S水電站左岸壩肩邊坡穩(wěn)定性仿真研究摘要工程巖質(zhì)邊坡在施工過程中大體積開挖形成臨空面，巖體出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，尤其是左岸拱肩槽坡體內(nèi)存在大量的軟弱結構面，陡傾斷層和層間錯動帶大量發(fā)育，在多種荷載的作用下易受擾動，易產(chǎn)生相對錯位變形。若不及時設計開挖支護方案對邊坡進行加固，邊坡可能會產(chǎn)生較大的變形導致失穩(wěn)破壞。因此，研究軟弱結構面大量發(fā)育的高陡巖質(zhì)邊坡的變形特點、失穩(wěn)破壞機制與加固措施，不僅能有效的對邊坡的失穩(wěn)破壞進行預測，又能為設計相應的加固措施提供參考依據(jù)。本文基于ANSYS軟件和FLAC3D軟件對白鶴灘水電站左岸壩肩邊坡的的開挖支護過程進行數(shù)值模擬。在天然，僅開挖，邊開挖邊支護三種工況下，根據(jù)數(shù)值模擬的安全系數(shù)、位移云圖等結果，對邊坡的進行穩(wěn)定性分析，并評價邊坡的支護效果。計算結果表明，邊坡開挖后以卸荷回彈為主，位移指向坡外。邊坡施加預應力錨索支護后，邊坡的安全系數(shù)、最大位移值等都得到了改善，邊坡穩(wěn)定性提高，錨索支護效果明顯。關鍵詞：FLAC3D；錨索支護；開挖邊坡；卸荷回彈目錄第一章緒論 61.1研究目的和意義 61.2邊坡穩(wěn)定性分析方法 71.3巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 91.4本文研究內(nèi)容及方法 10第二章有限差分法及FLAC3D程序 102.1有限差分法 112.1.1初值問題的差分法 122.1.2邊值問題的差分法 132.1.3差分方法的發(fā)展 132.2快速拉格朗日有限差分法 132.2.1顯式的時程方案 132.2.2拉格朗日分析 142.3FLAC3D程序的特點 14第三章白鶴灘水電站工程及地質(zhì)條件 153.1工程簡介 153.2工程地質(zhì)條件 163.2.1地形地貌 163.2.2地層巖性 173.2.3地質(zhì)構造 183.2.4巖體變形及風化 203.2.5水文地質(zhì)條件 21第四章天然邊坡穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析 224.1數(shù)值模型的建立 224.1.1邊坡剖面的選取 224.1.2數(shù)值模型的建立 234.2巖體力學參數(shù)選取 254.3模型計算邊界設置 254.3.1摩爾-庫倫屈服準則 254.3.2邊界條件 264.4計算結構分析 274.4.1應力分析 274.4.2安全系數(shù)與剪應變 27第五章開挖穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析 295.1開挖支護過程 295.2邊坡僅開挖工況下計算結果分析 305.2.1應力分析 305.2.2變形分析 345.3.3安全系數(shù)與剪應變 385.3邊坡逐級開挖支護工況下計算結果分析 385.3.1應力分析 395.3.2變形分析 445.3.3安全系數(shù)與剪應變 50第六章總結與建議 526.1支護工況與僅開挖工況的對比分析 526.1.1應力場對比分析 526.1.2位移對比分析 536.1.3三種工況下安全系數(shù)對比分析 546.2結語 54第一章緒論1.1研究目的和意義白鶴灘水電站位于我國西南地區(qū)，該地區(qū)水能豐富，具有良好的水能開發(fā)利用條件，由于建設水電站需要布置各類工程建筑物，不可避免的需要對附近的巖體進行開挖形成邊坡工程。由于該地區(qū)具有獨特的地形和地質(zhì)條件，這些高陡邊坡本身具有地應力量值高、各種軟弱結構面大量發(fā)育、變形失穩(wěn)過程復雜的特點，邊坡在開挖后不僅有強烈的卸荷回彈作用，還易在各種不利因素的作用下受到擾動，邊坡的開挖穩(wěn)定性問題尤其突出[1]，因此，在水利水電工程的建設過程中，邊坡的開挖穩(wěn)定性問題一直是重點關注的問題，需要考慮多方因素的共同影響，目前并無簡單方法可以處理。壩基邊坡進行大規(guī)模的開挖施工后巖體的應力狀態(tài)會發(fā)生改變，同時巖體由于自重應力場的影響，在水平應力的作用下會產(chǎn)生向河谷方向的位移趨勢導致邊坡沿軟弱結構面滑移而出現(xiàn)滑坡。因此，研究高陡巖質(zhì)邊坡的變形趨勢與失穩(wěn)破壞方式，可以有效的對邊坡變形進行預測，及時消除邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的不利影響，又能為邊坡的加固提供設計依據(jù)。長久以來，邊坡安全穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外重點關注的問題。1.2邊坡穩(wěn)定性分析方法在巖體工程的研究中邊坡穩(wěn)定性分析問題是一個難題，需要考慮多種荷載和因素的共同作用。邊坡穩(wěn)定性分析的方法根據(jù)工程地質(zhì)條件和工程環(huán)境的不同，大致可以分為兩個類別，分別是定性分析方法和定量分析方法。隨著科學技術發(fā)展的提高，人們對物理理論的認識也越來越深入，一些新穎的分析方法也逐漸發(fā)展起來，例如對結構可靠度進行分析的可靠度分析方法，基于模糊數(shù)學的模糊分級法，應用控制論的灰色系統(tǒng)分析法[2]，工程地質(zhì)分析法等，這些新發(fā)展的分析方法考慮的是不確定性的因素，統(tǒng)稱為非確定性分析法。定性分析方法定性分析法遠在古希臘時期就有了很好的發(fā)展，當時的學者們對于自己研究的內(nèi)容大都給以不確定的物理描述，而很少有數(shù)學公式。在工程中定性分析方法是指依據(jù)預測者本身所具有的專業(yè)知識和實際工程經(jīng)驗，對工程可能發(fā)生的位移變形與失穩(wěn)方式提出預測，是一種主觀的判斷方法。常用的定性分析方法主要有追溯斜坡變形發(fā)展全過程的自然歷史分析法、解決線性規(guī)劃問題的圖解分析法等[3]。其中，應用最廣泛的是工程地質(zhì)類比法，工程地質(zhì)類比法最適用于處理無復雜結構面的工程問題，可以快速的對影響工程安全的各個方面進行評估，同時通過與各種以往中小型工程經(jīng)驗做類比，從而迅速得得出分析的結果，因此在小工程的設計過程中應用特別廣泛，很多中小型的簡單邊坡都是采取這種分析方法，并取得了良好的分析結果。由于定性分析方法大多依靠設計者的工程經(jīng)驗，主觀性較強，沒有可靠的理論結果做論證，而隨之發(fā)展的定量分析法便可以為其做科學的論證，使結果更加科學準確。定量分析方法定量分析法最初的概念來自于伽利略，他首次把以往科學家們描述性的概念用數(shù)學公式表達出來，將數(shù)學帶入到科學，使人們對認識對象的理解由模糊到清晰，由抽象到具體。在工程中定量分析方法是指通過建立工程模型，并采用一定的數(shù)值分析方法，為工程項目可能出現(xiàn)的變形，破壞，失穩(wěn)機制等要素提供預測依據(jù)，從而為工程的下一步施工設計做準備。定量分析方法主要可以分為數(shù)值倫理分析和剛體極限平衡分析法兩大類，在工程的施工設計中，主要采取的設計方法是剛體極限平衡法，由于極限平衡分析法基于巖土體為剛體這一假設，因此巖土體本身的應力狀態(tài)并不能考慮到[4]，但是由于其計算過程簡單且計算速度較快，計算結果也具有較好的準確性，因此在設計過程也得到了廣泛的應用。其次還有有限元分析法，有限元分析方法在計算過程中需要考慮到各種物理模型，同時空間的約束作用也納入考慮，計算需要設置邊界條件，進行網(wǎng)格劃分后通過計算軟件可以得到模型的應力狀態(tài)，這是剛體極限平衡法所不能解決的，在如今的過程設計過程中，有限元分析方法已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用且越來越成熟。但是有限元分析法在大變形問題中計算比較繁瑣，對小變形問題較為適用。其中極限平衡分析法又可以分為Sama法、不平衡推力傳遞法等；數(shù)值分析方法又可以分為拉格朗日差分法（FLAC）、有限元法（FEM）、起源于分子動力學的離散元法（DEM）、、應用于對不連續(xù)節(jié)理巖體分析的不連續(xù)變形分析法（DDA）等[5]。非確定性分析方法隨著工程建設要求的精度越來越高，定性分析方法與定量分析方法已然不能滿足越來越發(fā)展的工程規(guī)模，同時伴隨著科學與學科理論發(fā)展的不斷完善，一些新的分析方法發(fā)展起來。為了取得更精確的預測數(shù)據(jù)，需要我們考慮在邊坡施工過程中的各種不確定因素，例如建設模型的不確定性和人為操作失誤的不確定性，工程巖石力學參數(shù)選取的不確定性等等，因此，考慮了不確定因素的研究分析方法應運而生，例如以灰色系統(tǒng)為研究對象的灰色系統(tǒng)理論，預測復雜系統(tǒng)行為的突變理論，除此之外還有模糊理論，隨機過程方法等?？紤]了不確定性因素工程預測數(shù)據(jù)在精度上更準確，但與此同時，其操作難度與耗費時間也大大增加。有時候工程中也會同時采取以上的幾種方法，將幾種分析方法綜合考慮，可以同時利用各種方法的優(yōu)點，從而取得更好的分析效果，這種方法稱之為復合法。在一些重要的大型工程中，大多采用復合法，可以預測得出最準確的變形破壞機制，從而為邊坡失穩(wěn)加固提供良好的參考依據(jù)。1.3巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究高邊坡穩(wěn)定性的計算方法隨著科技的進步如今已經(jīng)有較多的優(yōu)秀設計，其中最成熟且最受歡迎的計算方法是剛體極限平衡法，依據(jù)土體線性破壞準則，計算得出在靜力平衡條件下達到最大破壞強度時邊坡的穩(wěn)定性。最有代表性的極限平衡方法是瑞典國家委員會發(fā)表的并以瑞典命名的“瑞典圓弧法“，在隨后的多年內(nèi)不少學者對其進行了改進，并發(fā)展出更加科學的極限平衡方法如邊坡穩(wěn)定分析的極值原理理論。隨著時代的發(fā)展，由于計算機科學技術的提高與科學理論知識的不斷完善，一些新的邊坡穩(wěn)定分析方法逐漸發(fā)展起來，其中依靠計算機應用來研究邊坡失穩(wěn)問題變得廣泛，各種數(shù)值分析方法層出不窮，最具代表性的分析方法為有限元法與有限差分法。有限元分析是指在研究物理力學模型時采取有限元方法來分析，在研究過程中其將研究的整個物理力學模型體進行多次分解，最終劃分為多個簡單的離散狀態(tài)模型，這些獨立的離散元模型體由獨立的點組成且彼此之間互相聯(lián)系，因為劃分的離散模型其獨立的點的個數(shù)并不是無限擴大的，因此這種分析方法稱為有限元分析法。最早把有限元分析方法應用到邊坡變形計算的是Duncan和Goodman，從此數(shù)值分析方法應用于邊坡變形的計算開始大規(guī)模發(fā)展[6]。何帥采用三維彈塑性有限元計算方法對地下廠房的周圍巖體進行了有限元計算，得到了圍巖的應力與變形。肖雁征應用有限元軟件對加筋擋土墻進行了加固。Chen發(fā)現(xiàn)有限元計算方法在彈塑性邊坡中與極限平衡法得到的結果一致性良好；鐘秀梅對邊坡的抗滑樁加固應用了有限元計算程序；高越采用隨機有限單元法對正常固結黏土邊坡的可靠度進行了研究。王曉蘭基于PFC2D構建了離散元邊坡數(shù)值模型研究卸荷巖體的斷裂損傷機理并對其進行穩(wěn)定性分析。任晉嵐采用廣義強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行了研究。其中基于有限差分法的快速拉格朗日有限差分法為本文重點研究的分析方法將在第三章進行介紹。1.4本文研究內(nèi)容及方法本文主要研究西南地區(qū)金沙江處白鶴灘水電站左岸壩肩邊坡天然、開挖未支護及邊開挖邊支護三種工況下穩(wěn)定性，根據(jù)白鶴灘工程地質(zhì)手冊選取合適的力學參數(shù)，采取基于有限差分法的快速拉格朗日有限差分法對邊坡的變形、應力狀態(tài)、塑性區(qū)、安全系數(shù)等綜合分析，并對比邊坡開挖未支護及邊開挖邊支護兩種工況，以此為評價邊坡的支護效果。主要研究內(nèi)容如下：查取白鶴灘壩址的地形地貌，地質(zhì)構造，地層巖性，水文地質(zhì)條件，巖體變形及風化等工程地質(zhì)條件。根據(jù)白鶴灘壩址的工程地質(zhì)剖面資料，選取最具代表性的剖面與結構面，根據(jù)白鶴灘工程地質(zhì)報告查閱選取結構面的厚度資料，導入CAD繪圖軟件處理所選取的剖面和結構面。將CAD繪圖軟件處理的剖面資料導入ANSYS軟件進行白鶴灘水電站左岸壩肩邊坡的準三維模型建模。將白鶴灘模型資料使用接口程序?qū)隖LAC3D軟件，輸入命令流對天然邊坡天然、開挖未支護及邊開挖邊支護三種工況進行計算，基于邊坡的位移場、應力場、塑性區(qū)、安全系數(shù)等計算結果對邊坡穩(wěn)定性進行分析，并對白鶴灘水電站左岸壩肩邊坡的支護效果進行評價。第二章有限差分法及FLAC3D程序FLAC方法以流體力學為理論基礎,與之相應的FLAC3D軟件由ITASCA公司設計并不斷完善，作為一個有限差分程序，如今廣泛的應用于地質(zhì)學，地質(zhì)模擬，地下工程等學科之中，且可以解決三維模型問題。FLAC3D軟件的前身是FLAC2D，可以應用于巖土坡等工程的三維有限元分析，不僅可以分析各種模型結構的受力特點，也可以模擬塑性變形過程。[12]由于其的理論基礎為有限差分，作為一種快速高效的拉格朗日差分法，在計算過程中采取顯性的拉格朗日算法，因此可以準確的計算出材料的塑性區(qū)和剪應變增量。模型結構的整合過程僅僅需要對三維的網(wǎng)格單元進行重新劃分，計算過程中并無剛度矩陣的生成，運行壓力較小，在計算機中只需要極小的內(nèi)存即可實現(xiàn)。[9]如今FLAC3D軟件已經(jīng)在國內(nèi)有大量的應用，例如巖土工程的邊坡開挖設計支護等，張彧琦基于FLAC3D軟件對邊坡的開挖加固效果進行分析；羅維，劉鵬君等應用FLAC3D軟件研究錨索支護在某水電站邊坡中的支護效果；段越華，何忠明基于FLAC3D軟件的應用對某公路的邊坡施工方案進行擴建優(yōu)選。2.1有限差分法有限差分法應用廣泛，其明顯的優(yōu)勢在于可以求解微分方程的定解問題，對于偏微分方程和常微分方程都適用。其中求解定解問題需要考慮到多種條件的限制作用，按照空間和時間的約束可以分為兩種。第一種為邊界條件，主要考慮模型空間上的約束作用，與時間狀態(tài)無關，而另一種則稱為初值條件，其主要考慮隨著時間的變化模型狀態(tài)的變化而給模型施加的約束，一般來說，初值條件只考慮在初始時刻模型所處的狀態(tài)。所要求解的定解問題根據(jù)需要滿足的約束條件的不同，又可以分為三類：當求解方程或模型不需要考慮時間變化的影響時，此時方程僅僅需要施加一個邊界位置的約束作用，即滿足邊界條件求解，這種情況稱之為邊值問題；而當求解方程無邊界條件約束，但需要考慮時間變化的影響，該方程需要滿足的條件為初值條件，這種問題為初值問題；大多數(shù)情況下，有限差分法要求解的問題需要同時考慮邊界條件和初值條件，即需要同時滿足時間和空間上的約束，這種問題求解一般較為復雜，我們稱之為混合問題。由于微分方程的定解問題不易計算，難以得到解析解，需要采取特殊可行的方法來較處理，計算最終的解析結果，有限元差分法便是一種可行的計算方法。[10]有限差分法在求解過程中通過網(wǎng)格劃分后轉換成差分格式，在這個基礎上可以求得數(shù)值解。與此同時，需要考慮差分格式中所求的解是否唯一，所求解的穩(wěn)定性與誤差統(tǒng)計，還需要考慮網(wǎng)格大小趨于0時所求的解是否收斂等。由于有限差分法原理簡單且靈活易用，所以在計算機上容易實現(xiàn)。[11]2.1.1初值問題的差分法初值問題即求解方程與時間有關，現(xiàn)實生活中絕大多數(shù)問題都與時間有著密切的聯(lián)系，例如任何工程的施工都會持續(xù)有較長的時間，工程施工問題均為初值問題。解決初值問題需要考慮初始時刻下方程的狀態(tài)，并在求解過程中按時間的順序?qū)栴}進行差分。如果待求解的初值問題還需要考慮邊界條件的約束，那么在開始狀態(tài)之后，該初值問題的解則僅僅取決于邊界條件和初值條件。例如雙曲型方程的差分法，最典型的初值問題為?uuφ(u這個解的方程代表的物理意義為以速度a向右傳播的波（a>0）,差分法的思想第一步在于劃分網(wǎng)格，對于（2.1），（2.2）的定解區(qū)域，用網(wǎng)格進行劃分xt上述兩式代表平行于坐標軸的直線，位于x，t平面的上半部，也可以稱之為網(wǎng)格線。圖2.1網(wǎng)格線示意圖隨后建立差分格式，再判斷差分格式的截斷誤差和相容關系，計算差分格式是否收斂，最后判斷差分格式的穩(wěn)定性。2.1.2邊值問題的差分法邊值問題包括物理學中常見的定常問題如不可壓枯性流、彈性力學的平衡、電磁引力場等橢圓型方程問題，邊值問題與初值問題的不同點在于邊值問題為稀疏矩陣，可以采取雅可比法、賽德耳法與松弛法等迭代方法求解，其中應用最多的方法為松弛法中的超松弛法，其收斂速度最快，應用最方便。2.1.3差分方法的發(fā)展除了前述的線性方程差分法，隨著計算機應用的發(fā)展，實際問題遇到的多個自變量問題差分法也得到了快速的運用，例如守恒差分格式與分步法，用于求解混合型的偏微分方程。2.2快速拉格朗日有限差分法完成拉格朗日分析可行的方案是運行FLAC，由于其計算過程是“顯式”的，并無隱函數(shù)的迭代求解過程，因此其具有計算過程快，分析簡便，耗時較少的特點，在程序命令計算時，內(nèi)置的顯示時程方案也可以幫助我們進行快速分析。2.2.1顯式的時程方案由于FLAC程序所應用的公式中包含一些運動的動態(tài)方程，所以我們無法僅僅只考慮問題的靜力解答，需要考慮到物理體系的不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣才能保證當物理體系不穩(wěn)定時，所采納的數(shù)值計算方法保持穩(wěn)定。我們所研究的邊坡問題屬于非線性方程問題，具有強烈的不穩(wěn)定性，因此考慮模擬的物理體系的不穩(wěn)定特性是十分必要的。實際生活中系統(tǒng)的應變能轉化的過程，F(xiàn)LAC3D程序可以較為準確的模擬。如果所模擬的物理體系不包含慣性項，為了避免數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以采用數(shù)值模擬程序進行處理，這種處理結果結果有可能極大的偏離實際情況。作為一種顯示的時間差分方法，F(xiàn)LAC3D程序基于差分研究理論，對計算的定義域進行劃分，劃分結果是在所確定的邊界條件下遵循本構關系式，無論是線性或者非線性的，產(chǎn)生若干個六面體單元，單元的網(wǎng)格可以跟隨材料的變形發(fā)生變形如果單元應力達到了材料的屈服應力。[14]這種顯式的時間差分法將動態(tài)的松弛法與有限差分法結合起來，也考慮到了材料的線性與非線性特性，因此可以對連續(xù)不間斷的連續(xù)發(fā)展過程進行模擬演化，使復雜的問題變得簡單，最終轉變成間斷不連續(xù)的多個獨立問題來進行求解，在求解過程中，我們需要把握到三點，分別是對模型離散化，對時間與空間進行有限的差分，采取動態(tài)的解決方式。由于空間和時間差分間隔的變量相似，我們可以對其進行有限差分；同時將模型進行離散化處理，我們便可以將所求解的問題由整體狀態(tài)轉移到局部各個相應的節(jié)點，最后采取動態(tài)的解決方式可以充分考慮到周圍區(qū)域合力的影響，使結果更加準確。[15]由于顯式的方法在計算時會保持一個恒定的值且具有一個“超前”的概念，所以在只通過一個單元計算時其計算過程并不需要迭代，而對于隱式的有限元計算方法，其計算過程需要通過多次迭代達到收斂，才能充分考慮到各單元之間的關系?？傮w來說，顯式的方法需要多次運算，適用于大變形問題，而對于小變形問題由于其時步短，求解過程不是很有效率。[13]表2.1顯式方法與隱式方法的比較顯式方法（以FLAC為代表）隱式方式（以ANSYS為代表）時步較小，有穩(wěn)定條件控制時步變化劇烈，可達很高的數(shù)值每一時步的計算量較小每一時步需要進行大量的計算求解過程數(shù)值阻尼的影響不大每一時步的計算要考慮數(shù)值阻尼顯式計算方法無隱函數(shù)存在計算過程不需要迭代由于隱函數(shù)的存在求解過程復雜需要大量的迭代計算過程計算考慮時步的規(guī)律，結果便一定會以某種方式計算出現(xiàn)迭代計算需要考慮計算的穩(wěn)定性與正確的計算路徑計算過程計算機負荷小計算過程需要調(diào)用大量的計算內(nèi)存實現(xiàn)計算可以輕松計算大位移與大變形工程，不需多次計算對大規(guī)模工程計算時耗時大，計算過程復雜2.2.2拉格朗日分析拉格朗日方法建立的坐標系并不是固定的，處于不斷轉換變化之中，在大規(guī)模變形的每一時步的計算過程中，坐標系都會改變以將新的變形位移疊加，不僅如此，差分格式和材料屬性也要循環(huán)更新。與此相反，歐拉法所對應的都是固定的網(wǎng)格與坐標系。2.3FLAC3D程序的特點（1）FLAC程序內(nèi)部具有多種特殊的材料模型，可以很好的擬合巖石力學的反應過程，例如可以模擬網(wǎng)格的孔洞開挖的零模型，即(NULL)模型；應用比較廣泛的塑性模型有摩爾-庫侖模型等，總共十種材料模型可以解決大部分巖土材料的問題，除此之外，在實際應用中程序內(nèi)置的模型可能不能滿足一些專業(yè)用戶的需要，此時用戶也可以根據(jù)自己的實際需要建造自己材料模型。[16]（2）FLAC獨特的程序設計語言FISH是一個編譯器，用于定義變量或者參數(shù)，每當調(diào)用FISH函數(shù)時，存儲在FLAC程序之中的一系列指令便會執(zhí)行，例如可以通過FISH語句來生成特殊網(wǎng)格，分析變量，對邊界條件進行解釋說明，甚至還可以像上述所說的生成用戶自己的本構模型。（3）FLAC程序可以進行力學耦合計算，如流體與固體的耦合計算等，因此雖然FLAC程序最基本的計算模式是進行靜力分析，但同時也可以用于動態(tài)分析。（4）FLAC內(nèi)置有大量的分析模塊，如可以模擬材料中熱力場的發(fā)展變化過程的熱力學分析模塊、蠕變分析模塊、兩相流分析模塊、動態(tài)分析模塊等。（5）FLAC軟件內(nèi)置大量的結構單元模型，因此可以對巖體加固時采用不同的材料處理，由于各式各樣的材料性質(zhì)各不相同，其相互作用的方式十分復雜，在使用FLAC處理時，相對于其他未內(nèi)置材料結構模型的有限元軟件，其優(yōu)勢便顯而易見了。常用的FLAC結構單元包括錨索結構單元，錨桿結構單元，梁結構單元，樁結構單元等，利用這些內(nèi)置的結構單元，可以直接通過命令流在FLAC軟件便實現(xiàn)了錨桿錨索的支護方式，十分方便。（6）FLAC軟件頁面人性化，程序中三維網(wǎng)格的生成簡便易操作。在顯示界面用戶可以實時分析模型，對模型進行旋轉，多角度分析結果，LIST界面還可以生成不同的云圖與位移曲線，顯示或隱藏網(wǎng)格。[24]第三章白鶴灘水電站工程及地質(zhì)條件3.1工程簡介白鶴灘水電站地處高山峽谷地帶，位于我國西南地區(qū)金沙江流域，該地區(qū)水流湍急，蘊含的水能資源豐富，利于開發(fā)利用。其地處金沙江下游河段即攀枝花市與宜賓市之間，壩址區(qū)的西北方位靠近青藏高原地區(qū)與之接壤，而壩區(qū)的東北方向是揚子臺地區(qū)。壩址左右岸隸屬不同的省份，左岸靠近四川省跑馬鄉(xiāng)，而壩址區(qū)右岸隸屬云南省大寨鎮(zhèn)，位置較為偏遠，距離大寨鎮(zhèn)45km，距離昆明公路306km，白鶴灘水電站壩址位置布置示意圖如下圖所示。圖3.1白鶴灘壩址示意圖白鶴灘水電站的建設主要用于水能發(fā)電，其電站的裝機容量達到了16000MW,保證出力為5500MW，作為我國僅次于三峽大壩的第二大水電站，如此高的裝機容量可以保證白鶴灘周圍地區(qū)的供電穩(wěn)定，有利于當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。水電站水庫地區(qū)正常蓄水位為825m，總庫容達206.3億m3，是一個年調(diào)節(jié)水庫。壩區(qū)的電站大壩采用混凝土雙曲拱壩的設計，最大壩高達到了289m，作為一個一等大（1）型工程，在投入使用后，也起到了防洪的功能，兼顧航運功能，改善金沙江流域的通航條件。3.2工程地質(zhì)條件3.2.1地形地貌白鶴灘壩區(qū)的地勢南北方向高度不一，北部山脈的高程遠遠大于南部山脈，且地脈發(fā)生傾斜，傾斜方向指向東側，屬于中山峽谷地貌。壩區(qū)左右岸分別屬于大涼山山脈與藥山山脈，左岸地形為斜坡地形，有傾斜趨勢，方向指向金沙江河谷；而右岸的陡坡與緩坡交錯排列。左岸山峰高程大約在2500m左右，右岸山峰則相對較高，比左岸高出400m以上。壩區(qū)范圍涵蓋了大寨溝上游與白鶴灘村，壩區(qū)河流長3.6km，上下游水位分別為591m與578m，水流常年急速流動且渾濁。河流位于勘Ⅸ線上游的部分河谷較寬，大概位于590～713m；位于勘Ⅸ線與勘Ⅳ線之間的部分河谷寬一般449～534m；位于勘Ⅳ線下游的部分河谷有擴張的趨勢。谷坡左右不對稱，呈現(xiàn)”V”字形，其中左岸谷坡較緩，右岸相對較為陡峭。典型的斜坡地形在左岸谷肩以上有良好的發(fā)育，其中上游發(fā)育有范圍較大的1號緩坡（新建五隊），此外壩區(qū)范圍內(nèi)還發(fā)育有2號及3號斜坡，其中2號斜坡位于華東院基地附近，3號斜坡位于人民灣附近。2號斜坡大體上較為平整，長度為1300m，有6條沖溝在其坡面上發(fā)育，且延伸距離各不相同。人民灣斜坡的特點為高程較低時較為寬度不大，高程較高時向四周延伸[7]。左岸谷肩以上的發(fā)育的斜坡寬度大約在350m左右，左岸谷肩以下在局部則發(fā)育有兩級狹窄斜坡，順流向方向其危險壁面離地面的距離逐漸增高。左岸沖溝的擴張被明顯限制住，河水的流動也是季節(jié)性的。白鶴灘溝寬20m～40m，是金沙江的一級支流，下游為白鶴灘村，屬于Ⅰ級階地，階地后緣為陡坡，高度100m～200m。白鶴灘河溝的溝口位置由于水流的沖刷作用形成洪積扇，洪積扇由漂石組成，堵塞河口，河流斷面因此變窄導致水流流速加快形成急灘。圖3.2白鶴灘水電站拱壩布置處地形地貌3.2.2地層巖性壩址區(qū)出露的地層巖性包括玄武巖，砂巖，泥巖等。玄武巖是壩址覆蓋范圍最多的巖石類型，地質(zhì)年代為二疊系；泥巖，砂巖呈假整合接觸覆蓋于玄武巖之上，砂巖所處的地質(zhì)年代為三疊系，組別為飛仙關組。除此之外，還有第四系松散堆積物發(fā)育。[8]白鶴灘壩區(qū)分布的玄武巖，其活動性較大，火山旋回的數(shù)量較多，可以劃分為11個巖流層，劃分依據(jù)為火山噴發(fā)的序列，峨眉山組玄武巖的完整噴發(fā)旋回為從下部到上部為熔巖流、角礫熔巖、凝灰?guī)r，噴發(fā)過程中巖漿和火山活動劇烈。壩址區(qū)峨眉山組熔巖在巖層中分布極廣，除去在總厚度中總占比2.5%的火山碎屑巖和沉積火山碎屑巖，其余地層巖體分布全部為熔巖，在整個壩區(qū)中累計厚度達1500m左右。在壩區(qū)的玄武巖之上，還有呈假整合接觸的泥砂巖，其物理外觀特征為紫紅色，呈泥土質(zhì)，主要在壩址右岸有廣泛分布，高程在1100m以上，厚度為265～267m。出露于地層的部分主要是飛仙關組第一段及第二段。第四系松散堆積物分布較少，在壩區(qū)主要局部集中分布，量級不大。3.2.3地質(zhì)構造斷裂構造的表現(xiàn)形式根據(jù)斷裂構造和產(chǎn)狀的關系可以分為斷層、層內(nèi)與層間錯動帶、裂隙等形式。斷層斷層指的是大規(guī)?；蚓哂酗@著位移的斷裂構造，大部分斷層都具有60°以上的陡傾角，延伸距離不超過2km，深度不超過1km，白鶴灘壩區(qū)的斷層發(fā)育較多，寬度大都在5cm以上，性質(zhì)以平移或走滑為主，陡于巖流層傾角20°。其中規(guī)模最大的斷層為F17斷層，其他規(guī)模較小的斷層基本上都會受到F17斷層的限制，在地表上的延伸程度超過了1km，走向為NE向，除了NW向的F17斷層，其余小規(guī)模的斷層走向都為NW向，其中NWW向和NNW向斷層占了絕大部分，分別占斷層總數(shù)的53%和31%。斷層規(guī)模大多為Ⅳ級和Ⅲ級結構面，Ⅱ級結構面僅有F17及F3斷層，故把其發(fā)育規(guī)?？傮w不大。其中Ⅲ級結構面的斷層共113條，Ⅳ級結構面共75條。圖3.3壩區(qū)主要斷層分布圖層內(nèi)錯動帶與層間錯動帶層間錯動帶較斷裂構造相比，其傾角較小，故其指發(fā)育于巖流層頂部的緩傾貫穿性的構造。壩區(qū)巖層為單斜構造，向東南方位傾斜，由于無軟弱巖層發(fā)育，所以壩區(qū)無大規(guī)模的層內(nèi)層間錯動帶，但是地層內(nèi)發(fā)育有軟弱夾層，還有數(shù)量眾多的不平行整合面，在多種地質(zhì)作用的影響下層內(nèi)層間錯動帶也會出現(xiàn)。大部分壩區(qū)的層間錯動帶其巖石類型主要為泥灰?guī)r，且物理性狀為碎屑狀，包括粘粒等，外觀半徑整體在2mm以內(nèi)，其中粘粒小于0.005mm。層內(nèi)錯動帶的形成條件與層間錯動帶大致相似，是指壩區(qū)內(nèi)巖流層內(nèi)部發(fā)育的順層小角度的錯動結構，但是層內(nèi)錯動帶的發(fā)育難以模擬預測無規(guī)律，其規(guī)模，形態(tài)，性狀都與都與層間錯動帶有較大的區(qū)別。壩區(qū)左岸的層內(nèi)錯動帶與右岸相比規(guī)模要大，其組成成分與層間錯動帶無明顯差別，都是以巖屑為主，同時還包括角礫，粘粒。圖3.4左岸錯動帶分布示意圖裂隙裂隙主要可以分為三種，分別為巖石生成初期的原生裂隙、受構造應力作用生成的構造裂隙與人工開挖卸荷導致卸荷裂隙，其發(fā)育規(guī)模的大小受多種因素的影響，影響最大的為巖層的性質(zhì)。在壩區(qū)的隱晶質(zhì)玄武巖中，裂隙密集的分布，在壩區(qū)的上下盤，裂隙發(fā)育規(guī)模不一，上盤位置發(fā)育程度更大，數(shù)量更多。其中壩區(qū)的原生裂隙緊密閉合且短小，因此對壩區(qū)巖石的強度難以造成影響；壩區(qū)的構造裂隙總體上較為平直粗糙，左岸部分發(fā)育有NW向與NE向裂隙，而右岸構造裂隙主要都為陡傾角裂隙；壩區(qū)的卸荷裂隙主要順河向陡壁發(fā)育，發(fā)育程度與壩區(qū)的地形，巖性等因素有關。3.2.4巖體變形及風化巖體風化巖體的風化程度受多種工程地質(zhì)因素的影響，例如地層巖性，地形地貌等，白鶴灘壩區(qū)的風化作用影響最明顯的部位主要在各種軟弱結構面附近，在這些巖石力學性質(zhì)薄弱的部位，風化作用劇烈，可對巖體造成較大的損害，使其物理力學特征再次降低，大大影響巖石的剛度與硬度。由于白鶴灘地區(qū)巖石的硬度較高，孔隙率較低，各種巖石力學參數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異，不易受風化的影響，故壩區(qū)的風化程度并不高，巖石的力學參數(shù)并未折減老化，大部分巖體呈微風化或未風化狀態(tài)。巖體變形壩址邊坡巖體卸荷變形可受自然條件和社會條件兩個方面因素的影響，自然條件下的卸荷變形是指邊坡受到流水的沖擊作用等發(fā)生變形，社會因素是指人為的開挖施工導致邊坡變形，而最終結果都是邊坡產(chǎn)生應力重分布現(xiàn)象，巖體應力失衡，邊坡由于應力釋放作用，發(fā)生位移，方向指向臨空面。卸荷變形最終的結果是邊坡巖體出現(xiàn)應力松弛，形成各種微小裂縫影響邊坡的穩(wěn)定性，最終可能導致邊坡失穩(wěn)破壞。白鶴灘壩區(qū)的卸荷變形主要位于軟弱結構面處，導致結構面產(chǎn)生位移變形，少見巖體拉裂現(xiàn)象。卸荷變形的張開裂縫寬度一般沿著洞口至洞里逐漸減少，同時壩區(qū)左右岸變形程度不同，左岸為順向坡，右岸則與之相反，左岸的變形程度大于右岸，由于左岸緩傾錯動帶的存在，左岸的卸荷變形尤為強烈。3.2.5水文地質(zhì)條件水文地質(zhì)結構壩區(qū)水文地質(zhì)結構主要包括孔隙結構與裂隙結構，由于壩區(qū)巖體結構與透水性的差別，根據(jù)地質(zhì)構造，風化卸荷與巖體結構的不同，可以將壩區(qū)裂隙結構分為網(wǎng)絡裂隙結構，脈狀結構與塊裂結構三部分，其中孔隙結構結構較為疏松，孔隙度大，因此透水性較強，其組成成分主要為第四系沖積層，對降水的滲入起到分流作用。兩岸地下水動態(tài)特征兩岸地下水的活動具有強烈的差異，主要在于位置與地理條件的不同。其中左岸地勢較為平坦，因此大量水流匯集于左岸，水流平緩不易流動，流速較慢，導致地表水在左岸表面通過各種孔隙結構下滲，地下水補給充足，具有較好的流動性；右岸剛好相反，由于地形險峻，降水補給較少，所以地下水蓄量低且不易活動，由于地勢陡峭，右岸匯水面積也較左岸低很多。第四章天然邊坡穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析4.1數(shù)值模型的建立4.1.1邊坡剖面的選取根據(jù)白鶴灘地質(zhì)資料，了解白鶴灘左岸壩肩邊坡地質(zhì)構造。由白鶴灘左岸邊坡地質(zhì)剖面圖可知，其邊坡地質(zhì)構造復雜，各種斷層、層間錯動帶發(fā)育，對邊坡的穩(wěn)定性有較大的影響，而由于出露于地層的斷層對邊坡穩(wěn)定性的影響較小,所以對壩肩邊坡處理時做簡化處理，選取對邊坡穩(wěn)定性起控制作用的斷層與錯動帶等地質(zhì)構造。在對邊坡剖面處理時，使用CAD繪圖軟件進行簡化，其中選取的典型控制斷層包括II級結構面F17斷層，這是白鶴灘地區(qū)左岸唯一一個II級結構面，其寬度大于1m，延伸長度大于1km，對邊坡的穩(wěn)定性有極大的影響；其次還包括兩個III級結構面F110斷層與F108斷層，白鶴灘地區(qū)的III級結構面寬度在0.1~1m之間，故F110與F108斷層的寬度取為0.5m的平均寬度；除了斷層之外，還包括一些發(fā)育規(guī)模較大的錯動帶，主要有C3、C3-1、LS337、LS331、LS3318，其處理厚度取為0.2m。其中LS331發(fā)育規(guī)模最大，沿著P2β32與P2β33巖流亞層接觸面斷續(xù)發(fā)育不斷擴大最終形成，是白鶴灘地區(qū)唯一延伸至兩岸的錯動帶，其形態(tài)局部較為平直，而大范圍看其形態(tài)較為彎曲。LS337錯動帶延伸長度也較長，大約在550m左右，也呈現(xiàn)局部形態(tài)平直，大規(guī)模范圍彎曲的特點，且具有多條分支，夾雜透鏡體?？紤]到邊界效應，邊坡變形破壞特征和穩(wěn)定狀況的影響，剖面的計算范圍選取為垂直河流方向長度為570m，最大相對高度為450m。左岸邊坡巖層巖體的類型可以劃分為四類，分別為IV類、III2類、III1類、II類，巖層呈假整合接觸。圖4.1白鶴灘左岸邊坡剖面圖4.1.2數(shù)值模型的建立由于使用FLAC3D程序需要調(diào)用大量的FISH函數(shù)才能完成對不平整表面和不規(guī)則網(wǎng)格模型的建立，不易于及時對模型進行修改，難以及時發(fā)現(xiàn)問題，所以本次設計使用ANSYS軟件來進行建模的工作，劃分好網(wǎng)格后使用ANSYS-FLAC3D接口程序?qū)⒕W(wǎng)格模型數(shù)據(jù)導入FLAC3D軟件進行計算。首先是將CAD繪圖軟件簡化處理的邊坡剖面轉換成iges文件，再在ANSYS軟件中導入處理好的iges文件。ANSYS軟件中使用菜單欄中plot下的lines命令，即可得到與autoCAD一樣的線條。模型的建立采取的方法為實體建模的方法，即自下向上生成實體后再生成線、面、體。為了方便FLAC3D程序的計算，在ANSYS軟件中首先對各個結構面進行編號（這里的結構面是指各地層分界線、斷層、錯動帶等所圍成的面）在對各結構面編號之后，為了能更好的在FLAC3D程序中模擬開挖施工過程，根據(jù)巖層分界線與開挖線給各個結構面附加材料屬性。邊坡開挖線以內(nèi)的部分根據(jù)巖層分界線對各個結構面附加材料屬性，邊坡開挖線之外的巖層部分接著邊坡開挖線之內(nèi)的繼續(xù)編號，最終建立的材料屬性有94種，其中同種顏色的面表示同一種材料屬性。由于左岸邊坡地形復雜，生成了許多細小結構面，在進行網(wǎng)格劃分時，有些網(wǎng)格單元會出現(xiàn)形狀扭曲，單元線條不規(guī)整，出現(xiàn)形狀超限的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會導致邊坡內(nèi)部應力的集中，不利于計算，對應力的計算結果產(chǎn)生不良影響，甚至出現(xiàn)計算錯誤，因此在劃分網(wǎng)格時，可以采取采用較小的網(wǎng)格劃分尺寸，來減少單元的不規(guī)則現(xiàn)象。同時，在網(wǎng)格劃分時使用SOLID185單元，它是一種8結點的高階三維固體結構單元，可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)格模型。最終設置的網(wǎng)格尺寸為20，采取相同的尺寸劃分，模型生成的單元總共有9920個，節(jié)點數(shù)量為12075個。網(wǎng)格生成后對剖面進行拉伸，拉伸長度為20m，形成一個假三維模型，為了方便FLAC3C命令流的計算，為模型設置一個坐標系，其中Z方向為垂直底層向上，X方向指向河流方向,Y軸正方向指向河流上游，由于模型拉伸方向沿著Y方向進行拉伸，其變形是均勻的，故Y方向的位移與應力值一般不考慮。模型建立后使用接口程序，即可將網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)導入FLAC3D軟件形成邊坡模型。圖4.2ANSYS軟件假三維模型的建立圖4.3FLAC3D軟件數(shù)值模型4.2巖體力學參數(shù)選取白鶴灘邊坡周圍的巖體類型主要為黑云二長花崗巖與正長花崗巖，由力學試驗結果可知，微化或未風化的花崗巖其彈性模量為36.9Gpa，干密度為2.63g/cm3，故其彈性模量較高且密度較大。邊坡的巖體根據(jù)GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》主要分為四類，包括II類、III類、IV類、V類，其中II類巖體是指微新無卸荷塊狀-次塊狀結構的花崗巖巖體；III類巖體包括弱風化下段無卸荷次塊狀花崗巖巖體、微新無卸荷鑲嵌結構花崗巖巖體、微新無卸荷塊裂結構花崗巖巖體等；IV類巖體包括弱風化上段卸荷塊裂-碎裂結構花崗巖巖體、微新無卸荷塊裂或碎裂結構花崗巖巖體。左岸邊坡的結構面可以分為剛性結構面和軟弱結構面，劃分依據(jù)為充填物情況。同時，根據(jù)蝕變特性和隙壁接觸緊密程度可以將剛性結構面劃分為張開結構面、蝕變結構面和膠結結構面三種。根據(jù)物理力學實驗結果，左岸邊坡的各類巖體和軟弱結構面的各物理力學參數(shù)建議值可見下表：表4.1各巖層和結構面巖石力學參數(shù)巖體類型彈性模量/Gpa抗壓強度/Mpa泊松比?(°)c/Mpa密度/(gII15.001000.23361.402.80III112.00700.24361.102.68III211.00550.26350.752.60IV5.00350.32330.502.50F1100.60200.35280.152.22F1080.30160.35270.152.20F171.00230.34280.152.13C3-10.71220.35280.042.05C30.40180.34280.102.13LS33190.25150.33260.102.11LS3370.20180.35250.052.03LS33180.30100.35260.102.14LS3311.30230.35270.062.15覆蓋層2.00300.22321.402.304.3模型計算邊界設置4.3.1摩爾-庫倫屈服準則摩爾-庫倫屈服準則又稱又稱C-M準則，是考慮了正應力或平均應力作用的最大剪應力屈服理論，當材料發(fā)生屈服破壞時剪切面上的剪應力與正應力之比達到最大值。庫倫提出的強度理論公式為τn=C+σntan?#4.1該準則可以表述為當材料中某點在某一平面N上裝生滑移(剪切)時，作用在該面上的切應力τn除了要克服材料固有的內(nèi)聚力C外，還要克服由于作用于該面上的正應力σn所形成的摩擦力（注意，這里規(guī)定拉應力為正，而在土力學中則以壓應力為正）。將摩爾庫倫等面積圓屈服準則與有限元強度折減法相結合，可以解決在平面應變條件下有限元分析模型的選取、收斂條件、處理邊界條件的方法、以及采用大型通用有限元程序ANSYS分析邊坡穩(wěn)定時C,?值的替換原則、最后用于分析某工程深基坑復合邊坡的穩(wěn)定同理、給出該工程邊坡的安全系數(shù)。圖4.4庫倫塑性準則4.3.2邊界條件對計算區(qū)域施加約束，其中模型的兩側施加x方向的法向約束，底面節(jié)點施加x、y、z三個方向的約束，模型的前后兩面施加y方向的法向約束，約束通過FLAC3D命令流約束位移來實現(xiàn)，臨空面自由。約束命令如下：fixxyzranz-0.10.1fixxranx-0.10.1fixxranx569.9570.1fixyrany-0.10.1fixyrany19.920.14.4計算結構分析天然邊坡計算時的工況為初始工況，其應力場只有重力場，而無其他工程措施，初始工況計算的目的是為了研究邊坡在天然條件下的應力場與剪應變區(qū)的分布情況，以便為后續(xù)開挖工況與支護工況下的應力場與剪應變等做對比分析。在設置的邊界條件和初始應力場下（即重力場），邊坡在天然條件下處于平衡狀態(tài)，進行初始平衡的計算可以得到邊坡在天然條件下應力場分布，自然條件下邊坡內(nèi)部的應力分布即初始地應力分布。4.4.1應力分析計算得到的應力云圖如下圖4.5天然狀態(tài)下邊坡最大主應力云圖圖4.6天然狀態(tài)下邊坡最小主應力云圖由最大主應力云圖可知，左岸邊坡最大拉應力為0.498MPa，最大壓應力為4.649MPa；由最大主應力云圖可知，左岸邊坡均為壓應力。天然邊坡以壓應力為主，且隨著高程降低，壓應力逐漸增大，坡面存在局部的拉應力，各軟弱結構面附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在F17斷層與F108斷層之間最為明顯，總體分布符合工程實際經(jīng)驗。4.4.2安全系數(shù)與剪應變計算得到天然邊坡的安全系數(shù)為1.03，由天然邊坡應力云圖可以知道，位于F17斷層附近的大小主應力都有較大數(shù)值，且集中分布于邊坡表面與軟弱結構面附近，造成邊坡的應力集中，不利于邊坡穩(wěn)定。圖4.7天然邊坡最大剪應變增量云圖局部由天然邊坡的剪應變增量云圖可知，沿F17斷層剪應變增量有些許分布較大數(shù)值，F(xiàn)17斷層在坡內(nèi)有出現(xiàn)少許的應力集中現(xiàn)象。第五章開挖穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析5.1開挖支護過程重新定義本構模型后進行邊坡的開挖過程，使用摩爾-庫倫模型模擬巖土體，隨后輸入材料參數(shù)。由于模型計算得到的位移值為初始情況到計算階段狀態(tài)時的總的位移，而位移變化在自然狀態(tài)下早已達到了平衡，因此位移計算時，需先將初始位移值歸零，與此同時保持邊坡內(nèi)的應力場不變，這樣可以更加直觀地觀察到邊坡內(nèi)的變形與位移，使計算更加符合實際的邊坡開挖支護情況。邊坡的開挖支護分為16個階段，每個階段的開挖支護高程如下：表5.1開挖支護過程開挖高程（m）支護高程（m）開挖第一階段834未支護開挖第二階段800未支護開挖第三階段780未支護開挖第四階段760未支護開挖第五階段740未支護開挖第六階段720未支護開挖第七階段700720開挖第八階段680700開挖第九階段660680開挖第十階段640660開挖第十一階段630640開挖第十二階段620630開挖第十三階段610620開挖第十四階段600610開挖第十五階段590600開挖第十六階段585未支護開挖過程可以在FLAC3D程序中將巖土體材料設置為空（NULL）模型來實現(xiàn)，同時按照施工的實際情況對巖土體進行分步開挖，為了監(jiān)測開挖后錨固過程的位移數(shù)據(jù)，可以將開挖平臺的角點定義為控制點即關鍵點來觀察開挖工況下邊坡的穩(wěn)定性。開挖后的支護方案采用預應力錨索對邊坡進行支護加固，設計錨索的預應力為3000KN，錨索支護的間距4m×4m。在錨索的安裝過程中采取調(diào)用FISH函數(shù)的方法，可以減少大量的工作量，程序自動循環(huán)安裝，安裝過程中錨索采用錨索結構單元進行模擬。錨索的安裝過程在FLAC3D中可以采用錨索結構單元進行模擬，可以較好的模擬錨索與巖土體的作用，其中錨索結構單元的定義需要三個參數(shù)：幾何參數(shù)、水泥漿特性和材料參數(shù)。5.2邊坡僅開挖工況下計算結果分析開挖工況模擬邊坡按設計方案對邊坡進行開挖而不進行支護的施工過程，開挖工況下邊坡分為16個階段進行開挖，后續(xù)分析主要分析開挖第一、第二、第七、第十二、第十六階段的應力與變形情況。邊坡開挖后的計算結果可以分析邊坡在開挖過程中的應力場變化，為支護過程提供設計依據(jù)。為了除去重力場的影響，在開挖過程中對位移進行了歸零處理。5.2.1應力分析1.第一開挖階段：圖5.1開挖到834m最大主應力云圖圖5.2開挖到834m最小主應力云圖邊坡開挖至834m高程時，由最大主應力云圖可知，左岸邊坡最大拉應力數(shù)值為0.5Mpa，最大壓應力數(shù)值為4.490Mpa，最大拉應力主要出現(xiàn)在邊坡表面與軟弱結構面附近，在LS3319錯動帶和F17斷層處最為明顯。和與天然邊坡相比，拉應力數(shù)值增大了0.02Mpa，此時邊坡表面與軟弱結構面附近有較大的應力集中現(xiàn)象，不利于邊坡穩(wěn)定；由最小主應力云圖可知，左岸邊坡全部為壓應力，最大壓應力數(shù)值為18.4Mpa。開挖第一階段的邊坡主要分布為壓應力，且隨高程降低壓應力數(shù)值增大。2.第二開挖階段：圖5.3開挖至800m最大主應力云圖圖5.4開挖至800m最小主應力云圖第二開挖階段開挖至800m，最大最小主應力分布規(guī)律與第一開挖階段相似，而由于開挖的進行使F110斷層與F17斷層不斷出露于地表，在開挖坡面位置引起了應力的釋放導致最大主應力（拉應力）有較大程度的降低，由最大主應力云圖可知，左岸邊坡最大拉應力為0.394Mpa，最大壓應力為4.37Mpa，其中最大拉應力減少了0.106Mpa，最大壓應力數(shù)值減少了0.119Mpa；由最小主應力云圖可知，邊坡全部為壓應力，最大壓應力為17.9Mpa，邊坡主要受自重應力場的影響。3.第七開挖階段：圖5.5開挖至700m最大主應力云圖圖5.6開挖至700m最小主應力云圖第七開挖階段邊坡開挖至700m，由最大主應力云圖可知，邊坡最大拉應力為0.417Mpa，最大壓應力為4.040Mpa，最大主應力集中于軟弱結構面和開挖坡面附近，邊坡內(nèi)部基本無拉應力分布，開挖到700m高程時出露了C3與C3-1錯動帶，開挖坡面和C3錯動帶交界的部位因此出現(xiàn)較大的應力突變，此開挖階段拉應力的最大值即位于該位置，這說明開挖C3與C3-1錯動帶對邊坡造成了較大的擾動；由最小主應力云圖可知，邊坡全部為壓應力，壓應力最大值為16.5Mpa。4．第十二開挖階段：圖5.7開挖至620m最大主應力云圖圖5.8開挖至620m最小主應力云圖第十二開挖階段開挖至620m，最大主應力（拉應力）集中分布于軟弱結構面附近，在F110斷層和LS337錯動帶附近應力集中明顯，LS3319錯動帶附近拉應力明顯降低，說明開挖到620m高程時由于出露LS3319錯動帶的影響，開挖坡面應力釋放，出現(xiàn)松弛，開挖坡面附近最大拉應力降低，而上部邊坡的軟弱結構面出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，因此，下部邊坡的開挖可以影響上部邊坡的應力場分布。由最大主應力云圖可知，最大拉應力為0.388Mpa，最大壓應力為3.99Mpa；由最小主應力云圖可知，邊坡整體分布為壓應力，最大壓應力為16.3Mpa，F(xiàn)17斷層深部最大壓應力數(shù)值明顯降低。5.第十六階段圖5.9開挖至585m最大主應力云圖圖5.10開挖至585m最小主應力云圖開挖的最后一個階段邊坡開挖至585m，隨著LS3319錯動帶的不斷開挖出露，邊坡重新出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，尤其是C3錯動帶和LS337錯動帶附近最為明顯，由最大主應力云圖可知，拉應力分布規(guī)律大致未變，主要集中于軟弱結構面與開挖面附近，最大拉應力數(shù)值為0.436Mpa，增加了0.048Mpa，較開挖至620m時拉應力數(shù)值具有明顯的增大，這說明隨著開挖的施工次數(shù)越多，對邊坡的擾動越大，最大壓應力數(shù)值為4.0Mpa。由最小主應力云圖可知，邊坡全部分布為壓應力，最大壓應力為16.4Mpa，壓應力分布規(guī)律也未發(fā)生改變，邊坡表面附近壓應力數(shù)值最低，隨高程增大，壓應力數(shù)值劇烈增大。表5.2施工過程大小主應力最大值變化表施工順序最大主應力(MPa)最小主應力(MPa)拉應力壓應力拉應力壓應力10.54.49無18.320.3944.37無17.930.4294.29無17.540.4984.20無17.150.4844.13無16.860.4414.08無16.670.4174.04無16.580.3974.01無16.490.3783.99無16.3100.3653.99無16.3110.3743.99無16.3120.3883.99無16.3130.3973.99無16.3140.4043.99無16.3150.4264.00無16.4160.4364.00無16.4由整個施工過程中最大拉應力的變化情況可知，最大拉應力在第二開挖階段發(fā)生突變，這是由于由于出露F110斷層和出露F17斷層導致邊坡表面應力釋放，最大拉應力有明顯的減少；在開挖的第二到第六階段，由于開挖施工對邊坡的擾動，邊坡表面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最大拉應力數(shù)值不斷增大；開挖第七階段至第十階段，由于不斷出露C3、C3-1、LS3319錯動帶，邊坡再次應力釋放，最大拉應力數(shù)值不斷降低；之后的開挖階段，下部邊坡的施工造成了中上部邊坡的擾動，中上部邊坡軟弱結構面附近再次出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。整個過程的最小主應力均為壓應力。[17]5.2.2變形分析1.開挖第一階段：圖5.11開挖至834m邊坡總位移云圖圖5.12開挖至834m邊坡X方向位移云圖第一開挖階段邊坡開挖至834m高程時，由于開挖卸荷的影響，邊坡X方向位移集中于F110斷層與坡面交界附近，達到7.6mm，邊坡總位移由坡頂內(nèi)部向四周逐漸減小，總位移最大值為20.6mm，表現(xiàn)出向上回彈的特性。2.開挖第二階段：圖5.13開挖至800m邊坡總位移云圖圖5.14開挖至800m邊坡X方向位移云圖邊坡開挖至800m高程時，開挖坡腳處也出現(xiàn)向上回彈的現(xiàn)象，總位移達24.5mm，與第一開挖階段相比，變形明顯增加，這個現(xiàn)象也表明坡體的長度和開挖次數(shù)對邊坡的影響明顯，開挖次數(shù)越多，邊坡受到的擾動作用就越大，因此出現(xiàn)較為明顯的變形，邊坡因此變得不穩(wěn)定，因此邊坡應該就此考慮相應的加固措施。X方向位移集中于F108斷層與坡頂交界處，X方向位移最大值為13.1mm，說明隨著開挖的加大，開挖坡面上有出現(xiàn)不斷增大且指向坡外的正向位移，可以考慮在此設置支護措施。[23]3.開挖第七階段：圖5.15開挖至700m邊坡總位移云圖圖5.16開挖至700m邊坡X方向位移云圖開挖至第十階段即開挖至700m高程附近，邊坡總位移與X方向位移最大值均出現(xiàn)在C3錯動帶與開挖線交接處，即高程720m左右，其中X方向位移最大值為23.3mm，總位移仍集中于坡腳附近，總位移最大值為57.5mm。由于C3錯動帶出露處巖層的水平位移明顯，較之前的開挖階段有極大的位移變形，務必需要在此設置支護措施減少擾動。4.開挖第十二階段：圖5.17開挖至620m邊坡X方向位移云圖圖5.18開挖至620m邊坡總位移云圖第十二開挖階段開挖至620m高程，X方向位移最大值仍集中于C3錯動帶與開挖線交界處，總位移最大值擴大到C3錯動帶與F17斷層之間的開挖線附近，X方向位移最大值為24.9mm，總位移最大值為59.9mm。4.開挖第十六階段：圖5.19開挖至585m邊坡X方向位移云圖圖5.20開挖至585m邊坡總位移云圖由620m開挖至585m，邊坡X方向的位移分布規(guī)律無明顯變化，都集中于C3錯動帶與開挖線的交界線附近，即高程720m附近，邊坡最危險的位置即位于此處，同時X方向位移最大值由24.7mm增加至26mm。再次驗證了邊坡的開挖次數(shù)對邊坡穩(wěn)定的不利影響，隨著開挖的不斷進行，變形將會不斷增加，同時需要著重考慮C3錯動帶出露處的變形，設置相應的支護措施。由620m開挖至585m，邊坡的總位移分布規(guī)律也無明顯變化，總位移的最大值發(fā)生了改變，且與X方向位移變化規(guī)律相反，隨著開挖的不斷進行，總位移的最大值越來越小，由59.9mm逐漸減少至59.4mm，但數(shù)值變化不大，都集中分布于F17斷層與C3錯動帶之間的開挖線附近。這是由于出露LS3319錯動帶后，繼續(xù)開挖對邊坡軟弱帶的擾動開始減少。表5.3整個開挖過程位移變化表施工順序水平位移最大值（mm）總位移最大值（mm）17.6420.6213.124.6313.634.2414.043.1513.748.9621.854.7723.457.5824.359.2924.659.81024.759.91124.859.91224.959.91325.059.81425.359.71525.859.51626.059.4由整個開挖過程中最大水平位移的變化可知，在前五個施工階段，即開挖至740m高程之前，邊坡的最大水平位移都集中在斷層出露的開挖坡面處，在開挖至800m時，位于F110斷層出露于開挖坡面的位置；在開挖至740m高程時，位于F17斷層出露于開挖坡面的位置，在開挖至740m高程之前，最大水平位移僅在第五開挖階段降低了較小數(shù)值，隨著開挖高程的降低，最大水平位移緩慢增大，其中豎直位移占主導地位，邊坡的最大總位移中最大水平位移占比不到30%。在開挖至720m高程時，最大水平位移發(fā)生突變，由13.7mm增加至21.8mm，由于出露了C3錯動帶的影響，在邊坡本身的自重應力場的聯(lián)合作用下，邊坡有向軟弱結構面滑移的趨勢，產(chǎn)生較大的水平位移趨勢，方向指向河谷，至此，邊坡只要受水平卸荷的影響，在最大總位移中，最大水平位移占比增大。邊坡在開挖至680m之前，水平位移都有較大程度的增大，之后的開挖階段最大水平位移都以較小的增加趨勢增加，且最大水平位移一直穩(wěn)定分布在C3錯動帶出露處，所以將設計在此處設置支護措施進行邊坡的加固。最大總位移在開挖至第十階段都呈增大趨勢，可見邊坡的開挖次數(shù)會對邊坡造成較大的擾動，而第十開挖階段之后，最大總位移開始減少，由前述應力分析可知，此時的邊坡擾動主要影響為上部邊坡的應力場。5.3.3安全系數(shù)與剪應變通過命令流計算得到邊坡開挖后的安全系數(shù)為1.37，邊坡開挖后更顯穩(wěn)定，其原因在于邊坡位于F17斷層與C3錯動帶之間的巖體穩(wěn)定性差，應力較為集中，且變形較大，在邊坡開挖后，這部分危險巖體被開挖，邊坡穩(wěn)定性提高。圖5.21開挖至700m邊坡最大剪應變增量云圖開挖至700m時，邊坡的最大剪應變增量有較大的數(shù)值，且沿軟弱結構面分布，此開挖階段邊坡受到較大的擾動，需要著重考慮該階段的支護措施，減少變坡的滑移趨勢。5.3邊坡逐級開挖支護工況下計算結果分析由開挖工況的位移云圖可知，邊坡高程大于740m的位置其位移變化較小，大約在25mm左右，未達最危險的區(qū)域位移值的一半，因此其穩(wěn)定性較好，故設置錨索支護時，可以在740m高程處開始布置。由于支護工況下工程的施工是邊開挖邊支護，因此支護工況下邊坡開挖至720m處時，并未開始設置錨索支護，邊坡的位移云圖與應力云圖與僅開挖工況相同，在此便不再分析。當邊坡從720m高程開挖至700高程時，將同時對邊坡進行支護措施，錨索將支護到720m高程，支護工況下的應力與位移分析將從此處開始。圖5.22支護工況下開挖完畢的邊坡模型5.3.1應力分析支護過程最大主應力云圖圖5.23開挖到700m支護到720m圖5.24開挖到680m支護到700m圖5.25開挖到660m支護到680m圖5.26開挖到640m支護到660m云圖圖5.27開挖到630m支護到640m圖5.28支護到630m圖5.29開挖到610m支護到620m圖5.30開挖到600m支護到610m時圖5.31開挖到590m支護到600m圖5.32開挖到585m由支護過程中的最大主應力云圖可知，其最大主應力（拉應力）分布規(guī)律并未發(fā)生明顯的改變，且與僅開挖工況下的分布規(guī)律也相同，即最大主應力沿軟弱結構面與坡面集中，并向四周擴散減少，隨著開挖與支護工作的進行，最大拉應力的變化情況為:0.43Mpa、0.41Mpa、0.38Mpa、0.36Mpa、0.37Mpa、0.37Mpa、0.38Mpa、0.4Mpa、0.41Mpa、0.43Mpa、0.44Mpa,可見最大拉應力最大值先降低后增加，在支護到630高程處時達到最小值。這是由于開挖到LS3319錯動帶之前，不斷出露包括F110，F(xiàn)108,F17,C3,C3-1在內(nèi)的軟弱結構面，導致邊坡的應力釋放，最大主應力數(shù)值有所降低，而開挖到LS3319錯動帶之后由于邊坡受到擾動的影響再次導致應力集中，并隨著開挖高程的不斷減少，卸荷深度不斷增加，應力集中現(xiàn)象越來越明顯，且應力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在邊坡的上層，即F110斷層和LS3318錯動帶所在的巖體部位，這說明邊坡的下部開挖也會影響到邊坡上層結構的穩(wěn)定性。最大壓應力變化情況為4.039Mpa、4.009Mpa、3.994Mpa、3.989Mpa、3.989Mpa、3.988Mpa、3.989Mpa、3.991Mpa、3.994Mpa、3.997Mpa，分布于邊坡高程最低的位置，壓應力分布規(guī)律為隨高程降低，壓應力數(shù)值增大。支護過程最小主應力云圖圖5.33開挖到700m支護到720m圖5.34開挖到680m支護到700m時圖5.35開挖到660m支護到680m圖5.36開挖到640m支護到660m圖5.37開挖到630m支護到640m圖5.38支護到630m時圖5.39開挖到610m支護到620m圖5.40開挖到600m支護到610m圖5.41開挖到590m支護到600m圖5.42開挖到585m時由支護工況下最小主應力云圖可知，最小主應力全部為壓應力，邊坡的最小主應力分布規(guī)律隨著開挖支護措施的進行并未發(fā)生變化，且與僅開挖工況下分布規(guī)律相同，即沿著坡面向邊坡內(nèi)部壓應力數(shù)值逐漸增大，最大壓應力分布在邊坡底部。隨著開挖與支護工作的進行，最大壓應力的變化情況為16.5Mpa、16.4Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.4Mpa，邊坡底部壓應力穩(wěn)定（F17斷層深部）。邊坡表面附近壓應力數(shù)值較低，開挖高程逐漸降低時，小壓應力帶延伸至邊坡內(nèi)部，在F17斷層靠近河谷一側最為明顯，壓應力數(shù)值明顯降低，其受自重應力帶的影響越來越小，可見此時開挖坡面和軟弱結構面附近主要受水平向應力場的影響，自重應力場作用減弱。表5.4支護工況大小主應力最大值變化表施工順序最大主應力(MPa)最小主應力(MPa)拉應力壓應力拉應力壓應力10.54.49無18.320.3944.37無17.930.4294.29無17.540.4984.20無17.150.4844.13無16.860.4414.08無16.670.4324.04無16.580.4144.00無16.390.3843.99無16.3100.3643.99無16.3110.3723.99無16.3120.3733.99無16.3130.4003.99無16.3140.4123.99無16.3150.4313.99無16.3160.4414.0無16.4（其中前六個施工階段未設置支護措施）

5.3.2變形分析X方向位移云圖圖5.43開挖到700m支護到720m圖5.44開挖到680m支護到700m圖5.45開挖到660m支護到680m圖5.46開挖到640m支護到660m圖5.47開挖到630m支護到640m圖5.48護到630m圖5.49開挖到610m支護到620m圖5.50開挖到600m支護到610m圖5.51開挖到590m支護到600m圖5.52開挖到585m由支護工況下各施工階段的X方向位移云圖可知，邊坡的X方向位移最大值主要出現(xiàn)在高程為720m左右的C3錯動帶附近，與僅開挖工況下X方向位移分布規(guī)律相似，X方向位移最大值變化規(guī)律為21.4mm、21.9mm、22.1mm、22.1mm、22.2mm、22.3mm、22.4mm、22.6mm、22.9mm、23.1mm，隨著開挖支護工作的不斷進行，x方向位移最大值不斷增加，這是由于開挖次數(shù)的不斷增加導致邊坡的擾動越來越大，邊坡的變形因此增加，邊坡穩(wěn)定性變差。由于邊坡采取了邊開挖邊支護的施工方案，不難發(fā)現(xiàn)逐級開挖后邊坡的X方向位移變化增加速度很慢，開挖到最后一個階段時，邊坡的最大位移為23.1mm，與僅開挖工況下最后一個施工階段的的X方向位移相比，位移減少了3mm，明顯提高了邊坡的中部穩(wěn)定性，減少了C3錯動帶出露于開挖坡面巖體的X方向位移。當邊坡發(fā)生位移時，變形部位的巖土體會對所設置的錨索發(fā)生相對作用，錨索因此產(chǎn)生剪切與拉伸作用，[20]巖土體的變形因此受到了限制，穩(wěn)定性得到提高，錨桿的設置對邊坡淺層具有良好的加固作用。支護工況下的總位移云圖圖5.53開挖到700m支護到720m圖5.54開挖到680m支護到700m圖5.55開挖到660m支護到680m圖5.56開挖到640m支護到660m圖5.57開挖到630m支護到640m圖5.58支護到630m圖5.59開挖到610m支護到620m圖5.60開挖到600m支護到610m圖5.61開挖到590m支護到600m圖5.62開挖到585m支護工況下總位移主要集中于C3錯動帶與F17斷層之間靠近邊坡表面的巖體，由坡面向邊坡內(nèi)部總位移值不斷減少。支護工況下各個施工階段的總位移最大值變化情況為56.4mm、57.9mm、58.5mm、58.6mm、58.5mm、58.4mm、58.2mm、58.1mm，可見邊坡總位移最大值隨著開挖加固的進行先增大后減小。這是由于開挖到LS3319錯動帶之前，由于開挖過程中邊坡在先期應力場的作用下，有較大的卸荷回彈，邊坡坡面出現(xiàn)較大的卸荷變形，方向指向右上方，位移較大，由于預應力錨索的強度限制，未能全部限制位移，開挖至630m高程之后巖層出露的軟弱結構面主要為LS3319，邊坡的應力場作用也較弱，卸荷回彈不明顯，變形主要由開挖高程的不斷降低對邊坡的擾動來產(chǎn)生，[18]此時由于設置了錨索，限制了邊坡的位移，在一定程度上保證了邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的變形都控制在59mm以內(nèi)，起到了主動防護的作用。[22]邊坡的位移由坡面向坡內(nèi)逐漸降低，錨索的布置間距不宜過大，否則可能會削弱錨索對邊坡淺層位移的限制作用。設置錨索前僅開挖工況下，開挖至最后一個階段的總位移值為59.6mm，支護工況下開挖最后一個階段位移值減少了1.5mm，可見錨索對邊坡位移具有明顯的限制作用。[21]圖5.63開挖到700m時邊坡的位移方向表5.5支護工況最大位移變化表施工順序水平位移最大值總位移最大值17.6420.6213.124.6313.634.2414.043.1513.748.9621.854.7721.456.5821.957.9922.158.51022.158.61122.258.61222.258.61322.458.51422.658.41522.958.21623.0.3變形的危險區(qū)域監(jiān)測點位移曲線圖5.64監(jiān)測點位置圖5.65監(jiān)測點位移變化曲線本文在變形最大的主要結構面上設置了關鍵點來監(jiān)測邊坡開挖支護過程中的位移變化規(guī)律，圖5-87即表現(xiàn)了C3結構面出露于坡面附近的巖層關鍵點的位移變形曲線。從圖中可以看出在中上部巖體進行開挖時，觀測點占主導地位的變形主要是豎直向位移，這是由于邊坡的卸荷變形導致坡面巖體有卸荷回彈的趨勢，且隨著開挖的不斷進行，由于開挖的初期未設置錨索支護措施，觀測點X向位移和豎直向位移均有明顯的增大。當開挖高程不斷降低，在LS3319出露于坡面之后，水平向位移與豎直向位移均達到最大值，且隨著開挖高程的降低位移不再明顯增加，僅呈緩慢的變形速率保持較大的變形趨勢，此時觀測點的水平向位移主要是由于軟弱結構面LS3319的出露導致其下部約束釋放，觀測點在自重應力場的作用下有向河谷方向變形的趨勢，上部的卸荷回彈變形在此時也已累計至最大值，但占主導地位的變形趨勢是X向位移，此后的開挖階段也將是向河谷方向的位移占主導地位。最終測點的豎直位移為54mm，水平向位移為19mm。5.3.3安全系數(shù)與剪應變邊坡在支護工況下施工計算得到的安全系數(shù)為1.52，在使用錨索對邊坡進行加固后，邊坡的穩(wěn)定性得到明顯的提高，邊坡的變形得到改善。由于施加了預應力錨索，邊坡的開挖工程中的應力場和位移場都會得到調(diào)整，有利于邊坡穩(wěn)定，預應力錨索的設置限制了邊坡的變形，在邊坡發(fā)生擾動有位移增加的趨勢時，巖體和錨索的相對作用會減輕該變形的趨勢，從而達到減小位移的作用，尤其是淺層邊坡附近的位移變形。邊坡在設置錨索后邊坡和錨索固結成為一個有機的復合整體，大大的提高了邊坡的穩(wěn)定性。[19]可見為邊坡設置錨索支護的方案是切實可行的。開挖支護工作的不斷進行，最大剪應變速率云圖的變化過程圖5.66開挖到800m圖5.67開挖到740m圖5.68開挖到700m支護到720m圖5.69開挖到680m支護到700m圖5.70開挖到610m圖5.71開挖到585m上圖為左岸邊坡支護開挖期間邊坡最大剪應變增量云圖的變化情況，其中顏色越淺的地方剪應變率最大，可以看出，邊坡開挖過程中在出露F110，F(xiàn)17斷層時，剪應變率都出現(xiàn)較大的數(shù)值，集中分布在軟弱結構面附近，該區(qū)域有較大的應力集中現(xiàn)象，尤其是開挖至LS3319結構面時，邊坡的剪應變增量最大，此時邊坡受到的擾動最大，這也說明下部巖體的開挖會導致上部巖體的擾動，影響上部巖體的變形。出露LS3319導致剪應變增量增大的原因是邊坡此處地應力數(shù)值較大而巖體的力學特性較為薄弱，開挖后巖體的水平位移占主導地位，邊坡發(fā)生水平卸荷作用，受水平向的剪應力拉伸產(chǎn)生變形。在出露了LS3319斷層之后，剪