、第五步开挖(2 094 m)、第六步开挖(2 064 m)、第七步开挖(2 044 m)。

图4 模型约束条件Fig.4 Model constraints

表1 计算参数取值表Tab.1 Calculation parameter selection table

2.2 初始应力场模拟

初始应力条件下，边坡最大、最小主应力云图见图5。由图5可以看出，在自重作用下，边坡体内部应力大小由表层向深部逐渐增大，且应力值基本为负值，表明边坡体整体处于受压应力状态，符合边坡实际应力分布规律。

图5 自然边坡最大最小主应力分布云图Fig.5 Maximum-minimum principal stress distribution nephogram of the natural slope

2.3 边坡开挖过程变形分析

前3步为2#深孔防空冲沙洞和表孔溢洪洞进口边坡开挖，第四～第七步为开挖引水发电洞、中孔泄洪洞进口边坡开挖。

2.3.1 2#深孔防空冲沙洞、表孔溢洪洞进口边坡开挖过程模拟分析

2.3.1.1 边坡开挖过程变形分布分析

根据模拟结果可知：①边坡位移主要集中开口线顶部、开挖面底部和断层在开挖面出露位置附近，符合一般规律；②X向(东西向)最大位移分别为3.68、8.62和8.93 mm，随着边坡开挖量值逐渐增大；③Y向(南北向)最大位移分别为3.12、9.05、10.24 mm；④Z向(东西向)最大位移分别为3.87、37.9和41.4 mm，最大位移位于断层在开挖面出露位置附近；⑤典型剖面揭示断层位置位移出现不连续且导致边坡整体位移增大，但量值较小(约10 mm)。第三步开挖至2 150 m高程各向位移分布见图6。

图6 第三步开挖至2150m高程位移分布图Fig.6 The displacement map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.1.2 边坡开挖过程塑性区分布分析

根据模拟结果可知：①开挖过程中边坡整体塑性区分布范围较小；②塑性区主要在开挖边坡高高程开口线附近和断层附近，没有形成大面积贯通塑性区，边坡整体稳定性良好；③断层在边坡开挖面出露位置出现局部拉塑性区和剪切塑性区，开挖施工过程中应注重该部位的局部稳定问题。第三步开挖至2 150 m高程塑性区分布图见图7。

图7 第三步开挖至2 150 m高程塑性区分布图Fig.7 The plastic zone map of third step excavation to 2 150 m elevation

2.3.2 引水发电洞、中孔泄洪洞边坡开挖过程模拟分析

2.3.2.1 边坡开挖过程变形分布分析

根据模拟结果可知：①引水发电洞进口边坡开挖，主要表现为开挖过程的回弹位移，最大位移位于开挖底部高程，符合一般规律；②由于开挖量较小，中孔泄洪洞进口边坡整体位移量值较小，最大Z向位移为4.32 mm，位于边坡开挖底部高程；③引水发电洞、中孔泄洪洞进口边坡开挖对上部边坡变形影响较小，位移量值略有增大，不超过2 mm。第七步开挖至2 044 m高程各向位移分布见图8。

图8 第七步开挖至2 044 m高程位移分布图Fig.8 The displacement map of seven step excavation to 2 044 m elevation

2.3.2.2 边坡开挖过程塑性区分布分析

根据模拟结果可知：①开挖过程中边坡整体塑性区分布范围较小；②塑性区主要在开挖边坡高高程开口线附近和断层附近，没有形成大面积贯通塑性区，边坡整体稳定性良好；③断层在边坡开挖面出露位置出现局部拉塑性区和剪切塑性区，开挖施工过程中应注重该部位的局部稳定问题。第七步开挖至2 044 m高程塑性区分布图见图9。

图9 第七步开挖至2 044 m高程塑性区分布图Fig.9 The plastic zone map of seven step excavation to 2 044 m elevation

3 结 语

1) 根据岩体的风化卸荷程度、岩石强度、岩体结构类型、岩体完整性和紧密程度等，对边坡工程岩体质量分类：微风化二云母石英片岩为BⅢ1，弱风化二云母石英片岩为BⅢ2，弱卸荷带为BⅣ，强风化及断层破碎带为Ⅴ。

2) 边坡开挖过程变形主要表现为开挖卸荷后的回弹位移，量值均不大，最大位移42.1 mm。

3) 开挖过程中边坡整体塑性区分布范围较小，塑性区主要在开挖边坡高高程开口线附近和接近断层地表出露位置附近，没有形成大面积贯通塑性区，边坡整体稳定性良好。

4) 断层在开挖面出露时会导致该区域附近变形量值增大，局部塑性区增多，施工过程中应注重该区域的局部稳定性问题。