【《S水电站左岸坝肩边坡稳定性仿真研究》24000字（论文）】

S水电站左岸坝肩边坡稳定性仿真研究摘要工程岩质边坡在施工过程中大体积开挖形成临空面，岩体出现应力重分布现象，尤其是左岸拱肩槽坡体内存在大量的软弱结构面，陡倾断层和层间错动带大量发育，在多种荷载的作用下易受扰动，易产生相对错位变形。若不及时设计开挖支护方案对边坡进行加固，边坡可能会产生较大的变形导致失稳破坏。因此，研究软弱结构面大量发育的高陡岩质边坡的变形特点、失稳破坏机制与加固措施，不仅能有效的对边坡的失稳破坏进行预测，又能为设计相应的加固措施提供参考依据。本文基于ANSYS软件和FLAC3D软件对白鹤滩水电站左岸坝肩边坡的的开挖支护过程进行数值模拟。在天然，仅开挖，边开挖边支护三种工况下，根据数值模拟的安全系数、位移云图等结果，对边坡的进行稳定性分析，并评价边坡的支护效果。计算结果表明，边坡开挖后以卸荷回弹为主，位移指向坡外。边坡施加预应力锚索支护后，边坡的安全系数、最大位移值等都得到了改善，边坡稳定性提高，锚索支护效果明显。关键词：FLAC3D；锚索支护；开挖边坡；卸荷回弹目录第一章绪论 61.1研究目的和意义 61.2边坡稳定性分析方法 71.3岩质高边坡稳定性分析国内外研究现状 91.4本文研究内容及方法 10第二章有限差分法及FLAC3D程序 102.1有限差分法 112.1.1初值问题的差分法 122.1.2边值问题的差分法 132.1.3差分方法的发展 132.2快速拉格朗日有限差分法 132.2.1显式的时程方案 132.2.2拉格朗日分析 142.3FLAC3D程序的特点 14第三章白鹤滩水电站工程及地质条件 153.1工程简介 153.2工程地质条件 163.2.1地形地貌 163.2.2地层岩性 173.2.3地质构造 183.2.4岩体变形及风化 203.2.5水文地质条件 21第四章天然边坡稳定性FLAC3D数值分析 224.1数值模型的建立 224.1.1边坡剖面的选取 224.1.2数值模型的建立 234.2岩体力学参数选取 254.3模型计算边界设置 254.3.1摩尔-库伦屈服准则 254.3.2边界条件 264.4计算结构分析 274.4.1应力分析 274.4.2安全系数与剪应变 27第五章开挖稳定性FLAC3D数值分析 295.1开挖支护过程 295.2边坡仅开挖工况下计算结果分析 305.2.1应力分析 305.2.2变形分析 345.3.3安全系数与剪应变 385.3边坡逐级开挖支护工况下计算结果分析 385.3.1应力分析 395.3.2变形分析 445.3.3安全系数与剪应变 50第六章总结与建议 526.1支护工况与仅开挖工况的对比分析 526.1.1应力场对比分析 526.1.2位移对比分析 536.1.3三种工况下安全系数对比分析 546.2结语 54第一章绪论1.1研究目的和意义白鹤滩水电站位于我国西南地区，该地区水能丰富，具有良好的水能开发利用条件，由于建设水电站需要布置各类工程建筑物，不可避免的需要对附近的岩体进行开挖形成边坡工程。由于该地区具有独特的地形和地质条件，这些高陡边坡本身具有地应力量值高、各种软弱结构面大量发育、变形失稳过程复杂的特点，边坡在开挖后不仅有强烈的卸荷回弹作用，还易在各种不利因素的作用下受到扰动，边坡的开挖稳定性问题尤其突出[1]，因此，在水利水电工程的建设过程中，边坡的开挖稳定性问题一直是重点关注的问题，需要考虑多方因素的共同影响，目前并无简单方法可以处理。坝基边坡进行大规模的开挖施工后岩体的应力状态会发生改变，同时岩体由于自重应力场的影响，在水平应力的作用下会产生向河谷方向的位移趋势导致边坡沿软弱结构面滑移而出现滑坡。因此，研究高陡岩质边坡的变形趋势与失稳破坏方式，可以有效的对边坡变形进行预测，及时消除边坡失稳产生的不利影响，又能为边坡的加固提供设计依据。长久以来，边坡安全稳定性一直是国内外重点关注的问题。1.2边坡稳定性分析方法在岩体工程的研究中边坡稳定性分析问题是一个难题，需要考虑多种荷载和因素的共同作用。边坡稳定性分析的方法根据工程地质条件和工程环境的不同，大致可以分为两个类别，分别是定性分析方法和定量分析方法。随着科学技术发展的提高，人们对物理理论的认识也越来越深入，一些新颖的分析方法也逐渐发展起来，例如对结构可靠度进行分析的可靠度分析方法，基于模糊数学的模糊分级法，应用控制论的灰色系统分析法[2]，工程地质分析法等，这些新发展的分析方法考虑的是不确定性的因素，统称为非确定性分析法。定性分析方法定性分析法远在古希腊时期就有了很好的发展，当时的学者们对于自己研究的内容大都给以不确定的物理描述，而很少有数学公式。在工程中定性分析方法是指依据预测者本身所具有的专业知识和实际工程经验，对工程可能发生的位移变形与失稳方式提出预测，是一种主观的判断方法。常用的定性分析方法主要有追溯斜坡变形发展全过程的自然历史分析法、解决线性规划问题的图解分析法等[3]。其中，应用最广泛的是工程地质类比法，工程地质类比法最适用于处理无复杂结构面的工程问题，可以快速的对影响工程安全的各个方面进行评估，同时通过与各种以往中小型工程经验做类比，从而迅速得得出分析的结果，因此在小工程的设计过程中应用特别广泛，很多中小型的简单边坡都是采取这种分析方法，并取得了良好的分析结果。由于定性分析方法大多依靠设计者的工程经验，主观性较强，没有可靠的理论结果做论证，而随之发展的定量分析法便可以为其做科学的论证，使结果更加科学准确。定量分析方法定量分析法最初的概念来自于伽利略，他首次把以往科学家们描述性的概念用数学公式表达出来，将数学带入到科学，使人们对认识对象的理解由模糊到清晰，由抽象到具体。在工程中定量分析方法是指通过建立工程模型，并采用一定的数值分析方法，为工程项目可能出现的变形，破坏，失稳机制等要素提供预测依据，从而为工程的下一步施工设计做准备。定量分析方法主要可以分为数值伦理分析和刚体极限平衡分析法两大类，在工程的施工设计中，主要采取的设计方法是刚体极限平衡法，由于极限平衡分析法基于岩土体为刚体这一假设，因此岩土体本身的应力状态并不能考虑到[4]，但是由于其计算过程简单且计算速度较快，计算结果也具有较好的准确性，因此在设计过程也得到了广泛的应用。其次还有有限元分析法，有限元分析方法在计算过程中需要考虑到各种物理模型，同时空间的约束作用也纳入考虑，计算需要设置边界条件，进行网格划分后通过计算软件可以得到模型的应力状态，这是刚体极限平衡法所不能解决的，在如今的过程设计过程中，有限元分析方法已经得到了越来越广泛的应用且越来越成熟。但是有限元分析法在大变形问题中计算比较繁琐，对小变形问题较为适用。其中极限平衡分析法又可以分为Sama法、不平衡推力传递法等；数值分析方法又可以分为拉格朗日差分法（FLAC）、有限元法（FEM）、起源于分子动力学的离散元法（DEM）、、应用于对不连续节理岩体分析的不连续变形分析法（DDA）等[5]。非确定性分析方法随着工程建设要求的精度越来越高，定性分析方法与定量分析方法已然不能满足越来越发展的工程规模，同时伴随着科学与学科理论发展的不断完善，一些新的分析方法发展起来。为了取得更精确的预测数据，需要我们考虑在边坡施工过程中的各种不确定因素，例如建设模型的不确定性和人为操作失误的不确定性，工程岩石力学参数选取的不确定性等等，因此，考虑了不确定因素的研究分析方法应运而生，例如以灰色系统为研究对象的灰色系统理论，预测复杂系统行为的突变理论，除此之外还有模糊理论，随机过程方法等。考虑了不确定性因素工程预测数据在精度上更准确，但与此同时，其操作难度与耗费时间也大大增加。有时候工程中也会同时采取以上的几种方法，将几种分析方法综合考虑，可以同时利用各种方法的优点，从而取得更好的分析效果，这种方法称之为复合法。在一些重要的大型工程中，大多采用复合法，可以预测得出最准确的变形破坏机制，从而为边坡失稳加固提供良好的参考依据。1.3岩质高边坡稳定性分析国内外研究现状研究高边坡稳定性的计算方法随着科技的进步如今已经有较多的优秀设计，其中最成熟且最受欢迎的计算方法是刚体极限平衡法，依据土体线性破坏准则，计算得出在静力平衡条件下达到最大破坏强度时边坡的稳定性。最有代表性的极限平衡方法是瑞典国家委员会发表的并以瑞典命名的“瑞典圆弧法“，在随后的多年内不少学者对其进行了改进，并发展出更加科学的极限平衡方法如边坡稳定分析的极值原理理论。随着时代的发展，由于计算机科学技术的提高与科学理论知识的不断完善，一些新的边坡稳定分析方法逐渐发展起来，其中依靠计算机应用来研究边坡失稳问题变得广泛，各种数值分析方法层出不穷，最具代表性的分析方法为有限元法与有限差分法。有限元分析是指在研究物理力学模型时采取有限元方法来分析，在研究过程中其将研究的整个物理力学模型体进行多次分解，最终划分为多个简单的离散状态模型，这些独立的离散元模型体由独立的点组成且彼此之间互相联系，因为划分的离散模型其独立的点的个数并不是无限扩大的，因此这种分析方法称为有限元分析法。最早把有限元分析方法应用到边坡变形计算的是Duncan和Goodman，从此数值分析方法应用于边坡变形的计算开始大规模发展[6]。何帅采用三维弹塑性有限元计算方法对地下厂房的周围岩体进行了有限元计算，得到了围岩的应力与变形。肖雁征应用有限元软件对加筋挡土墙进行了加固。Chen发现有限元计算方法在弹塑性边坡中与极限平衡法得到的结果一致性良好；钟秀梅对边坡的抗滑桩加固应用了有限元计算程序；高越采用随机有限单元法对正常固结黏土边坡的可靠度进行了研究。王晓兰基于PFC2D构建了离散元边坡数值模型研究卸荷岩体的断裂损伤机理并对其进行稳定性分析。任晋岚采用广义强度折减法对边坡稳定性进行了研究。其中基于有限差分法的快速拉格朗日有限差分法为本文重点研究的分析方法将在第三章进行介绍。1.4本文研究内容及方法本文主要研究西南地区金沙江处白鹤滩水电站左岸坝肩边坡天然、开挖未支护及边开挖边支护三种工况下稳定性，根据白鹤滩工程地质手册选取合适的力学参数，采取基于有限差分法的快速拉格朗日有限差分法对边坡的变形、应力状态、塑性区、安全系数等综合分析，并对比边坡开挖未支护及边开挖边支护两种工况，以此为评价边坡的支护效果。主要研究内容如下：查取白鹤滩坝址的地形地貌，地质构造，地层岩性，水文地质条件，岩体变形及风化等工程地质条件。根据白鹤滩坝址的工程地质剖面资料，选取最具代表性的剖面与结构面，根据白鹤滩工程地质报告查阅选取结构面的厚度资料，导入CAD绘图软件处理所选取的剖面和结构面。将CAD绘图软件处理的剖面资料导入ANSYS软件进行白鹤滩水电站左岸坝肩边坡的准三维模型建模。将白鹤滩模型资料使用接口程序导入FLAC3D软件，输入命令流对天然边坡天然、开挖未支护及边开挖边支护三种工况进行计算，基于边坡的位移场、应力场、塑性区、安全系数等计算结果对边坡稳定性进行分析，并对白鹤滩水电站左岸坝肩边坡的支护效果进行评价。第二章有限差分法及FLAC3D程序FLAC方法以流体力学为理论基础,与之相应的FLAC3D软件由ITASCA公司设计并不断完善，作为一个有限差分程序，如今广泛的应用于地质学，地质模拟，地下工程等学科之中，且可以解决三维模型问题。FLAC3D软件的前身是FLAC2D，可以应用于岩土坡等工程的三维有限元分析，不仅可以分析各种模型结构的受力特点，也可以模拟塑性变形过程。[12]由于其的理论基础为有限差分，作为一种快速高效的拉格朗日差分法，在计算过程中采取显性的拉格朗日算法，因此可以准确的计算出材料的塑性区和剪应变增量。模型结构的整合过程仅仅需要对三维的网格单元进行重新划分，计算过程中并无刚度矩阵的生成，运行压力较小，在计算机中只需要极小的内存即可实现。[9]如今FLAC3D软件已经在国内有大量的应用，例如岩土工程的边坡开挖设计支护等，张彧琦基于FLAC3D软件对边坡的开挖加固效果进行分析；罗维，刘鹏君等应用FLAC3D软件研究锚索支护在某水电站边坡中的支护效果；段越华，何忠明基于FLAC3D软件的应用对某公路的边坡施工方案进行扩建优选。2.1有限差分法有限差分法应用广泛，其明显的优势在于可以求解微分方程的定解问题，对于偏微分方程和常微分方程都适用。其中求解定解问题需要考虑到多种条件的限制作用，按照空间和时间的约束可以分为两种。第一种为边界条件，主要考虑模型空间上的约束作用，与时间状态无关，而另一种则称为初值条件，其主要考虑随着时间的变化模型状态的变化而给模型施加的约束，一般来说，初值条件只考虑在初始时刻模型所处的状态。所要求解的定解问题根据需要满足的约束条件的不同，又可以分为三类：当求解方程或模型不需要考虑时间变化的影响时，此时方程仅仅需要施加一个边界位置的约束作用，即满足边界条件求解，这种情况称之为边值问题；而当求解方程无边界条件约束，但需要考虑时间变化的影响，该方程需要满足的条件为初值条件，这种问题为初值问题；大多数情况下，有限差分法要求解的问题需要同时考虑边界条件和初值条件，即需要同时满足时间和空间上的约束，这种问题求解一般较为复杂，我们称之为混合问题。由于微分方程的定解问题不易计算，难以得到解析解，需要采取特殊可行的方法来较处理，计算最终的解析结果，有限元差分法便是一种可行的计算方法。[10]有限差分法在求解过程中通过网格划分后转换成差分格式，在这个基础上可以求得数值解。与此同时，需要考虑差分格式中所求的解是否唯一，所求解的稳定性与误差统计，还需要考虑网格大小趋于0时所求的解是否收敛等。由于有限差分法原理简单且灵活易用，所以在计算机上容易实现。[11]2.1.1初值问题的差分法初值问题即求解方程与时间有关，现实生活中绝大多数问题都与时间有着密切的联系，例如任何工程的施工都会持续有较长的时间，工程施工问题均为初值问题。解决初值问题需要考虑初始时刻下方程的状态，并在求解过程中按时间的顺序对问题进行差分。如果待求解的初值问题还需要考虑边界条件的约束，那么在开始状态之后，该初值问题的解则仅仅取决于边界条件和初值条件。例如双曲型方程的差分法，最典型的初值问题为∂uuφ(u这个解的方程代表的物理意义为以速度a向右传播的波（a>0）,差分法的思想第一步在于划分网格，对于（2.1），（2.2）的定解区域，用网格进行划分xt上述两式代表平行于坐标轴的直线，位于x，t平面的上半部，也可以称之为网格线。图2.1网格线示意图随后建立差分格式，再判断差分格式的截断误差和相容关系，计算差分格式是否收敛，最后判断差分格式的稳定性。2.1.2边值问题的差分法边值问题包括物理学中常见的定常问题如不可压枯性流、弹性力学的平衡、电磁引力场等椭圆型方程问题，边值问题与初值问题的不同点在于边值问题为稀疏矩阵，可以采取雅可比法、赛德耳法与松弛法等迭代方法求解，其中应用最多的方法为松弛法中的超松弛法，其收敛速度最快，应用最方便。2.1.3差分方法的发展除了前述的线性方程差分法，随着计算机应用的发展，实际问题遇到的多个自变量问题差分法也得到了快速的运用，例如守恒差分格式与分步法，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运行FLAC，由于其计算过程是“显式”的，并无隐函数的迭代求解过程，因此其具有计算过程快，分析简便，耗时较少的特点，在程序命令计算时，内置的显示时程方案也可以帮助我们进行快速分析。2.2.1显式的时程方案由于FLAC程序所应用的公式中包含一些运动的动态方程，所以我们无法仅仅只考虑问题的静力解答，需要考虑到物理体系的不稳定状态，这样才能保证当物理体系不稳定时，所采纳的数值计算方法保持稳定。我们所研究的边坡问题属于非线性方程问题，具有强烈的不稳定性，因此考虑模拟的物理体系的不稳定特性是十分必要的。实际生活中系统的应变能转化的过程，FLAC3D程序可以较为准确的模拟。如果所模拟的物理体系不包含惯性项，为了避免数值不稳定现象的出现，可以采用数值模拟程序进行处理，这种处理结果结果有可能极大的偏离实际情况。作为一种显示的时间差分方法，FLAC3D程序基于差分研究理论，对计算的定义域进行划分，划分结果是在所确定的边界条件下遵循本构关系式，无论是线性或者非线性的，产生若干个六面体单元，单元的网格可以跟随材料的变形发生变形如果单元应力达到了材料的屈服应力。[14]这种显式的时间差分法将动态的松弛法与有限差分法结合起来，也考虑到了材料的线性与非线性特性，因此可以对连续不间断的连续发展过程进行模拟演化，使复杂的问题变得简单，最终转变成间断不连续的多个独立问题来进行求解，在求解过程中，我们需要把握到三点，分别是对模型离散化，对时间与空间进行有限的差分，采取动态的解决方式。由于空间和时间差分间隔的变量相似，我们可以对其进行有限差分；同时将模型进行离散化处理，我们便可以将所求解的问题由整体状态转移到局部各个相应的节点，最后采取动态的解决方式可以充分考虑到周围区域合力的影响，使结果更加准确。[15]由于显式的方法在计算时会保持一个恒定的值且具有一个“超前”的概念，所以在只通过一个单元计算时其计算过程并不需要迭代，而对于隐式的有限元计算方法，其计算过程需要通过多次迭代达到收敛，才能充分考虑到各单元之间的关系。总体来说，显式的方法需要多次运算，适用于大变形问题，而对于小变形问题由于其时步短，求解过程不是很有效率。[13]表2.1显式方法与隐式方法的比较显式方法（以FLAC为代表）隐式方式（以ANSYS为代表）时步较小，有稳定条件控制时步变化剧烈，可达很高的数值每一时步的计算量较小每一时步需要进行大量的计算求解过程数值阻尼的影响不大每一时步的计算要考虑数值阻尼显式计算方法无隐函数存在计算过程不需要迭代由于隐函数的存在求解过程复杂需要大量的迭代计算过程计算考虑时步的规律，结果便一定会以某种方式计算出现迭代计算需要考虑计算的稳定性与正确的计算路径计算过程计算机负荷小计算过程需要调用大量的计算内存实现计算可以轻松计算大位移与大变形工程，不需多次计算对大规模工程计算时耗时大，计算过程复杂2.2.2拉格朗日分析拉格朗日方法建立的坐标系并不是固定的，处于不断转换变化之中，在大规模变形的每一时步的计算过程中，坐标系都会改变以将新的变形位移叠加，不仅如此，差分格式和材料属性也要循环更新。与此相反，欧拉法所对应的都是固定的网格与坐标系。2.3FLAC3D程序的特点（1）FLAC程序内部具有多种特殊的材料模型，可以很好的拟合岩石力学的反应过程，例如可以模拟网格的孔洞开挖的零模型，即(NULL)模型；应用比较广泛的塑性模型有摩尔-库仑模型等，总共十种材料模型可以解决大部分岩土材料的问题，除此之外，在实际应用中程序内置的模型可能不能满足一些专业用户的需要，此时用户也可以根据自己的实际需要建造自己材料模型。[16]（2）FLAC独特的程序设计语言FISH是一个编译器，用于定义变量或者参数，每当调用FISH函数时，存储在FLAC程序之中的一系列指令便会执行，例如可以通过FISH语句来生成特殊网格，分析变量，对边界条件进行解释说明，甚至还可以像上述所说的生成用户自己的本构模型。（3）FLAC程序可以进行力学耦合计算，如流体与固体的耦合计算等，因此虽然FLAC程序最基本的计算模式是进行静力分析，但同时也可以用于动态分析。（4）FLAC内置有大量的分析模块，如可以模拟材料中热力场的发展变化过程的热力学分析模块、蠕变分析模块、两相流分析模块、动态分析模块等。（5）FLAC软件内置大量的结构单元模型，因此可以对岩体加固时采用不同的材料处理，由于各式各样的材料性质各不相同，其相互作用的方式十分复杂，在使用FLAC处理时，相对于其他未内置材料结构模型的有限元软件，其优势便显而易见了。常用的FLAC结构单元包括锚索结构单元，锚杆结构单元，梁结构单元，桩结构单元等，利用这些内置的结构单元，可以直接通过命令流在FLAC软件便实现了锚杆锚索的支护方式，十分方便。（6）FLAC软件页面人性化，程序中三维网格的生成简便易操作。在显示界面用户可以实时分析模型，对模型进行旋转，多角度分析结果，LIST界面还可以生成不同的云图与位移曲线，显示或隐藏网格。[24]第三章白鹤滩水电站工程及地质条件3.1工程简介白鹤滩水电站地处高山峡谷地带，位于我国西南地区金沙江流域，该地区水流湍急，蕴含的水能资源丰富，利于开发利用。其地处金沙江下游河段即攀枝花市与宜宾市之间，坝址区的西北方位靠近青藏高原地区与之接壤，而坝区的东北方向是扬子台地区。坝址左右岸隶属不同的省份，左岸靠近四川省跑马乡，而坝址区右岸隶属云南省大寨镇，位置较为偏远，距离大寨镇45km，距离昆明公路306km，白鹤滩水电站坝址位置布置示意图如下图所示。图3.1白鹤滩坝址示意图白鹤滩水电站的建设主要用于水能发电，其电站的装机容量达到了16000MW,保证出力为5500MW，作为我国仅次于三峡大坝的第二大水电站，如此高的装机容量可以保证白鹤滩周围地区的供电稳定，有利于当地经济的发展。水电站水库地区正常蓄水位为825m，总库容达206.3亿m3，是一个年调节水库。坝区的电站大坝采用混凝土双曲拱坝的设计，最大坝高达到了289m，作为一个一等大（1）型工程，在投入使用后，也起到了防洪的功能，兼顾航运功能，改善金沙江流域的通航条件。3.2工程地质条件3.2.1地形地貌白鹤滩坝区的地势南北方向高度不一，北部山脉的高程远远大于南部山脉，且地脉发生倾斜，倾斜方向指向东侧，属于中山峡谷地貌。坝区左右岸分别属于大凉山山脉与药山山脉，左岸地形为斜坡地形，有倾斜趋势，方向指向金沙江河谷；而右岸的陡坡与缓坡交错排列。左岸山峰高程大约在2500m左右，右岸山峰则相对较高，比左岸高出400m以上。坝区范围涵盖了大寨沟上游与白鹤滩村，坝区河流长3.6km，上下游水位分别为591m与578m，水流常年急速流动且浑浊。河流位于勘Ⅸ线上游的部分河谷较宽，大概位于590～713m；位于勘Ⅸ线与勘Ⅳ线之间的部分河谷宽一般449～534m；位于勘Ⅳ线下游的部分河谷有扩张的趋势。谷坡左右不对称，呈现”V”字形，其中左岸谷坡较缓，右岸相对较为陡峭。典型的斜坡地形在左岸谷肩以上有良好的发育，其中上游发育有范围较大的1号缓坡（新建五队），此外坝区范围内还发育有2号及3号斜坡，其中2号斜坡位于华东院基地附近，3号斜坡位于人民湾附近。2号斜坡大体上较为平整，长度为1300m，有6条冲沟在其坡面上发育，且延伸距离各不相同。人民湾斜坡的特点为高程较低时较为宽度不大，高程较高时向四周延伸[7]。左岸谷肩以上的发育的斜坡宽度大约在350m左右，左岸谷肩以下在局部则发育有两级狭窄斜坡，顺流向方向其危险壁面离地面的距离逐渐增高。左岸冲沟的扩张被明显限制住，河水的流动也是季节性的。白鹤滩沟宽20m～40m，是金沙江的一级支流，下游为白鹤滩村，属于Ⅰ级阶地，阶地后缘为陡坡，高度100m～200m。白鹤滩河沟的沟口位置由于水流的冲刷作用形成洪积扇，洪积扇由漂石组成，堵塞河口，河流断面因此变窄导致水流流速加快形成急滩。图3.2白鹤滩水电站拱坝布置处地形地貌3.2.2地层岩性坝址区出露的地层岩性包括玄武岩，砂岩，泥岩等。玄武岩是坝址覆盖范围最多的岩石类型，地质年代为二叠系；泥岩，砂岩呈假整合接触覆盖于玄武岩之上，砂岩所处的地质年代为三叠系，组别为飞仙关组。除此之外，还有第四系松散堆积物发育。[8]白鹤滩坝区分布的玄武岩，其活动性较大，火山旋回的数量较多，可以划分为11个岩流层，划分依据为火山喷发的序列，峨眉山组玄武岩的完整喷发旋回为从下部到上部为熔岩流、角砾熔岩、凝灰岩，喷发过程中岩浆和火山活动剧烈。坝址区峨眉山组熔岩在岩层中分布极广，除去在总厚度中总占比2.5%的火山碎屑岩和沉积火山碎屑岩，其余地层岩体分布全部为熔岩，在整个坝区中累计厚度达1500m左右。在坝区的玄武岩之上，还有呈假整合接触的泥砂岩，其物理外观特征为紫红色，呈泥土质，主要在坝址右岸有广泛分布，高程在1100m以上，厚度为265～267m。出露于地层的部分主要是飞仙关组第一段及第二段。第四系松散堆积物分布较少，在坝区主要局部集中分布，量级不大。3.2.3地质构造断裂构造的表现形式根据断裂构造和产状的关系可以分为断层、层内与层间错动带、裂隙等形式。断层断层指的是大规模或具有显著位移的断裂构造，大部分断层都具有60°以上的陡倾角，延伸距离不超过2km，深度不超过1km，白鹤滩坝区的断层发育较多，宽度大都在5cm以上，性质以平移或走滑为主，陡于岩流层倾角20°。其中规模最大的断层为F17断层，其他规模较小的断层基本上都会受到F17断层的限制，在地表上的延伸程度超过了1km，走向为NE向，除了NW向的F17断层，其余小规模的断层走向都为NW向，其中NWW向和NNW向断层占了绝大部分，分别占断层总数的53%和31%。断层规模大多为Ⅳ级和Ⅲ级结构面，Ⅱ级结构面仅有F17及F3断层，故把其发育规模总体不大。其中Ⅲ级结构面的断层共113条，Ⅳ级结构面共75条。图3.3坝区主要断层分布图层内错动带与层间错动带层间错动带较断裂构造相比，其倾角较小，故其指发育于岩流层顶部的缓倾贯穿性的构造。坝区岩层为单斜构造，向东南方位倾斜，由于无软弱岩层发育，所以坝区无大规模的层内层间错动带，但是地层内发育有软弱夹层，还有数量众多的不平行整合面，在多种地质作用的影响下层内层间错动带也会出现。大部分坝区的层间错动带其岩石类型主要为泥灰岩，且物理性状为碎屑状，包括粘粒等，外观半径整体在2mm以内，其中粘粒小于0.005mm。层内错动带的形成条件与层间错动带大致相似，是指坝区内岩流层内部发育的顺层小角度的错动结构，但是层内错动带的发育难以模拟预测无规律，其规模，形态，性状都与都与层间错动带有较大的区别。坝区左岸的层内错动带与右岸相比规模要大，其组成成分与层间错动带无明显差别，都是以岩屑为主，同时还包括角砾，粘粒。图3.4左岸错动带分布示意图裂隙裂隙主要可以分为三种，分别为岩石生成初期的原生裂隙、受构造应力作用生成的构造裂隙与人工开挖卸荷导致卸荷裂隙，其发育规模的大小受多种因素的影响，影响最大的为岩层的性质。在坝区的隐晶质玄武岩中，裂隙密集的分布，在坝区的上下盘，裂隙发育规模不一，上盘位置发育程度更大，数量更多。其中坝区的原生裂隙紧密闭合且短小，因此对坝区岩石的强度难以造成影响；坝区的构造裂隙总体上较为平直粗糙，左岸部分发育有NW向与NE向裂隙，而右岸构造裂隙主要都为陡倾角裂隙；坝区的卸荷裂隙主要顺河向陡壁发育，发育程度与坝区的地形，岩性等因素有关。3.2.4岩体变形及风化岩体风化岩体的风化程度受多种工程地质因素的影响，例如地层岩性，地形地貌等，白鹤滩坝区的风化作用影响最明显的部位主要在各种软弱结构面附近，在这些岩石力学性质薄弱的部位，风化作用剧烈，可对岩体造成较大的损害，使其物理力学特征再次降低，大大影响岩石的刚度与硬度。由于白鹤滩地区岩石的硬度较高，孔隙率较低，各种岩石力学参数表现优异，不易受风化的影响，故坝区的风化程度并不高，岩石的力学参数并未折减老化，大部分岩体呈微风化或未风化状态。岩体变形坝址边坡岩体卸荷变形可受自然条件和社会条件两个方面因素的影响，自然条件下的卸荷变形是指边坡受到流水的冲击作用等发生变形，社会因素是指人为的开挖施工导致边坡变形，而最终结果都是边坡产生应力重分布现象，岩体应力失衡，边坡由于应力释放作用，发生位移，方向指向临空面。卸荷变形最终的结果是边坡岩体出现应力松弛，形成各种微小裂缝影响边坡的稳定性，最终可能导致边坡失稳破坏。白鹤滩坝区的卸荷变形主要位于软弱结构面处，导致结构面产生位移变形，少见岩体拉裂现象。卸荷变形的张开裂缝宽度一般沿着洞口至洞里逐渐减少，同时坝区左右岸变形程度不同，左岸为顺向坡，右岸则与之相反，左岸的变形程度大于右岸，由于左岸缓倾错动带的存在，左岸的卸荷变形尤为强烈。3.2.5水文地质条件水文地质结构坝区水文地质结构主要包括孔隙结构与裂隙结构，由于坝区岩体结构与透水性的差别，根据地质构造，风化卸荷与岩体结构的不同，可以将坝区裂隙结构分为网络裂隙结构，脉状结构与块裂结构三部分，其中孔隙结构结构较为疏松，孔隙度大，因此透水性较强，其组成成分主要为第四系冲积层，对降水的渗入起到分流作用。两岸地下水动态特征两岸地下水的活动具有强烈的差异，主要在于位置与地理条件的不同。其中左岸地势较为平坦，因此大量水流汇集于左岸，水流平缓不易流动，流速较慢，导致地表水在左岸表面通过各种孔隙结构下渗，地下水补给充足，具有较好的流动性；右岸刚好相反，由于地形险峻，降水补给较少，所以地下水蓄量低且不易活动，由于地势陡峭，右岸汇水面积也较左岸低很多。第四章天然边坡稳定性FLAC3D数值分析4.1数值模型的建立4.1.1边坡剖面的选取根据白鹤滩地质资料，了解白鹤滩左岸坝肩边坡地质构造。由白鹤滩左岸边坡地质剖面图可知，其边坡地质构造复杂，各种断层、层间错动带发育，对边坡的稳定性有较大的影响，而由于出露于地层的断层对边坡稳定性的影响较小,所以对坝肩边坡处理时做简化处理，选取对边坡稳定性起控制作用的断层与错动带等地质构造。在对边坡剖面处理时，使用CAD绘图软件进行简化，其中选取的典型控制断层包括II级结构面F17断层，这是白鹤滩地区左岸唯一一个II级结构面，其宽度大于1m，延伸长度大于1km，对边坡的稳定性有极大的影响；其次还包括两个III级结构面F110断层与F108断层，白鹤滩地区的III级结构面宽度在0.1~1m之间，故F110与F108断层的宽度取为0.5m的平均宽度；除了断层之外，还包括一些发育规模较大的错动带，主要有C3、C3-1、LS337、LS331、LS3318，其处理厚度取为0.2m。其中LS331发育规模最大，沿着P2β32与P2β33岩流亚层接触面断续发育不断扩大最终形成，是白鹤滩地区唯一延伸至两岸的错动带，其形态局部较为平直，而大范围看其形态较为弯曲。LS337错动带延伸长度也较长，大约在550m左右，也呈现局部形态平直，大规模范围弯曲的特点，且具有多条分支，夹杂透镜体。考虑到边界效应，边坡变形破坏特征和稳定状况的影响，剖面的计算范围选取为垂直河流方向长度为570m，最大相对高度为450m。左岸边坡岩层岩体的类型可以划分为四类，分别为IV类、III2类、III1类、II类，岩层呈假整合接触。图4.1白鹤滩左岸边坡剖面图4.1.2数值模型的建立由于使用FLAC3D程序需要调用大量的FISH函数才能完成对不平整表面和不规则网格模型的建立，不易于及时对模型进行修改，难以及时发现问题，所以本次设计使用ANSYS软件来进行建模的工作，划分好网格后使用ANSYS-FLAC3D接口程序将网格模型数据导入FLAC3D软件进行计算。首先是将CAD绘图软件简化处理的边坡剖面转换成iges文件，再在ANSYS软件中导入处理好的iges文件。ANSYS软件中使用菜单栏中plot下的lines命令，即可得到与autoCAD一样的线条。模型的建立采取的方法为实体建模的方法，即自下向上生成实体后再生成线、面、体。为了方便FLAC3D程序的计算，在ANSYS软件中首先对各个结构面进行编号（这里的结构面是指各地层分界线、断层、错动带等所围成的面）在对各结构面编号之后，为了能更好的在FLAC3D程序中模拟开挖施工过程，根据岩层分界线与开挖线给各个结构面附加材料属性。边坡开挖线以内的部分根据岩层分界线对各个结构面附加材料属性，边坡开挖线之外的岩层部分接着边坡开挖线之内的继续编号，最终建立的材料属性有94种，其中同种颜色的面表示同一种材料属性。由于左岸边坡地形复杂，生成了许多细小结构面，在进行网格划分时，有些网格单元会出现形状扭曲，单元线条不规整，出现形状超限的现象。这种现象会导致边坡内部应力的集中，不利于计算，对应力的计算结果产生不良影响，甚至出现计算错误，因此在划分网格时，可以采取采用较小的网格划分尺寸，来减少单元的不规则现象。同时，在网格划分时使用SOLID185单元，它是一种8结点的高阶三维固体结构单元，可以更好的模拟不规则的网格模型。最终设置的网格尺寸为20，采取相同的尺寸划分，模型生成的单元总共有9920个，节点数量为12075个。网格生成后对剖面进行拉伸，拉伸长度为20m，形成一个假三维模型，为了方便FLAC3C命令流的计算，为模型设置一个坐标系，其中Z方向为垂直底层向上，X方向指向河流方向,Y轴正方向指向河流上游，由于模型拉伸方向沿着Y方向进行拉伸，其变形是均匀的，故Y方向的位移与应力值一般不考虑。模型建立后使用接口程序，即可将网格节点数据导入FLAC3D软件形成边坡模型。图4.2ANSYS软件假三维模型的建立图4.3FLAC3D软件数值模型4.2岩体力学参数选取白鹤滩边坡周围的岩体类型主要为黑云二长花岗岩与正长花岗岩，由力学试验结果可知，微化或未风化的花岗岩其弹性模量为36.9Gpa，干密度为2.63g/cm3，故其弹性模量较高且密度较大。边坡的岩体根据GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》主要分为四类，包括II类、III类、IV类、V类，其中II类岩体是指微新无卸荷块状-次块状结构的花岗岩岩体；III类岩体包括弱风化下段无卸荷次块状花岗岩岩体、微新无卸荷镶嵌结构花岗岩岩体、微新无卸荷块裂结构花岗岩岩体等；IV类岩体包括弱风化上段卸荷块裂-碎裂结构花岗岩岩体、微新无卸荷块裂或碎裂结构花岗岩岩体。左岸边坡的结构面可以分为刚性结构面和软弱结构面，划分依据为充填物情况。同时，根据蚀变特性和隙壁接触紧密程度可以将刚性结构面划分为张开结构面、蚀变结构面和胶结结构面三种。根据物理力学实验结果，左岸边坡的各类岩体和软弱结构面的各物理力学参数建议值可见下表：表4.1各岩层和结构面岩石力学参数岩体类型弹性模量/Gpa抗压强度/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覆盖层2.00300.22321.402.304.3模型计算边界设置4.3.1摩尔-库伦屈服准则摩尔-库伦屈服准则又称又称C-M准则，是考虑了正应力或平均应力作用的最大剪应力屈服理论，当材料发生屈服破坏时剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大值。库伦提出的强度理论公式为τn=C+σntan∅#4.1该准则可以表述为当材料中某点在某一平面N上装生滑移(剪切)时，作用在该面上的切应力τn除了要克服材料固有的内聚力C外，还要克服由于作用于该面上的正应力σn所形成的摩擦力（注意，这里规定拉应力为正，而在土力学中则以压应力为正）。将摩尔库伦等面积圆屈服准则与有限元强度折减法相结合，可以解决在平面应变条件下有限元分析模型的选取、收敛条件、处理边界条件的方法、以及采用大型通用有限元程序ANSYS分析边坡稳定时C,∅值的替换原则、最后用于分析某工程深基坑复合边坡的稳定同理、给出该工程边坡的安全系数。图4.4库伦塑性准则4.3.2边界条件对计算区域施加约束，其中模型的两侧施加x方向的法向约束，底面节点施加x、y、z三个方向的约束，模型的前后两面施加y方向的法向约束，约束通过FLAC3D命令流约束位移来实现，临空面自由。约束命令如下：fixxyzranz-0.10.1fixxranx-0.10.1fixxranx569.9570.1fixyrany-0.10.1fixyrany19.920.14.4计算结构分析天然边坡计算时的工况为初始工况，其应力场只有重力场，而无其他工程措施，初始工况计算的目的是为了研究边坡在天然条件下的应力场与剪应变区的分布情况，以便为后续开挖工况与支护工况下的应力场与剪应变等做对比分析。在设置的边界条件和初始应力场下（即重力场），边坡在天然条件下处于平衡状态，进行初始平衡的计算可以得到边坡在天然条件下应力场分布，自然条件下边坡内部的应力分布即初始地应力分布。4.4.1应力分析计算得到的应力云图如下图4.5天然状态下边坡最大主应力云图图4.6天然状态下边坡最小主应力云图由最大主应力云图可知，左岸边坡最大拉应力为0.498MPa，最大压应力为4.649MPa；由最大主应力云图可知，左岸边坡均为压应力。天然边坡以压应力为主，且随着高程降低，压应力逐渐增大，坡面存在局部的拉应力，各软弱结构面附近出现应力集中现象，在F17断层与F108断层之间最为明显，总体分布符合工程实际经验。4.4.2安全系数与剪应变计算得到天然边坡的安全系数为1.03，由天然边坡应力云图可以知道，位于F17断层附近的大小主应力都有较大数值，且集中分布于边坡表面与软弱结构面附近，造成边坡的应力集中，不利于边坡稳定。图4.7天然边坡最大剪应变增量云图局部由天然边坡的剪应变增量云图可知，沿F17断层剪应变增量有些许分布较大数值，F17断层在坡内有出现少许的应力集中现象。第五章开挖稳定性FLAC3D数值分析5.1开挖支护过程重新定义本构模型后进行边坡的开挖过程，使用摩尔-库伦模型模拟岩土体，随后输入材料参数。由于模型计算得到的位移值为初始情况到计算阶段状态时的总的位移，而位移变化在自然状态下早已达到了平衡，因此位移计算时，需先将初始位移值归零，与此同时保持边坡内的应力场不变，这样可以更加直观地观察到边坡内的变形与位移，使计算更加符合实际的边坡开挖支护情况。边坡的开挖支护分为16个阶段，每个阶段的开挖支护高程如下：表5.1开挖支护过程开挖高程（m）支护高程（m）开挖第一阶段834未支护开挖第二阶段800未支护开挖第三阶段780未支护开挖第四阶段760未支护开挖第五阶段740未支护开挖第六阶段720未支护开挖第七阶段700720开挖第八阶段680700开挖第九阶段660680开挖第十阶段640660开挖第十一阶段630640开挖第十二阶段620630开挖第十三阶段610620开挖第十四阶段600610开挖第十五阶段590600开挖第十六阶段585未支护开挖过程可以在FLAC3D程序中将岩土体材料设置为空（NULL）模型来实现，同时按照施工的实际情况对岩土体进行分步开挖，为了监测开挖后锚固过程的位移数据，可以将开挖平台的角点定义为控制点即关键点来观察开挖工况下边坡的稳定性。开挖后的支护方案采用预应力锚索对边坡进行支护加固，设计锚索的预应力为3000KN，锚索支护的间距4m×4m。在锚索的安装过程中采取调用FISH函数的方法，可以减少大量的工作量，程序自动循环安装，安装过程中锚索采用锚索结构单元进行模拟。锚索的安装过程在FLAC3D中可以采用锚索结构单元进行模拟，可以较好的模拟锚索与岩土体的作用，其中锚索结构单元的定义需要三个参数：几何参数、水泥浆特性和材料参数。5.2边坡仅开挖工况下计算结果分析开挖工况模拟边坡按设计方案对边坡进行开挖而不进行支护的施工过程，开挖工况下边坡分为16个阶段进行开挖，后续分析主要分析开挖第一、第二、第七、第十二、第十六阶段的应力与变形情况。边坡开挖后的计算结果可以分析边坡在开挖过程中的应力场变化，为支护过程提供设计依据。为了除去重力场的影响，在开挖过程中对位移进行了归零处理。5.2.1应力分析1.第一开挖阶段：图5.1开挖到834m最大主应力云图图5.2开挖到834m最小主应力云图边坡开挖至834m高程时，由最大主应力云图可知，左岸边坡最大拉应力数值为0.5Mpa，最大压应力数值为4.490Mpa，最大拉应力主要出现在边坡表面与软弱结构面附近，在LS3319错动带和F17断层处最为明显。和与天然边坡相比，拉应力数值增大了0.02Mpa，此时边坡表面与软弱结构面附近有较大的应力集中现象，不利于边坡稳定；由最小主应力云图可知，左岸边坡全部为压应力，最大压应力数值为18.4Mpa。开挖第一阶段的边坡主要分布为压应力，且随高程降低压应力数值增大。2.第二开挖阶段：图5.3开挖至800m最大主应力云图图5.4开挖至800m最小主应力云图第二开挖阶段开挖至800m，最大最小主应力分布规律与第一开挖阶段相似，而由于开挖的进行使F110断层与F17断层不断出露于地表，在开挖坡面位置引起了应力的释放导致最大主应力（拉应力）有较大程度的降低，由最大主应力云图可知，左岸边坡最大拉应力为0.394Mpa，最大压应力为4.37Mpa，其中最大拉应力减少了0.106Mpa，最大压应力数值减少了0.119Mpa；由最小主应力云图可知，边坡全部为压应力，最大压应力为17.9Mpa，边坡主要受自重应力场的影响。3.第七开挖阶段：图5.5开挖至700m最大主应力云图图5.6开挖至700m最小主应力云图第七开挖阶段边坡开挖至700m，由最大主应力云图可知，边坡最大拉应力为0.417Mpa，最大压应力为4.040Mpa，最大主应力集中于软弱结构面和开挖坡面附近，边坡内部基本无拉应力分布，开挖到700m高程时出露了C3与C3-1错动带，开挖坡面和C3错动带交界的部位因此出现较大的应力突变，此开挖阶段拉应力的最大值即位于该位置，这说明开挖C3与C3-1错动带对边坡造成了较大的扰动；由最小主应力云图可知，边坡全部为压应力，压应力最大值为16.5Mpa。4．第十二开挖阶段：图5.7开挖至620m最大主应力云图图5.8开挖至620m最小主应力云图第十二开挖阶段开挖至620m，最大主应力（拉应力）集中分布于软弱结构面附近，在F110断层和LS337错动带附近应力集中明显，LS3319错动带附近拉应力明显降低，说明开挖到620m高程时由于出露LS3319错动带的影响，开挖坡面应力释放，出现松弛，开挖坡面附近最大拉应力降低，而上部边坡的软弱结构面出现了应力集中现象，因此，下部边坡的开挖可以影响上部边坡的应力场分布。由最大主应力云图可知，最大拉应力为0.388Mpa，最大压应力为3.99Mpa；由最小主应力云图可知，边坡整体分布为压应力，最大压应力为16.3Mpa，F17断层深部最大压应力数值明显降低。5.第十六阶段图5.9开挖至585m最大主应力云图图5.10开挖至585m最小主应力云图开挖的最后一个阶段边坡开挖至585m，随着LS3319错动带的不断开挖出露，边坡重新出现了应力集中现象，尤其是C3错动带和LS337错动带附近最为明显，由最大主应力云图可知，拉应力分布规律大致未变，主要集中于软弱结构面与开挖面附近，最大拉应力数值为0.436Mpa，增加了0.048Mpa，较开挖至620m时拉应力数值具有明显的增大，这说明随着开挖的施工次数越多，对边坡的扰动越大，最大压应力数值为4.0Mpa。由最小主应力云图可知，边坡全部分布为压应力，最大压应力为16.4Mpa，压应力分布规律也未发生改变，边坡表面附近压应力数值最低，随高程增大，压应力数值剧烈增大。表5.2施工过程大小主应力最大值变化表施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力10.54.49无18.320.3944.37无17.930.4294.29无17.540.4984.20无17.150.4844.13无16.860.4414.08无16.670.4174.04无16.580.3974.01无16.490.3783.99无16.3100.3653.99无16.3110.3743.99无16.3120.3883.99无16.3130.3973.99无16.3140.4043.99无16.3150.4264.00无16.4160.4364.00无16.4由整个施工过程中最大拉应力的变化情况可知，最大拉应力在第二开挖阶段发生突变，这是由于由于出露F110断层和出露F17断层导致边坡表面应力释放，最大拉应力有明显的减少；在开挖的第二到第六阶段，由于开挖施工对边坡的扰动，边坡表面出现应力集中现象，最大拉应力数值不断增大；开挖第七阶段至第十阶段，由于不断出露C3、C3-1、LS3319错动带，边坡再次应力释放，最大拉应力数值不断降低；之后的开挖阶段，下部边坡的施工造成了中上部边坡的扰动，中上部边坡软弱结构面附近再次出现应力集中现象。整个过程的最小主应力均为压应力。[17]5.2.2变形分析1.开挖第一阶段：图5.11开挖至834m边坡总位移云图图5.12开挖至834m边坡X方向位移云图第一开挖阶段边坡开挖至834m高程时，由于开挖卸荷的影响，边坡X方向位移集中于F110断层与坡面交界附近，达到7.6mm，边坡总位移由坡顶内部向四周逐渐减小，总位移最大值为20.6mm，表现出向上回弹的特性。2.开挖第二阶段：图5.13开挖至800m边坡总位移云图图5.14开挖至800m边坡X方向位移云图边坡开挖至800m高程时，开挖坡脚处也出现向上回弹的现象，总位移达24.5mm，与第一开挖阶段相比，变形明显增加，这个现象也表明坡体的长度和开挖次数对边坡的影响明显，开挖次数越多，边坡受到的扰动作用就越大，因此出现较为明显的变形，边坡因此变得不稳定，因此边坡应该就此考虑相应的加固措施。X方向位移集中于F108断层与坡顶交界处，X方向位移最大值为13.1mm，说明随着开挖的加大，开挖坡面上有出现不断增大且指向坡外的正向位移，可以考虑在此设置支护措施。[23]3.开挖第七阶段：图5.15开挖至700m边坡总位移云图图5.16开挖至700m边坡X方向位移云图开挖至第十阶段即开挖至700m高程附近，边坡总位移与X方向位移最大值均出现在C3错动带与开挖线交接处，即高程720m左右，其中X方向位移最大值为23.3mm，总位移仍集中于坡脚附近，总位移最大值为57.5mm。由于C3错动带出露处岩层的水平位移明显，较之前的开挖阶段有极大的位移变形，务必需要在此设置支护措施减少扰动。4.开挖第十二阶段：图5.17开挖至620m边坡X方向位移云图图5.18开挖至620m边坡总位移云图第十二开挖阶段开挖至620m高程，X方向位移最大值仍集中于C3错动带与开挖线交界处，总位移最大值扩大到C3错动带与F17断层之间的开挖线附近，X方向位移最大值为24.9mm，总位移最大值为59.9mm。4.开挖第十六阶段：图5.19开挖至585m边坡X方向位移云图图5.20开挖至585m边坡总位移云图由620m开挖至585m，边坡X方向的位移分布规律无明显变化，都集中于C3错动带与开挖线的交界线附近，即高程720m附近，边坡最危险的位置即位于此处，同时X方向位移最大值由24.7mm增加至26mm。再次验证了边坡的开挖次数对边坡稳定的不利影响，随着开挖的不断进行，变形将会不断增加，同时需要着重考虑C3错动带出露处的变形，设置相应的支护措施。由620m开挖至585m，边坡的总位移分布规律也无明显变化，总位移的最大值发生了改变，且与X方向位移变化规律相反，随着开挖的不断进行，总位移的最大值越来越小，由59.9mm逐渐减少至59.4mm，但数值变化不大，都集中分布于F17断层与C3错动带之间的开挖线附近。这是由于出露LS3319错动带后，继续开挖对边坡软弱带的扰动开始减少。表5.3整个开挖过程位移变化表施工顺序水平位移最大值（mm）总位移最大值（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由整个开挖过程中最大水平位移的变化可知，在前五个施工阶段，即开挖至740m高程之前，边坡的最大水平位移都集中在断层出露的开挖坡面处，在开挖至800m时，位于F110断层出露于开挖坡面的位置；在开挖至740m高程时，位于F17断层出露于开挖坡面的位置，在开挖至740m高程之前，最大水平位移仅在第五开挖阶段降低了较小数值，随着开挖高程的降低，最大水平位移缓慢增大，其中竖直位移占主导地位，边坡的最大总位移中最大水平位移占比不到30%。在开挖至720m高程时，最大水平位移发生突变，由13.7mm增加至21.8mm，由于出露了C3错动带的影响，在边坡本身的自重应力场的联合作用下，边坡有向软弱结构面滑移的趋势，产生较大的水平位移趋势，方向指向河谷，至此，边坡只要受水平卸荷的影响，在最大总位移中，最大水平位移占比增大。边坡在开挖至680m之前，水平位移都有较大程度的增大，之后的开挖阶段最大水平位移都以较小的增加趋势增加，且最大水平位移一直稳定分布在C3错动带出露处，所以将设计在此处设置支护措施进行边坡的加固。最大总位移在开挖至第十阶段都呈增大趋势，可见边坡的开挖次数会对边坡造成较大的扰动，而第十开挖阶段之后，最大总位移开始减少，由前述应力分析可知，此时的边坡扰动主要影响为上部边坡的应力场。5.3.3安全系数与剪应变通过命令流计算得到边坡开挖后的安全系数为1.37，边坡开挖后更显稳定，其原因在于边坡位于F17断层与C3错动带之间的岩体稳定性差，应力较为集中，且变形较大，在边坡开挖后，这部分危险岩体被开挖，边坡稳定性提高。图5.21开挖至700m边坡最大剪应变增量云图开挖至700m时，边坡的最大剪应变增量有较大的数值，且沿软弱结构面分布，此开挖阶段边坡受到较大的扰动，需要着重考虑该阶段的支护措施，减少变坡的滑移趋势。5.3边坡逐级开挖支护工况下计算结果分析由开挖工况的位移云图可知，边坡高程大于740m的位置其位移变化较小，大约在25mm左右，未达最危险的区域位移值的一半，因此其稳定性较好，故设置锚索支护时，可以在740m高程处开始布置。由于支护工况下工程的施工是边开挖边支护，因此支护工况下边坡开挖至720m处时，并未开始设置锚索支护，边坡的位移云图与应力云图与仅开挖工况相同，在此便不再分析。当边坡从720m高程开挖至700高程时，将同时对边坡进行支护措施，锚索将支护到720m高程，支护工况下的应力与位移分析将从此处开始。图5.22支护工况下开挖完毕的边坡模型5.3.1应力分析支护过程最大主应力云图图5.23开挖到700m支护到720m图5.24开挖到680m支护到700m图5.25开挖到660m支护到680m图5.26开挖到640m支护到660m云图图5.27开挖到630m支护到640m图5.28支护到630m图5.29开挖到610m支护到620m图5.30开挖到600m支护到610m时图5.31开挖到590m支护到600m图5.32开挖到585m由支护过程中的最大主应力云图可知，其最大主应力（拉应力）分布规律并未发生明显的改变，且与仅开挖工况下的分布规律也相同，即最大主应力沿软弱结构面与坡面集中，并向四周扩散减少，随着开挖与支护工作的进行，最大拉应力的变化情况为:0.43Mpa、0.41Mpa、0.38Mpa、0.36Mpa、0.37Mpa、0.37Mpa、0.38Mpa、0.4Mpa、0.41Mpa、0.43Mpa、0.44Mpa,可见最大拉应力最大值先降低后增加，在支护到630高程处时达到最小值。这是由于开挖到LS3319错动带之前，不断出露包括F110，F108,F17,C3,C3-1在内的软弱结构面，导致边坡的应力释放，最大主应力数值有所降低，而开挖到LS3319错动带之后由于边坡受到扰动的影响再次导致应力集中，并随着开挖高程的不断减少，卸荷深度不断增加，应力集中现象越来越明显，且应力集中现象主要出现在边坡的上层，即F110断层和LS3318错动带所在的岩体部位，这说明边坡的下部开挖也会影响到边坡上层结构的稳定性。最大压应力变化情况为4.039Mpa、4.009Mpa、3.994Mpa、3.989Mpa、3.989Mpa、3.988Mpa、3.989Mpa、3.991Mpa、3.994Mpa、3.997Mpa，分布于边坡高程最低的位置，压应力分布规律为随高程降低，压应力数值增大。支护过程最小主应力云图图5.33开挖到700m支护到720m图5.34开挖到680m支护到700m时图5.35开挖到660m支护到680m图5.36开挖到640m支护到660m图5.37开挖到630m支护到640m图5.38支护到630m时图5.39开挖到610m支护到620m图5.40开挖到600m支护到610m图5.41开挖到590m支护到600m图5.42开挖到585m时由支护工况下最小主应力云图可知，最小主应力全部为压应力，边坡的最小主应力分布规律随着开挖支护措施的进行并未发生变化，且与仅开挖工况下分布规律相同，即沿着坡面向边坡内部压应力数值逐渐增大，最大压应力分布在边坡底部。随着开挖与支护工作的进行，最大压应力的变化情况为16.5Mpa、16.4Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.3Mpa、16.4Mpa，边坡底部压应力稳定（F17断层深部）。边坡表面附近压应力数值较低，开挖高程逐渐降低时，小压应力带延伸至边坡内部，在F17断层靠近河谷一侧最为明显，压应力数值明显降低，其受自重应力带的影响越来越小，可见此时开挖坡面和软弱结构面附近主要受水平向应力场的影响，自重应力场作用减弱。表5.4支护工况大小主应力最大值变化表施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力10.54.49无18.320.3944.37无17.930.4294.29无17.540.4984.20无17.150.4844.13无16.860.4414.08无16.670.4324.04无16.580.4144.00无16.390.3843.99无16.3100.3643.99无16.3110.3723.99无16.3120.3733.99无16.3130.4003.99无16.3140.4123.99无16.3150.4313.99无16.3160.4414.0无16.4（其中前六个施工阶段未设置支护措施）

5.3.2变形分析X方向位移云图图5.43开挖到700m支护到720m图5.44开挖到680m支护到700m图5.45开挖到660m支护到680m图5.46开挖到640m支护到660m图5.47开挖到630m支护到640m图5.48护到630m图5.49开挖到610m支护到620m图5.50开挖到600m支护到610m图5.51开挖到590m支护到600m图5.52开挖到585m由支护工况下各施工阶段的X方向位移云图可知，边坡的X方向位移最大值主要出现在高程为720m左右的C3错动带附近，与仅开挖工况下X方向位移分布规律相似，X方向位移最大值变化规律为21.4mm、21.9mm、22.1mm、22.1mm、22.2mm、22.3mm、22.4mm、22.6mm、22.9mm、23.1mm，随着开挖支护工作的不断进行，x方向位移最大值不断增加，这是由于开挖次数的不断增加导致边坡的扰动越来越大，边坡的变形因此增加，边坡稳定性变差。由于边坡采取了边开挖边支护的施工方案，不难发现逐级开挖后边坡的X方向位移变化增加速度很慢，开挖到最后一个阶段时，边坡的最大位移为23.1mm，与仅开挖工况下最后一个施工阶段的的X方向位移相比，位移减少了3mm，明显提高了边坡的中部稳定性，减少了C3错动带出露于开挖坡面岩体的X方向位移。当边坡发生位移时，变形部位的岩土体会对所设置的锚索发生相对作用，锚索因此产生剪切与拉伸作用，[20]岩土体的变形因此受到了限制，稳定性得到提高，锚杆的设置对边坡浅层具有良好的加固作用。支护工况下的总位移云图图5.53开挖到700m支护到720m图5.54开挖到680m支护到700m图5.55开挖到660m支护到680m图5.56开挖到640m支护到660m图5.57开挖到630m支护到640m图5.58支护到630m图5.59开挖到610m支护到620m图5.60开挖到600m支护到610m图5.61开挖到590m支护到600m图5.62开挖到585m支护工况下总位移主要集中于C3错动带与F17断层之间靠近边坡表面的岩体，由坡面向边坡内部总位移值不断减少。支护工况下各个施工阶段的总位移最大值变化情况为56.4mm、57.9mm、58.5mm、58.6mm、58.5mm、58.4mm、58.2mm、58.1mm，可见边坡总位移最大值随着开挖加固的进行先增大后减小。这是由于开挖到LS3319错动带之前，由于开挖过程中边坡在先期应力场的作用下，有较大的卸荷回弹，边坡坡面出现较大的卸荷变形，方向指向右上方，位移较大，由于预应力锚索的强度限制，未能全部限制位移，开挖至630m高程之后岩层出露的软弱结构面主要为LS3319，边坡的应力场作用也较弱，卸荷回弹不明显，变形主要由开挖高程的不断降低对边坡的扰动来产生，[18]此时由于设置了锚索，限制了边坡的位移，在一定程度上保证了边坡的稳定性，边坡的变形都控制在59mm以内，起到了主动防护的作用。[22]边坡的位移由坡面向坡内逐渐降低，锚索的布置间距不宜过大，否则可能会削弱锚索对边坡浅层位移的限制作用。设置锚索前仅开挖工况下，开挖至最后一个阶段的总位移值为59.6mm，支护工况下开挖最后一个阶段位移值减少了1.5mm，可见锚索对边坡位移具有明显的限制作用。[21]图5.63开挖到700m时边坡的位移方向表5.5支护工况最大位移变化表施工顺序水平位移最大值总位移最大值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变形的危险区域监测点位移曲线图5.64监测点位置图5.65监测点位移变化曲线本文在变形最大的主要结构面上设置了关键点来监测边坡开挖支护过程中的位移变化规律，图5-87即表现了C3结构面出露于坡面附近的岩层关键点的位移变形曲线。从图中可以看出在中上部岩体进行开挖时，观测点占主导地位的变形主要是竖直向位移，这是由于边坡的卸荷变形导致坡面岩体有卸荷回弹的趋势，且随着开挖的不断进行，由于开挖的初期未设置锚索支护措施，观测点X向位移和竖直向位移均有明显的增大。当开挖高程不断降低，在LS3319出露于坡面之后，水平向位移与竖直向位移均达到最大值，且随着开挖高程的降低位移不再明显增加，仅呈缓慢的变形速率保持较大的变形趋势，此时观测点的水平向位移主要是由于软弱结构面LS3319的出露导致其下部约束释放，观测点在自重应力场的作用下有向河谷方向变形的趋势，上部的卸荷回弹变形在此时也已累计至最大值，但占主导地位的变形趋势是X向位移，此后的开挖阶段也将是向河谷方向的位移占主导地位。最终测点的竖直位移为54mm，水平向位移为19mm。5.3.3安全系数与剪应变边坡在支护工况下施工计算得到的安全系数为1.52，在使用锚索对边坡进行加固后，边坡的稳定性得到明显的提高，边坡的变形得到改善。由于施加了预应力锚索，边坡的开挖工程中的应力场和位移场都会得到调整，有利于边坡稳定，预应力锚索的设置限制了边坡的变形，在边坡发生扰动有位移增加的趋势时，岩体和锚索的相对作用会减轻该变形的趋势，从而达到减小位移的作用，尤其是浅层边坡附近的位移变形。边坡在设置锚索后边坡和锚索固结成为一个有机的复合整体，大大的提高了边坡的稳定性。[19]可见为边坡设置锚索支护的方案是切实可行的。开挖支护工作的不断进行，最大剪应变速率云图的变化过程图5.66开挖到800m图5.67开挖到740m图5.68开挖到700m支护到720m图5.69开挖到680m支护到700m图5.70开挖到610m图5.71开挖到585m上图为左岸边坡支护开挖期间边坡最大剪应变增量云图的变化情况，其中颜色越浅的地方剪应变率最大，可以看出，边坡开挖过程中在出露F110，F17断层时，剪应变率都出现较大的数值，集中分布在软弱结构面附近，该区域有较大的应力集中现象，尤其是开挖至LS3319结构面时，边坡的剪应变增量最大，此时边坡受到的扰动最大，这也说明下部岩体的开挖会导致上部岩体的扰动，影响上部岩体的变形。出露LS3319导致剪应变增量增大的原因是边坡此处地应力数值较大而岩体的力学特性较为薄弱，开挖后岩体的水平位移占主导地位，边坡发生水平卸荷作用，受水平向的剪应力拉伸产生变形。在出露了LS3319断层之后，剪