水库石料场终采边坡方案研究.pdf

设计施工水利规划与设计 年第 期:/水库石料场终采边坡方案研究韩新捷 孙志翔 徐梦佳 俞正浩(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司 浙江 杭州)摘要:文章以嵊州市某拟建水利枢纽工程的石料场开挖为例 考虑坡比、马道高差、马道宽度等因素影响 研究开挖边坡稳定系数和有用层开采量的关系 并利用正交试验对各变量进行敏感性分析 寻找边坡稳定条件下石料场边坡开采的最优方案关键词:料场边坡 储量计算 边坡稳定性中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:韩新捷(年)男 工程师:针对水电、水利工程料场高边坡具有高度大、坡度陡、卸荷速度快等特点 赵建军提出了边坡稳定性动态评价 指导支护设计的方法 张显书利用数值仿真 对不同开挖角的高边坡稳定性和变形进行计算 综合技术经济比较 确定了边坡结构处理的最优方案 陈星通过三维数值模拟对 种开挖方案的位移、应力、塑性区、安全系数、开挖方量、开采难易程度进行综合比较分析 为选择最优方案提供了思路本文通过嵊州市某拟建水利枢纽工程的料场边坡 模拟研究不同坡比、马道宽度、马道级差对料场有用层开采量和边坡安全系数的影响 探求既定开挖顶底高程条件下 料场的最优开采方案 综合考虑边坡稳定和经济性 精确计算有用层开采量 选择最优开挖方案 对实际工程施工具有一定的指导意义 开采方案设计 工程概况绍兴地区主要山脉为会稽山 其主要地层岩性为白垩系下统的火山碎屑 为地区的工程建设提供了良好的天然石料场 在水库区内经比选确定的料场岩性稳定 地质构造不发育 地质条件较简单天然建材开挖主要受征地红线限制 如何在既定范围内一方面保证边坡稳定 减少支护投入 同时尽可能增加有用层开挖量 保证天然建材供应 增加有效库容 成为石料场开挖方案设计的主要考虑方向嵊州市某拟建水利枢纽工程的 料场位于规划堆石坝上游右岸 计划开采石料 万 石料场在大坝填筑期同步开挖 一方面提供堆石坝所需填筑料和混凝土骨料 另一方面可增大拟建水库库容 水库建设完成后将形成终采边坡 料场现状地形如图 所示图 料场平面图根据地质勘察成果 料场边坡坡表为第四系全新统残坡积()含碎石粉质粘土 厚度 不等 基岩为白垩系下统西山头组上段()熔结凝灰岩 强风化带厚 弱风化带厚 其下为微风化至新鲜 绘制 地质剖面图如图 所示 方案设计根据 水利水电工程边坡设计规范可确定 料场边坡级别为 级 对应的抗滑稳 年第 期水利规划与设计设计施工图 料场工程地质剖面图定安全系数为 该石料场初步考虑开挖至高程 河床高程约 开挖后将形成高差约 的终采边坡根据规范 结合工程实际 弱 微风化岩质边坡坡比可达到 设置马道宽度不宜小于 马道高差不宜大于 根据以上情况 设计不同的料场边坡开挖方案考虑边坡坡比、马道高差和马道宽度 个因素 每个因 素 个 水 平 设 计 坡 比 依 次 为 、单级马道宽度依次为、各级马道高差依次为、种因素组合共计形成 个开挖方案不同开挖路径对应不同的终采边坡坡面形态同样的地质条件下 边坡稳定系数应符合坡比越小、安全系数越大这一规律 但是随着坡比变小 终采边坡形态变缓 有用层开采量随之减小 两者存在矛盾统一的关系 因此 安全系数满足要求条件下实现有用层开采量最大化的方案 即为料场边坡开采的最优方案 边坡典型开挖方案如图 所示图示方案 为最陡开采方案 方案 为最缓开采方案 根据方案设计 和 之间存在其余 组开采方案 不难发现 安全系数()和有用层开采量()保持着如下关系:为所有方案的最小值 为所有方案的最大值 为所有方案的最大值 为所有方案的最小值其中存在着同时满足边坡安全系数和有用层开采量 且能实现效益最大化的方案 即为该料场边坡开采的最优方案 方案分析 原始边坡的稳定性计算利用极限平衡法计算 料场边坡现阶段的稳定图 典型开挖方案示意图性情况 根据熔结凝灰岩的抗剪强度参数(见表)分别计算发生整体破坏和局部破坏的安全系数 计算结果如图 表 岩体物理力学参数天然密度/(/)单轴抗压强度饱和/干燥/破坏荷载/抗剪强度内摩擦角/()粘聚力/泊松比 根据现状边坡的稳定性计算结果可知 边坡整体破坏的安全系数为 局部破坏的安全系数为 该边坡现状处于稳定状态 不同开采方案边坡稳定性计算料场边坡开挖顶高程 底高程 选取同一典型剖面 对不同开采方案分别计算终采边坡安全系数 部分方案安全系数计算结果如图 所示 不同开采方案边坡有用层开采量计算建立 料场的三维地质模型 利用河床做为开设计施工水利规划与设计 年第 期图 现状边坡整体破坏稳定性计算图 现状边坡局部破坏稳定性计算图 不同方案的稳定性计算结果(部分)挖基底 后缘先建立垂直面 顶高程为 坡表残坡积层和强风化岩为剥离层 平均厚度约 建立的三维地质模型如图 所示通过计算分析可知:垂直开挖条件下 剥离层方量为 万 有用层开采量为 万 此时的剥采比最小 为 在不同开采方案下 无用层开挖量几乎不变 有用层开采量发生变化 剥采比也随之改变 计算结果及分析通过对 个不同开采方案的模拟计算 其安全系数和有用层开采量计算结果见表 根据工程建设需求 开采方案需同时满足终采边坡安全系数不小于 有用层开采量不小于 万 据此绘制不同方案的安全系数和有用层开采量折线图(如图 所示)可知同时满足安全系数和有用层开采量两个条件的方案共有方案、方案、方案、方案、方案、方案、方案、方案、方案、方案 共计 组方案其中方案(坡比 、马道高差、马图 料场边坡三维地质模型 年第 期水利规划与设计设计施工表 不同方案开采方量与边坡稳定性计算结果方案编号坡比马道高差/马道宽度/有用层开采量/万 安全系数方案编号坡比马道高差/马道宽度/有用层开采量/万 安全系数 道宽度 )的安全系数最小 为 其对应的有用层开采量为 万 方案 (坡比、马道高差、马道宽度 )的安全系数最大 为 其对应的有用层开采量为 万 方案 (坡比 、马道高差、马道宽度 )与方案 两者的有用层开采量接近 安全系数仅为 在满足安全系数 时 方案 可多开采 万 石料 在满足开采量 万 时 方案 可建立安全系数为 的终采边坡 有用层开采量整体随着安全系数的增大而减小 基于正交试验的参数敏感性分析 正交试验原理正交试验是一种基于数理统计方法来分析多因素影响规律的试验设计方法 可以用来表征不同因素对试验指标作用的主次顺序 本文利用正交试验分析料场终采边坡的坡比、马道高差、马道宽度设计施工水利规划与设计 年第 期图 不同方案的计算结果 个因素对于边坡安全系数和有用层开采量的影响规律及大小首先根据工程实际和经验分析制定合适的正交表()其中 为正交表符号 为正交表的行数 为各个因素的水平个数 为正交表列数即为因素个数 然后按照正交表填入对应的安全系数和有用层开采量计算结果 本文选用方差分析来进行 个参数的敏感性分析 用各个参数的变差平方和除以误差平方和构造出 检验的统计量 进行 检验 根据检验结果判断 个参数对安全系数和有用层开采量影响的显著程度 正交试验及结果分析选取坡比、马道高差、马道宽度做为试验因素 每个因素有 个水平 见表 表 因素水平表水平因素坡比马道高差/马道宽度/根据终采边坡设计方案确定的 因素 水平采用()正交表设计试验方案 分别建立 组不同参数条件的计算模型 其安全系数和有用层开采量计算结果见表 其中第 列、第 列为空列即误差列利用公式计算出各因素的变差平方和 在正交试验表中第 列、第 列即、参数为无因素列 称为误差列 其 相对应自由度为 对应的安全系数方差分析表见表 有用层开采量方差分析表见表 根据 检验临界值表可确定 若因素 检验的统计量 大于 ()则称该因素为高度显著 若因素 检验的统计量 小于 ()则称该因素为不显著 若因素 检验的统计量 处于两者之间则称该因素为显著 各因素的安全系数方差分析表见表 有用层开采量方差分析表见表 表 正交试验方案及其结果方案安全系数有用层开采量/万 表 安全系数方差分析表因素自由度 显著性坡比 高度显著马道高差 不显著马道宽度 不显著误差项 表 有用层开采量方差分析表因素自由度 显著性坡比 显著马道高差 不显著马道宽度 不显著误差项 根据分析结果可知 坡比对边坡安全系数和有用层开采量的影响优先级均高于其他两因素 对于 年第 期水利规划与设计设计施工安全系数的正面影响要显著于对有用层开采量的负面影响 在同时满足安全系数和有用层开采量两个条件的 组方案中 方案 终采边坡坡面更缓马道级数少仅有 级 且单级马道宽度最窄为 可以判定为该料场边坡的最优开采方案 最优开采方案的边坡有限元分析在确定最优路径终采边坡后 进一步分析其三维应力及应变问题建立方案(坡比 、马道高差、马道宽度 )的三维有限元计算模型 同时给模型赋予取得的地质材料强度参数 使其在自重条件下稳定 消除自重产生的竖向位移增量 模拟现阶段边坡的稳定性状态 建立的三维有限元模型如图 所示 三维网格模型如图 所示图 三维有限元计算模型图 三维有限元模型网格剖分根据边坡的开采方案 建立后缘边坡 使之切割原始边坡模型 将三维有限元模型分为开挖体和终采边坡两部分 利用 软件自带的生死单元功能 将初始模型按照开挖顺序逐级移除直至 河床高程处 分别计算该开挖方案下的边坡塑性区分布 最大主应力、最小主应力分布 各方向位移分布 其计算结果如图 根据三维有限元计算结果得到的塑性区分布图可知 方案 未出现塑性区贯通现象 与二位极限平衡稳定性取值相符合 该方案塑性区仅在第一级马道图 开挖后塑性区分布图 开挖后应力分布云图即 高程处出露 该部位可能发生小范围剪切破坏 可进行局部支护加固 根据应力分布云图可知方案 应力集中现象不明显 仅在各级马道位置发生最小主应力集中 其特征值为 根据应变分布云图可知 方案 的 方向位移集中在左侧山体设计施工水利规划与设计 年第 期图 开挖后应变分布云图即实际边坡的下游侧山体向边坡临空面方向发生变形 方向位移集中在右侧 即终采边坡后缘区域向临空面方向突出 向最大位移值为 向最大位移值为 可对后缘边坡中下部采用锚杆适当支护防止发生边坡变形破坏根据方案 的三维有限元计算结果可知 该方案终采边坡在塑性区、应力、应变方面均满足边坡稳定要求 开挖方量满足大坝填筑需求 且开挖后形成的终采边坡安全系数为 为该料场边坡的最优开采方案 结论本文通过嵊州市某拟建水利枢纽工程 料场边坡实例 研究不同开采方案的安全系数和有用层开采量 探寻最优开采方案()通过设定不同的坡比、马道高差和马道宽度进行全面试验 计算不同方案的安全系数和有用层开采量 共有 组试验同时满足稳定性和方量需求()利用正交试验分析参数敏感性可知 坡比相较于马道高差和马道宽度 对安全系数和有用层开采量的影响均更显著 且对安全系数的正向影响高于对有用层方量的负面影响 因此判断方案 为最优开采方案()通过对最优方案 的三维有限元模拟 可知其在塑性区分布、应力分布、应变分布均满足要求参考文献 赵建军 唐茂颖 巨能攀 等.高陡岩质料场边坡稳定性与支护设计研究.工程地质学报():.张显书.沙坝水电站高边坡稳定性的数值仿真模拟及其结构优化.水利水电技术():.陈星 郭永成 赵二平.综合考虑安全性和经济性的料场边坡开挖方案优选.三峡大学学报(自然科学版)():.卢坤林 朱大勇 甘文宁 等.一种边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用.岩土工程学报():.邓红卫 胡普仑 周科平 等.采场结构参数敏感性正交数值模拟试验研究.中南大学学报(自然科学版)():.程圣国 陈高峰.考虑参数相关性的滑坡稳定敏感性分析模式研究.水力发电():.(上接第 页)参考文献 邓铭江 裴建生 王智.干旱区内陆河流域地貌单元特征及地下水储水构造.水利学报():.邓铭江 李文鹏 李涛 等.新疆地下储水构造及地下水库关键技术研究.第四纪研究():.乔晓英 王文科 陈英 等.天山北麓蓄水构造模式与水循环特征.地球科学与环境学报():.庞忠和.新疆水循环变化机理与水资源调蓄.第四纪研究():.邓铭江 裴建生 王智 等.干旱区内陆河流域地下水调蓄系统与水 资 源 开 发 利 用 模 式 .干 旱 区 地 理 ():.李文鹏 郝爱兵.中国西北内陆干旱盆地地下水形成演化模式及其意义.水文地质工程地质():.新疆叶尔河流域平原灌区规划报告.新疆水利水电勘测设计研究院 年 月.张蔚榛 张瑜芳.对灌区水盐平衡和控制土壤盐渍化的一些认识.中国农村水利水电():.新疆坎尔井.乌鲁木齐:新疆人民出版社.裴建生 王新 艾尼瓦尔卡德尔 等.新疆吐鲁番盆地的坎儿井保护利用及工程措施 .干旱区地理 ():.罗伯特 阿姆布罗格 刘立明.控制水循环的地下水库.地下水():.裴建生 庞忠和 邓铭江 等.新疆台兰河坎儿井式地下水库试验研究.第四纪研究():.裴建生.干旱区山前冲洪积扇凹陷带坎儿井式地下水库建设的原理及实践.水利水电技术():.党博琪 武兰珍 王馨梅 等.甘肃省苦咸水资源量及分布特征研究.水利规划与设计():.