摘 要：運用波前法進行有限元法求解，對向家壩地下廠房進水口邊坡進行了三維非線性有限元計算分析，對其穩定性進行安全評價，并提出相應的邊坡加固措施。
關鍵詞：邊坡穩定 邊坡開挖 有限元法 邊界條件 邊坡加固
一、前言
邊坡穩定與否在土木工程中是一個非常重要的問題。在開挖的過程中，由于邊坡結構的改變而使其應力狀態發生變化，常常會導致邊坡失穩。因此預先做好邊坡的穩定性分析，并提出有針對性的工程處理措施，是工程順利進行的保證。本文以向家壩地下廠房進水口邊坡為例，通過三維非線性有限元計算分析，對進水口邊坡的整體穩定進行安全評價，并提出邊坡加固的工程處理措施。
二、邊坡開挖方式和分析方法
向家壩地下廠房進水口邊坡開挖方式為分層開挖、逐層開挖逐層加固。
計算方法為波前法求解的有限元方法。單元編號時先對非開挖單元進行編號，然后是后開挖的單元，最后才是最先開挖的單元。這樣就保證了在分析每步開挖后的巖體結構時，剩下單元和結點的編號仍然是連續的，且和初始單元和結點編號一致。
三、計算工況及荷載組合
本次研究分別對施工期、運行期等多種工況進行計算。計算荷載包括：水荷載（包括地下水和水庫蓄水）、巖體自重、地震荷載、巖錨荷載以及地應力作用等，用A1-A6表示。
2.工況2
在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，水荷載作用在進水口邊坡巖體上產生的變形和應力分布如下所述：
（1）位移計算成果
進水口邊坡底板的最大位移為17.318mm，比施工開挖時減少2.76mm.進水口邊坡坡面上位移的變化量要小于底板，最大僅在1mm左右。邊坡上的最大位移值為9.15mm.
（2）應力計算成果
邊坡坡面上巖體的應力變化較小，坡腳的應力變化也只有0.5MPa左右。應力分布規律基本與工況1相同。
3.工況3
工況3是在工況2的基礎上不考慮地震荷載時對進水口邊坡進行計算分析，并將其計算結果與工況2進行對比分析。
位移結果顯示，在不考慮地震荷載時，邊坡面上的最大位移為7.88mm，小于運行期考慮地震荷載時的最大位移9.15mm.進水口底板處的最大位移略有加大，為17.634mm，工況2下為17.318mm，是由該處位移Y方向分量與地震荷載方向相反所致。就整個進水口邊坡坡面的位移變化趨勢來看，位移的變化主要出現在地震荷載所加的方向上，進水口邊坡坡面巖體位移表現為Y方向位移分量較考慮地震荷載時要小。
從拉應力的分布形態來看，當運行期不考慮地震荷載時，最大拉應力依然出現在軟弱夾層處，為1.26MPa左右，相比考慮地震荷載時邊坡坡面巖體出現的拉應力要有所減小。計算結果表明，地震荷載對進水口邊坡的安全系數有一定的不利影響，但是從數值變化來看，影響不是很大。
4.工況4
工況4是在開挖完畢后，下閘蓄水至380.0m高程時，計算分析滲流作用對進水口邊坡巖體位移變形和應力分布的影響，并計算運行期間水位從正常蓄水位驟降至死水位時對邊坡位移、穩定的影響。
根據有限元計算成果，水位由河床常年水位上升到正常蓄水位，在滲流場作用下邊坡巖體上產生的位移方向與邊坡開挖產生的位移方向相反，對邊坡的影響是有利的。
而當水位從正常蓄水位驟降至死水位時，邊坡巖體位移的改變值相對較大，最大值有0.8mm左右。雖然從位移上看，水位驟降對邊坡的整體穩定性影響不是很大，但是由于巖體里面的水不能及時排除出，一方面使邊坡巖體的容重增大，增加了巖體的下滑力；另一方面，裂隙中水流所產生的靜水和動水壓力對節理較發育邊坡巖體的塊體穩定威脅較大。
5.工況5
本工況為正常運行期進水口邊坡穩定性分析，考慮的荷載有地應力、重力、水荷載、錨固荷載等。計算結果顯示，考慮錨固和水荷載時，進水口邊坡坡面上最大位移為7.42mm，較工況3的7.88mm少了0.46mm，而坡面上位移平均減少1mm左右。進水口底板回彈位移最大值為17.68mm，與工況3的17.634mm基本一致。
從拉應力的分布形態來看，邊坡坡面巖體上沒有出現1.2Mpa以上的較大拉應力。由于錨固的作用，拉應力值較工況3有所減小，馬道尖角處出現的拉應力集中在0.4Mpa以下，坡面上最大拉應力為1.18Mpa，依然出現在軟弱夾層處。
綜上所述，進水口邊坡在正常運行期內，具有良好的整體穩定性。
六、有限元計算結果分析
根據計算成果，對向家壩地下廠房進水口邊坡的變形特點和應力分布規律作如下總結：
（1） 在施工開挖時，進水口邊坡坡面變形表現為開挖引起的卸荷回彈，但其值不大，最大位移值為9.85mm.整個進水口邊坡開挖區域位移變形最大的位置在進水口底板處，其最大位移值達到20.08mm.
（2） 進水口邊坡坡面的部分區域出現拉應力，在軟弱夾層處出現0.85-1.08MPa的較大拉應力，在其它部位拉應力很小甚至不出現拉應力。在軟弱夾層附近出現較大拉應力的區域應及時進行加固，避免出現局部失穩。
（3） 在向家壩進水口邊坡開挖和加固過程中，沒有過大的拉應力和塑性變形區。進水口邊坡大多數區域處于壓應力狀態，僅在邊坡馬道局部出現較小的拉應力區，邊坡開挖卸荷顯著的深度為3-8米。說明向家壩進水口邊坡開挖是穩定的，其開挖加固順序是合理的。
七、進水口邊坡處理措施
有限元法分析計算的結果表明，在考慮了邊坡開挖、因施工爆破等可能造成的節理裂隙或卸荷裂隙貫通、持續暴雨或水庫水位驟降等因素對邊坡穩定性的影響后，邊坡位移不大，其整體穩定是有保證的。但在開挖過程中，邊坡局部受地質優勢面、層面切割形成不利的塊體組合，也可能產生局部失穩。
根據計算分析的結果和已建工程的實踐經驗，進水口邊坡采取了以下工程處理措施來保證邊坡運行的安全：
a） 邊坡
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開挖時采用先進的控制爆破技術。
b） 開挖邊坡周邊設置截水溝。開挖邊坡高程383m以上，按照排、間距3m×3m梅花形布置帶反濾層的排水孔。在T33巖層范圍設置兩層排水廊道。
c） 清除邊坡上部和附近的覆蓋層，開挖邊坡高程380m以下，設置系統錨桿Ф28@2.5 m×2.5m， L=8m，噴混凝土δ＝15cm，掛鋼筋網φ8@200mm；高程380m以上設置系統錨桿Ф28@2 m×2m， L=8m，噴混凝土δ＝20cm，掛鋼筋網φ8@250mm.
d）右岸進水口邊坡涉及有煤層開采的區域或巖體較破碎的設置區域網格梁，煤洞范圍采取局部回填混凝土的措施，回填范圍約10m～20m，同時布置帶反濾層的排水孔，采取合理的排水和防滲措施。在T33巖層范圍的各級馬道設置2000KN的預應力錨索。
參考文獻
[1] 潘家錚。建筑物的抗滑穩定和滑坡分析。北京：水利出版社，1980.
[2] 曹文貴。柘溪水電站擴機工程進水口。廠房高邊坡穩定分析與支護設計優化研究。湖南大學巖土工程研究所。2004.
[3] 佘成學。三板溪工程電站進水口高邊坡穩定計算。武漢大學水利水電學院。2003.
[4] 張強勇。巖土工程強度與穩定計算及工程應用。中國建筑工業出版社。2005.
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