两种三维数值模拟软件在某水电站前堆积体稳定性分析中的应用

两种三维数值模拟软件在某水电站坝前堆

积体稳定性分析中的应用朱继良0前言在建的某水电站位于澜沧江中游，是澜沧江中、下游河段梯级电站的龙头电站，为梯级开发的关键性工程。大坝选用双曲拱坝坝型，坝高292m，为世界之最。水库总库容为151.32亿m3，具有多年调节性能，总装机容量为4200MW，多年平均发电量为188.9亿KW.H。堆积体位于大坝的上游侧，距大坝最近处的直线距离约120m。堆积体内布置有凤小公路、高低两层缆机平台、坝顶公路、电站进水口等重要建筑物。由于堆积体天然边坡较陡，对其中下部进行了大方量开挖。它一旦失稳，将会对该水电站大坝等重要建筑物造成毁灭性的破坏，所以开挖后堆积体的稳定性如何？一直倍受各有关部门的关注。采用某一种软件进行数值模拟的文献较多，但采用多种软件对同一种模型进行模拟计算则较为少见，特别是3D-Sigma和3D-Flac。作者等在野外现场勘察的基础上，采用上述较为通用的两种三维有限元软件对其稳定性进行模拟研究，并与野外调研相验证。1堆积体概况1.1堆积体地质概况图1堆积体开挖前平面图冲沟主要是在F7、F3断层基础上冲刷而形成。开挖前，平面形态微向上游突出，呈长条形（图1）。纵向长度约840m，横向宽度为130〜160m，铅直厚度20〜30m，局部达42m，总方量约1.76X106m3；开挖后，平均形态似长舌形，总方量约1.3X106m3。图1堆积体开挖前平面图堆积体开口线最高点高程为1520m,最低点高程1250m左右。以1420m高程（凤小公路）为界形成上下两级陡坡，1420m以下平均坡度为40°，以上平均坡度为43°。开挖总方量4.05X105m3，约占总体积的23%。图2堆积体Y-Y’剖面图堆积体中上部下伏基岩为Miv-1层的黑云花岗片麻岩，中下部（大体上在1380m以下）为角闪斜长片麻岩（MIV-2）,厚度图2堆积体Y-Y’剖面图堆积体下伏基岩中有一条EW向展布的坝区规模最大的区域性大断层，即F7断层。它西起秀山村北侧，往东沿沟延伸，过澜沧江经饮水沟至龙台路南侧尖灭，全长约5.0km，产状：N80°~90°W/NEZ80°~82°，破碎带一般宽约3.8〜5.0m，影响带宽度达20~30m，带内可见2〜3个主破裂面。从最新揭露情况看，堆积体中下部残留体基本上沿F7断层带发育的深槽分布。堆积体内地下水为孔隙水，堆积体本身渗透性强。旱季堆积体内基本上无地下水，雨季坡体内地下水变动频繁，总体较低。地下水主要受大气降水补给。工程区的地震烈度为伽度。设计采用的参数为地震峰值加速度为0.169g。1.2堆积体边坡结构特征及地质分析堆积体上部（1360m以上）纵向方位为N72.7°E，横向宽度一般在116〜160m之间，其中在高程范围1380〜1570m之间，其横向宽度最大，为150〜165m;下部纵向方位转为S78.8°E，横向宽度在70〜85m之间。从地形特征上，在1360〜1450m之间，堆积体有一个较为明显的收口转向特征（图1），这种收口转向特征有利于堆积体的稳定。堆积体主要由碎石、块石、孤石夹粉土组成，块石、孤石直径0.3~5m不等，块石、孤石含量在20〜35%。堆积体中块石、孤石以骨架形式存在，间隙中一般充填碎石、粉土，结构较紧密，与下伏基岩接触面不存在相对软弱夹层。堆积体铅直厚度一般为20~30m，沿纵向和横向变化较大，在堆积体下部，沿F7断层内形成了堆积体深槽。基覆界面起伏较大（图2），沿纵向形成一陡一缓的界面形态。从底滑面形态特征上看，在1360〜1450m之间的收口特征较为明显。堆积体下伏基岩主要为全、强风化卸荷岩体，强风化带铅直厚度一般为l0~50m。堆积体中下部，F7断层破碎带主导了堆积体的空间展布特征。2模型的建立

模型以正北方向为X轴正方向，以正东方向为Z轴的正方向，以铅直向上为Y轴的正方向（见图3）。其范围包括整个堆积体，高程为海拔高度1000m至1840m。即其大小为410m（宽，沿X轴）X1000m（长，沿Z轴）X840m（高，沿Y轴）。因主要考虑堆积体的变形与破坏情况，对堆积体以外的岩性作了相应的简化，按单一岩性进行考虑，所以f7、F3断层在建模时进行了适当的概化，没有进行考虑，只是在该部位的物理力学性质上做了一些调整（降低了其物理力学参数），对整个堆积体的变形与破坏来说，计算结果偏安全。模型的力学边界采用两侧面（X方向）、前后缘侧面（Z方向）及底面（Y方向负方向）单向约束。模型共划分19380个单元和84708个节点。其中，在3D-Sigma中，采用Drucker—Prager屈服条件的弹塑性模型进行计算，而在3D-Flac计算中，基岩的材料按弹性，堆积体的岩性则采用弹塑性回。两种计算方法均为天然情况。3力学参数的选取（a） （b）图3三维计算模型图备注：（b）为堆积体形态堆积体边坡由基岩和松散的堆积物组成，基岩的力学参数参照本区II类岩体，堆积体的参数由试验和工程经验类比所得。其中，在3D-Flac（a） （b）图3三维计算模型图备注：（b）为堆积体形态体积模量（K）体积模量（K）和剪切模量（G）的换算公式见下式:K=3(1-2v)G=2(1+v)式中：K为体积模量，G为剪切模量，E为弹性模量，v为泊松比表1岩土体物理力学参数取值表名称E(Mpa)vY(KN/m3)c(MPa)U(°)t(MPa)①200000.230.0261.8521.0②5000.320.0230.05360备注：①为基岩；②为堆积体

4结果分析通过使用3D-Sigma和3D-Flac等两种三维有限元对堆积体的稳定性进行数值模拟分析，并比较其异同点。下面主要从应力（包括主应力与剪应力）、位移（变形）和塑性破坏区（状态）等几方面］对模拟结果加以分析说明。4.1应力应力主要从主应力与剪应力两方面进行说明。其中，3D-Sigma用剪应力T沪进行说明，3D-Flac用剪应变增量进行说明。4.1.1主应力两种数值模拟结果均显示，见图4（a），图4（b）（以下若不作特别说明的，图（a）均指3D-Sigma的模拟结果图；图（b）均指3D-Flac的模拟结果图）：主应力场（包括。「O图4（b）（以下若不作特别说明的，图（a）均指3D-基岩内为高应力区，堆积体内为相对低应力区。此外，在堆积体的中前缘部位主应力较大，也较为集中。在方向上，主应力迹线开始发生偏转，最大主应力逐渐平行于地表，与此同时，最小主应力则逐渐与地表相垂直。此外，在堆积体前缘部位可见明显的收口效应，最大主应力从堆积体侧缘向其内部过渡时，其应力方向逐渐向堆积体内部发生偏转，而基岩内的最大主应力方向则保持不变。此外，在堆积体的两侧缘、后缘及中部的局部部位，堆积体内的应力有压应力转化为拉应力，特别是1610m高程附近这种现象尤为明显，它们对堆积体的破坏起着非常重要的作用。不同点是：在3D-Sigma中，主应力的量值（17.02MPa）比3D-Flac中的量值（16.48MPa）略微偏大。4.1.2剪应力（剪应变增量）(b)（a）图5剪应力（变增量）等值线图（Y-Y’剖面）0ContfliirofSlwarSlrHibIncrcn>ml:(b)（a）图5剪应力（变增量）等值线图（Y-Y’剖面）0ContfliirofSlwarSlrHibIncrcn>ml:CdinadiftiTt01-0.2Q30-0.-10SAIL即90-1.00L0-3.203D-].4050-1.的Inten^L=0-10Lnterval=O-025（b）（Y-Y’剖面）图6合位移（U）等值线及位移矢量图从图5（aLnterval=O-025（b）（Y-Y’剖面）图6合位移（U）等值线及位移矢量图值得说明的是：在3D-Flac中也有剪应力，且其表现与3D-Sigma基本相同，为了更直观地显现堆积体的潜在滑动面，所以在前者选用了剪应变增量。此外，前者的主应力的量值（1.60MPa）略比后者（1.606MPa）小些。4.2位移ContonfoiDisp-

lacementMag.

0.明DTKD75

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CL125-0.150

0-150-0.175

0.175-0.200

0.ZOO-Q.225

oa225-0.250

0,250-0,275

0.27E-Q.232另一方面，是受堆积体时效变形及下部潜在滑动从位移图（图6）上可知，在堆积体后缘表面（部）ContonfoiDisp-

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0.27E-Q.232另一方面，是受堆积体时效变形及下部潜在滑动此外，由于其前缘过窄，受其前部基岩的阻挡，以致使其位移不能很好的向下传递，才导致其向下位移变小，与此同时，其方向也有所改变，只沿前缘较窄处向河谷方向运动。这说明其前缘具有明显的收口效应，对坡体的稳定性起着重要的改善（控制）作用。不同点是：在3D-Sigma中，堆积体由于变形所产生的总位移（29.45cm）比3D-Flac中的所产生的总位移（29.19cm）略为偏大。4.3破坏区域堆积体的整体稳定性较好，不会发生较大规模的变形或破坏（图7）。堆积体的中部附近（1472〜1610m高程）为主要变形或破坏区，有可能发生部分的变形或破坏，其破坏底界

为堆积体与基岩接触面及附近的一定范围，星的浅表部破坏，其深度一度不超过5m。图7（b）还显示：堆积体底部的破坏主要为剪破坏（shear-p与tension-p是指堆积体在应力调整过程中，即系统最大不平衡力达到平衡时，堆积体所产生的剪破坏和张破坏，none是指没有破坏的部分），表面（部）主要为张破坏并伴随一定的剪破坏；此外，它还表明堆积体现阶段稳定性状况较好，没有产生剪破坏与张破坏产生（shear-n与tension-n是指堆积体现阶段所产生的剪破坏和张破坏）。破坏深度一般为10〜20m。堆积体前后缘也有零（a） （b）（Y-Y’剖面）破坏深度一般为10〜20m。堆积体前后缘也有零（a） （b）（Y-Y’剖面）图7破坏区域图（shear-p与tension-p）的区域大致与前者相当。总的来说，堆积体整体稳定性较好，不会发生大范围的变形或破坏。主要变形破坏区集中在高程1472〜1610m的范围内。5小结野外现场调研与堆积体的三维数值模拟结果表明：⑴堆积体边坡由下伏基岩与松散的堆积物组成，堆积体与下伏基岩接触面不存在相对软弱夹层，属深切冲沟型崩塌式堆积体。⑵堆积体平面与空间形态开挖前后均近似成长条形（状），且堆积体在1360〜1450m之间有一个较为明显的收口转向特征，它利于增加堆积体的稳定性。⑶堆积体的应力场主要表现为以自重应力场为主，其应力主要受岩性控制。应力在堆积体与基岩接触的部位具有屏蔽效应，分异现象较为明显。基岩为相对高应力区，堆积体为相对低应力区，且在堆积体内部其中前缘的应力较大。⑷堆积体的潜在滑面为堆积体与其下伏基岩接触部