水庫石料場終采邊坡方案研究

韓新捷，孫志翔，徐夢佳，俞正浩

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000)

針對水電、水利工程料場高邊坡具有高度大、坡度陡、卸荷速度快等特點(diǎn)，趙建軍[1]提出了邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評價(jià)，指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)的方法；張顯書[2]利用數(shù)值仿真，對不同開挖角的高邊坡穩(wěn)定性和變形進(jìn)行計(jì)算，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了邊坡結(jié)構(gòu)處理的最優(yōu)方案；陳星[3]通過三維數(shù)值模擬對4種開挖方案的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)、安全系數(shù)、開挖方量、開采難易程度進(jìn)行綜合比較分析，為選擇最優(yōu)方案提供了思路。

本文通過嵊州市某擬建水利樞紐工程的2#料場邊坡，模擬研究不同坡比、馬道寬度、馬道級差對料場有用層開采量和邊坡安全系數(shù)的影響，探求既定開挖頂?shù)赘叱虠l件下，料場的最優(yōu)開采方案。綜合考慮邊坡穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性，精確計(jì)算有用層開采量，選擇最優(yōu)開挖方案，對實(shí)際工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 開采方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

紹興地區(qū)主要山脈為會稽山，其主要地層巖性為白堊系下統(tǒng)的火山碎屑，為地區(qū)的工程建設(shè)提供了良好的天然石料場。在水庫區(qū)內(nèi)經(jīng)比選確定的料場巖性穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，地質(zhì)條件較簡單，天然建材開挖主要受征地紅線限制。如何在既定范圍內(nèi)一方面保證邊坡穩(wěn)定，減少支護(hù)投入，同時(shí)盡可能增加有用層開挖量，保證天然建材供應(yīng)，增加有效庫容，成為石料場開挖方案設(shè)計(jì)的主要考慮方向。

嵊州市某擬建水利樞紐工程的2#料場位于規(guī)劃堆石壩上游右岸，計(jì)劃開采石料430萬m3。2#石料場在大壩填筑期同步開挖，一方面提供堆石壩所需填筑料和混凝土骨料，另一方面可增大擬建水庫庫容，水庫建設(shè)完成后將形成終采邊坡。2#料場現(xiàn)狀地形如圖1所示。

圖1 2#料場平面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，2#料場邊坡坡表為第四系全新統(tǒng)殘坡積(el-dlQ4)含碎石粉質(zhì)粘土，厚度0.3～2.0m不等，基巖為白堊系下統(tǒng)西山頭組上段(K1x2)熔結(jié)凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.5～1.2m，弱風(fēng)化帶厚5.0～10.0m，其下為微風(fēng)化至新鮮，繪制H8-H8’地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 2#料場工程地質(zhì)剖面圖

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》可確定2#料場邊坡級別為2級，對應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25～1.20。

該石料場初步考慮開挖至高程200m，河床高程約80m，開挖后將形成高差約120m的終采邊坡。根據(jù)規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)際，弱-微風(fēng)化巖質(zhì)邊坡坡比可達(dá)到1∶0.3，設(shè)置馬道寬度不宜小于2.0m，馬道高差不宜大于20m。

根據(jù)以上情況，設(shè)計(jì)不同的料場邊坡開挖方案?？紤]邊坡坡比、馬道高差和馬道寬度3個(gè)因素，每個(gè)因素4個(gè)水平，設(shè)計(jì)坡比依次為1.0∶0.3、1.0∶0.4、1.0∶0.5、1.0∶0.6，單級馬道寬度依次為2.0、2.5、3.0、3.5m，各級馬道高差依次為10、12、15、20m。3種因素組合共計(jì)形成64個(gè)開挖方案。

不同開挖路徑對應(yīng)不同的終采邊坡坡面形態(tài)，同樣的地質(zhì)條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)符合坡比越小、安全系數(shù)越大這一規(guī)律。但是隨著坡比變小，終采邊坡形態(tài)變緩，有用層開采量隨之減小，兩者存在矛盾統(tǒng)一的關(guān)系。因此，安全系數(shù)滿足要求條件下，實(shí)現(xiàn)有用層開采量最大化的方案，即為料場邊坡開采的最優(yōu)方案。邊坡典型開挖方案如圖3所示。

圖3 典型開挖方案示意圖

圖示方案a為最陡開采方案，方案b為最緩開采方案，根據(jù)方案設(shè)計(jì)，a和b之間存在其余62組開采方案。不難發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)(Fs)和有用層開采量(R)保持著如下關(guān)系：Fsa為所有方案的最小值，F(xiàn)sb為所有方案的最大值；Ra為所有方案的最大值，Rb為所有方案的最小值。

其中存在著同時(shí)滿足邊坡安全系數(shù)和有用層開采量，且能實(shí)現(xiàn)效益最大化的方案，即為該料場邊坡開采的最優(yōu)方案。

2 方案分析

2.1 原始邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算

利用極限平衡法計(jì)算2#料場邊坡現(xiàn)階段的穩(wěn)定性情況，根據(jù)熔結(jié)凝灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(見表1)，分別計(jì)算發(fā)生整體破壞和局部破壞的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4—5。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖4 現(xiàn)狀邊坡整體破壞穩(wěn)定性計(jì)算

圖5 現(xiàn)狀邊坡局部破壞穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，邊坡整體破壞的安全系數(shù)為11.266，局部破壞的安全系數(shù)為7.501，該邊坡現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 不同開采方案邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2#料場邊坡開挖頂高程200m，底高程80m，選取同一典型剖面，對不同開采方案分別計(jì)算終采邊坡安全系數(shù)。部分方案安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同方案的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(部分)

2.3 不同開采方案邊坡有用層開采量計(jì)算

建立2#料場的三維地質(zhì)模型，利用河床做為開挖基底，后緣先建立垂直面，頂高程為200m，坡表殘坡積層和強(qiáng)風(fēng)化巖為剝離層，平均厚度約3.2m，建立的三維地質(zhì)模型如圖7所示。

圖7 2#料場邊坡三維地質(zhì)模型

通過計(jì)算分析可知：垂直開挖條件下，剝離層方量為47.20萬m3，有用層開采量為560.22萬m3，此時(shí)的剝采比最小，為1∶11.9；在不同開采方案下，無用層開挖量幾乎不變，有用層開采量發(fā)生變化，剝采比也隨之改變。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

通過對64個(gè)不同開采方案的模擬計(jì)算，其安全系數(shù)和有用層開采量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同方案開采方量與邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工程建設(shè)需求，開采方案需同時(shí)滿足終采邊坡安全系數(shù)不小于1.20，有用層開采量不小于430萬m3。據(jù)此繪制不同方案的安全系數(shù)和有用層開采量折線圖(如圖8所示)，可知同時(shí)滿足安全系數(shù)和有用層開采量兩個(gè)條件的方案共有方案17、方案21、方案23、方案24、方案25、方案26、方案27、方案31、方案32、方案45，共計(jì)9組方案。

圖8 不同方案的計(jì)算結(jié)果

其中方案25(坡比1∶0.4、馬道高差15m、馬道寬度2.0m)的安全系數(shù)最小，為1.206，其對應(yīng)的有用層開采量為445.3萬m3，方案45(坡比1∶0.5、馬道高差20m、馬道寬度2.0m)的安全系數(shù)最大，為1.467，其對應(yīng)的有用層開采量為430.47萬m3，方案17(坡比1∶0.4、馬道高差10m、馬道寬度2.0m)與方案45兩者的有用層開采量接近，安全系數(shù)僅為1.238。

在滿足安全系數(shù)1.20時(shí)，方案25可多開采15.3萬m3石料；在滿足開采量430萬m3時(shí)，方案45可建立安全系數(shù)為1.467的終采邊坡。有用層開采量整體隨著安全系數(shù)的增大而減小。

3 基于正交試驗(yàn)的參數(shù)敏感性分析

3.1 正交試驗(yàn)原理

正交試驗(yàn)是一種基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來分析多因素影響規(guī)律的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以用來表征不同因素對試驗(yàn)指標(biāo)作用的主次順序[5]，本文利用正交試驗(yàn)分析料場終采邊坡的坡比、馬道高差、馬道寬度3個(gè)因素對于邊坡安全系數(shù)和有用層開采量的影響規(guī)律及大小。

首先根據(jù)工程實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)分析制定合適的正交表Ln(tm)，其中L為正交表符號；n為正交表的行數(shù)；t為各個(gè)因素的水平個(gè)數(shù)；m為正交表列數(shù)，即為因素個(gè)數(shù)。然后按照正交表填入對應(yīng)的安全系數(shù)和有用層開采量計(jì)算結(jié)果[6]。本文選用方差分析來進(jìn)行3個(gè)參數(shù)的敏感性分析，用各個(gè)參數(shù)的變差平方和除以誤差平方和構(gòu)造出F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)行F檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果判斷3個(gè)參數(shù)對安全系數(shù)和有用層開采量影響的顯著程度。

3.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

選取坡比、馬道高差、馬道寬度做為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素有4個(gè)水平，見表3。

表3 因素水平表

根據(jù)終采邊坡設(shè)計(jì)方案確定的3因素4水平，采用L16(45)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分別建立16組不同參數(shù)條件的計(jì)算模型，其安全系數(shù)和有用層開采量計(jì)算結(jié)果見表4。其中第4列、第5列為空列，即誤差列。

表4 正交試驗(yàn)方案及其結(jié)果

利用公式計(jì)算出各因素的變差平方和Sj，在正交試驗(yàn)表中第4列、第5列即D、E參數(shù)為無因素列，稱為誤差列，其Se=S4+S5，相對應(yīng)自由度為fe=f6+f7，對應(yīng)的安全系數(shù)方差分析表見表5，有用層開采量方差分析表見表6。根據(jù)F檢驗(yàn)臨界值表可確定，若因素F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Fj大于F0.01(3，3)=29.457，則稱該因素為高度顯著；若因素F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Fj小于F0.05(3，3)=9.277，則稱該因素為不顯著；若因素F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Fj處于兩者之間則稱該因素為顯著。各因素的安全系數(shù)方差分析表見表5，有用層開采量方差分析表見表6。

表5 安全系數(shù)方差分析表

表6 有用層開采量方差分析表

根據(jù)分析結(jié)果可知，坡比對邊坡安全系數(shù)和有用層開采量的影響優(yōu)先級均高于其他兩因素，對于安全系數(shù)的正面影響要顯著于對有用層開采量的負(fù)面影響。在同時(shí)滿足安全系數(shù)和有用層開采量兩個(gè)條件的9組方案中，方案45終采邊坡坡面更緩，馬道級數(shù)少僅有5級，且單級馬道寬度最窄為2.0m，可以判定為該料場邊坡的最優(yōu)開采方案。

4 最優(yōu)開采方案的邊坡有限元分析

在確定最優(yōu)路徑終采邊坡后，進(jìn)一步分析其三維應(yīng)力及應(yīng)變問題[4]。

建立方案45(坡比1∶0.5、馬道高差20m、馬道寬度2.0m)的三維有限元計(jì)算模型，同時(shí)給模型賦予取得的地質(zhì)材料強(qiáng)度參數(shù)，使其在自重條件下穩(wěn)定，消除自重產(chǎn)生的豎向位移增量，模擬現(xiàn)階段邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。建立的三維有限元模型如圖9所示，三維網(wǎng)格模型如圖10所示。

圖9 三維有限元計(jì)算模型

圖10 三維有限元模型網(wǎng)格剖分

根據(jù)邊坡的開采方案，建立后緣邊坡，使之切割原始邊坡模型，將三維有限元模型分為開挖體和終采邊坡兩部分。利用ABAQUS軟件自帶的生死單元功能，將初始模型按照開挖順序逐級移除直至80m河床高程處，分別計(jì)算該開挖方案下的邊坡塑性區(qū)分布，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分布，各方向位移分布，其計(jì)算結(jié)果如圖11—13。

圖11 開挖后塑性區(qū)分布

圖12 開挖后應(yīng)力分布云圖

圖13 開挖后應(yīng)變分布云圖

根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果得到的塑性區(qū)分布圖可知，方案45未出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，與二位極限平衡穩(wěn)定性取值相符合。該方案塑性區(qū)僅在第一級馬道，即100m高程處出露，該部位可能發(fā)生小范圍剪切破壞，可進(jìn)行局部支護(hù)加固。根據(jù)應(yīng)力分布云圖可知，方案45應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，僅在各級馬道位置發(fā)生最小主應(yīng)力集中，其特征值為5.103MPa。根據(jù)應(yīng)變分布云圖可知，方案45的x方向位移集中在左側(cè)山體，即實(shí)際邊坡的下游側(cè)山體向邊坡臨空面方向發(fā)生變形，y方向位移集中在右側(cè)，即終采邊坡后緣區(qū)域，向臨空面方向突出，x向最大位移值為0.058m，y向最大位移值為0.251m，可對后緣邊坡中下部采用錨桿適當(dāng)支護(hù)防止發(fā)生邊坡變形破壞。

根據(jù)方案45的三維有限元計(jì)算結(jié)果可知，該方案終采邊坡在塑性區(qū)、應(yīng)力、應(yīng)變方面均滿足邊坡穩(wěn)定要求，開挖方量滿足大壩填筑需求，且開挖后形成的終采邊坡安全系數(shù)為1.467，為該料場邊坡的最優(yōu)開采方案。

5 結(jié)論

本文通過嵊州市某擬建水利樞紐工程2#料場邊坡實(shí)例，研究不同開采方案的安全系數(shù)和有用層開采量，探尋最優(yōu)開采方案。

(1)通過設(shè)定不同的坡比、馬道高差和馬道寬度，進(jìn)行全面試驗(yàn)，計(jì)算不同方案的安全系數(shù)和有用層開采量，共有9組試驗(yàn)同時(shí)滿足穩(wěn)定性和方量需求；

(2)利用正交試驗(yàn)分析參數(shù)敏感性可知，坡比相較于馬道高差和馬道寬度，對安全系數(shù)和有用層開采量的影響均更顯著，且對安全系數(shù)的正向影響高于對有用層方量的負(fù)面影響，因此判斷方案45為最優(yōu)開采方案；

(3)通過對最優(yōu)方案45的三維有限元模擬，可知其在塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布均滿足要求。