向家坝地下厂房进水口边坡稳定性分析及边坡加固措施

摘 要：运用波前法进行有限元法求解，对向家坝地下厂房进水口边坡进行了三维非线性有限元计算分析，对其稳定性进行安全评价，并提出相应的边坡加固措施。

关键词：边坡稳定 边坡开挖 有限元法 边界条件 边坡加固

一、前言

边坡稳定与否在土木工程中是一个非常重要的问题。在开挖的过程中，由于边坡结构的改变而使其应力状态发生变化，常常会导致边坡失稳。因此预先做好边坡的稳定性分析，并提出有针对性的工程处理措施，是工程顺利进行的保证。本文以向家坝地下厂房进水口边坡为例，通过三维非线性有限元计算分析，对进水口边坡的整体稳定进行安全评价，并提出边坡加固的工程处理措施。

二、边坡开挖方式和分析方法

向家坝地下厂房进水口边坡开挖方式为分层开挖、逐层开挖逐层加固。

计算方法为波前法求解的有限元方法。单元编号时先对非开挖单元进行编号，然后是后开挖的单元，最后才是最先开挖的单元。这样就保证了在分析每步开挖后的岩体结构时，剩下单元和结点的编号仍然是连续的，且和初始单元和结点编号一致。

三、计算工况及荷载组合

本次研究分别对施工期、运行期等多种工况进行计算。计算工况对应的荷载组合如表1所示。计算荷载包括：水荷载(包括地下水和水库蓄水)、岩体自重、地震荷载、岩锚荷载以及地应力作用等，用A1～ A6表示。工况及荷载组合如下表1所示：

表1 计算工况及荷载组合

计 算 工 况
荷 载 组 合
库水位（m）

工况1 (施工开挖)
A2+ A5


工况2 （运行期考虑地震作用）
A1+ A2+ A3+ A5
380.0

工况3 （正常运行）
A1+ A2+ A5
380.0

工况4 （考虑渗流作用）
A1+ A2+ A3+ A5+A6
380.0

工况5 （运行采取加固措施）
A1 +A2 +A4 +A5
380.0


A1——水荷载；　　A2——结构自重；

A3——地震荷载； A4——岩锚荷载；

A5——地应力作用；A6——渗透力作用。

四、边界条件和计算假设

（一）边界条件：

(1) 在X方向的边界上，采用约束X方向位移；

(2) 在Y 方向的边界上，采用约束Y方向位移；

(3) 在Z=60.0平面上，采用约束Z方向位移；

（二）计算假定：

(1) 在进水口边坡面上低于相应水位的节点满足第一类边界条件，即满足渗流分析中的Dirichlet条件，故取固定水头，其值为相应的水位值；

(2) 在Z=60.0平面上，采用隔水层边界；

五、计算成果

1．工况1计算结果

（1）位移计算成果

边坡坡面上最大回弹位移为9.85mm，位于②号机纵剖面附近。引水隧洞进水口底板处出现整个开挖面位移最大位置，其最大值达到20.08mm。

（2）应力计算成果

进水口边坡坡面部分区域第一主应力出现拉应力，在软弱夹层处出现0.85～1.08MPa的较大拉应力，其它部位拉应力很小或无拉应力。边坡岩体第三主应力仍处于受压状态，坡面处压应力较小，其值在0.85～3.73MPa之间，随着坡面深度的增加，压应力值也逐渐增加。

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