某水利樞紐大壩邊坡有地下水滲流的開挖影響分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14408某水利樞紐大壩邊坡有地下水滲流的開挖影響分析案例 1200081.1計(jì)算原理 1229571.2天然工況邊坡初始應(yīng)力與穩(wěn)定性 344471.3施工期邊坡的應(yīng)力與位移 8221311.3.1一期導(dǎo)流支護(hù)工況應(yīng)力與位移 845851.3.2二期導(dǎo)流開挖工況應(yīng)力與位移 1745771.4有地下水開挖計(jì)算小結(jié) 261.1計(jì)算原理本部分在原計(jì)劃的基礎(chǔ)上，考慮地下水可能對模型變形造成的影響。天然工況和支護(hù)工況的地下水區(qū)域根據(jù)斷面圖中的標(biāo)識確定，而由于開挖會導(dǎo)致開挖區(qū)域地下水位下降，開挖部分的地下水根據(jù)所給開挖后斷面圖確定。選取出地下水部分后，給各部分賦予滲透系數(shù)，水上部分滲透系數(shù)極小，近似模擬成不透水。再選取地下水部分的上表面節(jié)點(diǎn)單元，將其高度當(dāng)作溫度賦予相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，從而通過ANSYS的溫度場模擬模型的滲流場。圖1.1天然工況地下水部分圖1.2天然工況地下水滲流圖1.3開挖工況地下水部分圖1.4開挖工況地下水滲流根據(jù)滲流場算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)所受的滲透體積力，同時(shí)巖土方面采用土—水分算，地下水部分的巖體采用浮密度，地下水以上部分采用天然密度，開挖后的地下水與原地下水中間的巖體采用天然密度[16]。在FLAC3D計(jì)算的過程中，將各類的巖體的水下和水上部分區(qū)分開來，計(jì)算前導(dǎo)入滲透體積力，后續(xù)計(jì)算與無地下水工況相同。1.2天然工況邊坡初始應(yīng)力與穩(wěn)定性在邊坡開挖前，對邊坡在天然工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，目的是使邊坡在天然情況下穩(wěn)定，排除后續(xù)計(jì)算中天然工況可能帶來的影響。規(guī)定最大和最小主應(yīng)力均是以拉為正，以壓為負(fù)，應(yīng)力單位為MPa。計(jì)算開始后，模型受重力和滲透體積力共同作用，存在不平衡力，但隨著計(jì)算步數(shù)的增加而減小，在3460步左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖1.5為天然狀態(tài)下邊坡的最大與最小主應(yīng)力圖。邊坡的最大主應(yīng)力主要在-1.5~0.5MPa范圍內(nèi)，整體為負(fù)值，屬于壓應(yīng)力，最小主應(yīng)力主要在-4~0MPa范圍內(nèi)，基本為負(fù)值，屬于壓應(yīng)力。部分地區(qū)存在拉應(yīng)力，可能是受約束以及滲透體積力作用造成，符合邊坡天然工況應(yīng)力分布規(guī)律。（a）最大主應(yīng)力

（b）最小主應(yīng)力圖1.5天然工況整體主應(yīng)力云圖（MPa）為更好觀察邊坡的應(yīng)力分布，選取4個(gè)典型橫河向截面進(jìn)行分析，位置分別為：閘軸線0+000、閘下0+73.76、閘下0+140.57、閘下0+222.38。圖1.6~1.9為該4個(gè)斷面的應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，截面的應(yīng)力分布是相近的，最大主應(yīng)力在-1.5~0.5MPa之間，整體上屬于壓應(yīng)力，F(xiàn)10斷層與各類巖石的交界以及模型的邊界部分區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值可以達(dá)到3.89MPa。最小主應(yīng)力基本屬于壓應(yīng)力，主要在-4~0MPa之間，邊界處存在應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為12.82MPa。整體應(yīng)力分布符合自然邊坡受力，故結(jié)果具有可靠性。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.6天然工況閘軸線0+0.00截面應(yīng)力圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.7天然工況閘下0+73.76截面應(yīng)力圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.8天然工況閘下0+140.57截面應(yīng)力圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.9天然工況閘下0+222.38截面應(yīng)力圖（MPa）通過FLAC3D的二分法的強(qiáng)度折減法計(jì)算得到，天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.23。根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5353-2006及《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB1001-2016/J447-2016，確定本工程邊坡類別等級和應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，見表4.1。本次計(jì)算為天然工況，屬于持久工況，故，可以得出天然狀態(tài)下邊坡是穩(wěn)定的。1.3施工期邊坡的應(yīng)力與位移1.3.1一期導(dǎo)流支護(hù)工況應(yīng)力與位移為了切實(shí)反映施工造成的位移變化，支護(hù)工況計(jì)算前將天然工況產(chǎn)生的位移歸零，以保證后續(xù)產(chǎn)生的位移為施工造成。圖1.10為施工導(dǎo)流一期對邊坡支護(hù)的條件下，邊坡整體的最大、最小主應(yīng)力圖，整體最大主應(yīng)力在-1.5~0.5MPa之間，最小主應(yīng)力在-4~0MPa之間。由圖可知應(yīng)力分布較均勻，與天然工況相近。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.10支護(hù)工況主應(yīng)力云圖（MPa）圖1.11~1.14為支護(hù)工況下4個(gè)典型橫斷面的最大與最小主應(yīng)力云圖，其中最大主應(yīng)力變化范圍-2~0MPA，和天然工況一樣，在F10斷層與其他巖體的交界處和模型邊界出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大達(dá)到2.57MPa，最小主應(yīng)力整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在邊界處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大可達(dá)12.84MPa。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.11支護(hù)工況閘軸線0+0.00截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.12支護(hù)工況閘下0+73.76截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.13支護(hù)工況閘下0+140.57截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.14支護(hù)工況閘下0+222.38截面應(yīng)力云圖（MPa）圖1.15為施工導(dǎo)流一期的位移云圖，根據(jù)圖中位移分布可知，以Z方向鉛直位移為主，總位移最大沉降出現(xiàn)在下游支護(hù)布置處，最大為0.75cm，是由于支護(hù)用的錨桿樁等對邊坡造成壓力作用，從而造成局部的沉降，對穩(wěn)定性影響弱。上游設(shè)置支護(hù)也出現(xiàn)沉降，最大位移為0.35cm。整體橫河向位移最大為0.53cm，順河向位移最大為0.16cm，Z方向鉛直位移最大為0.71cm。鐵路部分受支護(hù)影響，最大位移為0.73cm，橫河向最大位移為0.5cm，順河向最大位移為0.16cm，Z方向鉛直位移最大為0.4cm，支護(hù)對鐵路的影響較小?？偽灰茍DX順河向位移圖Y橫河向位移圖Z鉛直向位移圖圖1.15支護(hù)工況整體位移云圖（cm）取4個(gè)典型斷面對邊坡位移進(jìn)行分析，如圖1.16~1.19所示，與第四章計(jì)算結(jié)果類似，位移主要出現(xiàn)在支護(hù)區(qū)域的邊坡表面，最大位移為0.75cm，在閘下0+140.57截面，該截面坡度大容易產(chǎn)生沉降，橫河向最大位移為0.44cm，順河向最大位移為0.16cm，均出現(xiàn)在閘下0+222.38截面，Z方向鉛直沉降最大為0.71cm，出現(xiàn)在閘下0+140.57截面。鐵路區(qū)域最大位移為0.49cm，出現(xiàn)在閘下0+140.57截面，整體位移偏小，在0.4cm以下。由此可知，支護(hù)會對表面產(chǎn)生一定影響，對鐵路的影響較小，穩(wěn)定性受到的影響弱。（a）總位移圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移圖（d）Z鉛直向位移圖圖1.16支護(hù)工況閘軸線0+0.00截面位移圖（cm）（a）總位移圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移圖（d）Z鉛直向位移圖圖1.17支護(hù)工況閘下0+73.76截面位移圖（cm）（a）總位移圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移圖（d）Z鉛直向位移圖圖1.18支護(hù)工況閘下0+140.57截面位移圖（cm）（a）總位移圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移圖（d）Z鉛直向位移圖圖1.19支護(hù)工況閘下0+222.38截面位移圖（cm）通過FLAC3D計(jì)算得到，設(shè)置支護(hù)后安全系數(shù)為1.46。此工況下，由于在鐵路下側(cè)的邊坡設(shè)置了支護(hù)，保護(hù)了天然狀態(tài)下要發(fā)生滑坡破壞的位置，安全系數(shù)得到提升。根據(jù)規(guī)范的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即表4.1，本次計(jì)算為施工工況，屬于短暫狀況，得到取為1.15，故可得邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。1.3.2二期導(dǎo)流開挖工況應(yīng)力與位移由于二期導(dǎo)流開挖施工后，地下水水位下降，水下區(qū)域發(fā)生變化，因而該計(jì)算并非基于前文天然工況之上，而是根據(jù)開挖后地下水的位置，區(qū)分各類巖體水上和水下部分，進(jìn)行天然工況計(jì)算后，將之產(chǎn)生的位移與速度歸零，再進(jìn)行支護(hù)和開挖的計(jì)算，直至開挖過程完成，再導(dǎo)入相應(yīng)的開挖后的滲透體積力進(jìn)行計(jì)算，得到該計(jì)算結(jié)果。因此該計(jì)算結(jié)果的位移是基于支護(hù)、開挖卸荷、滲透體積力綜合產(chǎn)生的，相對于真實(shí)支護(hù)與開挖工況會偏大。圖1.20為二期導(dǎo)流支護(hù)開挖后，邊坡整體的最大與最小主應(yīng)力圖。由圖可以看出整體應(yīng)力分布與天然情況類似，最大主應(yīng)力在-2.0~0.5MPa之間，最小主應(yīng)力在-4~0MPa之間，整體屬于壓應(yīng)力，說明開挖的影響不大。最大主應(yīng)力云圖最小主應(yīng)力云圖圖1.20開挖工況整體應(yīng)力云圖（MPa）圖1.21~1.24為開挖后4個(gè)典型橫河斷面的最大與最小主應(yīng)力云圖，根據(jù)最大主應(yīng)力云圖可以看出，基本為壓應(yīng)力，應(yīng)力集中主要發(fā)生在模型邊界，壓應(yīng)力最高可達(dá)4.2MPa。根據(jù)最小主應(yīng)力云圖可以看出，基本為負(fù)值，屬于壓應(yīng)力，同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大可達(dá)13.26MPa，與天然工況分布類似，證明開挖對其影響不大。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.21開挖工況閘軸線0+0.00截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.22開挖工況閘下0+73.76截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.23開挖工況閘下0+140.57截面應(yīng)力云圖（MPa）（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖1.24開挖工況閘下0+222.38截面應(yīng)力云圖（MPa）圖1.25為邊坡開挖后的整體位移云圖，分布與只考慮地應(yīng)力時(shí)類似，邊坡在開挖后主要圍繞開挖部分產(chǎn)生位移，不同之處在于位移以鉛直方向和橫河向?yàn)橹?，開挖部分主要位移在0~4.8cm范圍內(nèi)，部分地區(qū)由于開挖模擬不當(dāng)，開挖面的銜接處出現(xiàn)位移劇變，順河向最大位移為2.3cm，橫河向最大位移為3.2cm，鉛直向最大位移為3.5cm，其余位置位移較小，在0~1cm范圍內(nèi)。下游鐵路部分最大位移為1.8cm，橫河向最大位移為1.3cm，順河向最大位移為0.4cm，鉛直向最大位移為1.2cm，滿足鐵路路基的沉降要求?？偽灰圃茍DX順河向位移Y橫河向位移Z鉛直向位移圖1.25開挖工況整體位移云圖（cm）4個(gè)典型斷面的位移如圖1.26~1.29，開挖處截面（閘軸線0+0.00、閘下0+73.76）位移以鉛直向?yàn)橹?，橫河向和順河向相對較小，總位移以開挖面為中心向四周減小，在開挖面底部產(chǎn)生最大位移4.6cm，未開挖處位移值較小，相對支護(hù)工況變化弱，說明非開挖區(qū)域的邊坡和鐵路區(qū)域受影響小，位移在0.9cm以下，可見開挖對鐵路的影響弱。（a）總位移云圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移云圖（d）Z鉛直向位移云圖圖1.26開挖工況閘軸線0+0.00截面位移圖（cm）（a）總位移云圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移云圖（d）Z鉛直向位移云圖圖1.27開挖工況閘下0+73.76截面位移圖（cm）（a）總位移云圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移云圖（d）Z鉛直向位移云圖圖1.28開挖工況閘下0+140.57截面位移圖（cm）（a）總位移云圖（b）X順河向位移圖（c）Y橫河向位移云圖（d）Z鉛直向位移云圖圖1.29開挖工況閘下0+222.38截面位移圖（cm）通過FLAC3D計(jì)算得到，二期施工導(dǎo)流的安全系數(shù)為1.27，根據(jù)規(guī)范的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),（表4.1），本次開挖計(jì)算為施工工況，屬于短暫狀況，得到取為1.15，故可得邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)。1.4有地下水開挖計(jì)算小結(jié)通過FLAC3D計(jì)算邊坡在天然狀態(tài)下的、施工導(dǎo)流一期和二期的邊坡安全系數(shù)，得到天然狀態(tài)下整體安全系數(shù)為1.23，一期導(dǎo)流設(shè)置支護(hù)的未開挖整體安全系數(shù)為1.46，二期導(dǎo)流設(shè)置支護(hù)的開挖安全系數(shù)為1.27，整體相對于只考慮重力的情況降低，是由于考慮了地下水以后，模型所受應(yīng)力增大導(dǎo)致。三種工況的安全系數(shù)都滿足規(guī)范的要求，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過計(jì)算兩種邊坡的變形位移，得到在施工導(dǎo)流一期支護(hù)工況和開挖工況中，支護(hù)和開挖都對成昆鐵路影響小，支護(hù)和開挖方案按設(shè)計(jì)施行可以滿足要求。邊坡和鐵路在這兩種工況下的位移見下表1.1。開挖的邊坡位移明顯增大，因?yàn)橛?jì)算所得位移將滲透體積力造成的位移也歸入了其中，因此結(jié)果比實(shí)際偏大。表1.1兩種工況邊坡鐵路最大位移匯總表工況總位移（mm）橫河向位移（mm）順河向位移