一、工程简况
三峡工程双线5级永久船闸在三峡坝址左岸坛子岭北侧花岗岩山体中深切开挖修建，形成最大深度170m，下部45～68m直立闸墙的双向岩质高边坡。两线岩槽间保留宽56m、高45～68m的直立岩石中隔墩。
船闸边坡对变形，特别是对时效变形有严格的限制。船闸有6级闸首、12组巨型人字门，安装后要求每组人字门支持体的相对位移不超过5mm。开挖变形量级及变形收敛时间的确定，不仅涉及到工程的安全，而且对选择船闸边墙薄混凝土墙衬砌的施工时机及闸门安装时机具有极其重要的意义。
对于三峡工程永久船闸边坡（20—20断面）稳定反馈分析问题，经过近两年时间的工作，建立了力学参数（弹性模量E，强度参数c、φ，流动参数γ）的联合位移反分析模型和应力、变位及稳定性预报方法，实现了从施工开挖后首次提供监测资料（1995年1月）直到开挖见底（1999年3月）施工阶段的跟踪反馈分析，并对直到1999年12月底的时效变位和稳定性进行了预报。
二、分析条件
1.地形地质条件
图1-12-7所示为20—20断面（桩号15+785）的地形地质简图。船闸建筑物所在部位以微、新岩体为主，岩体完整，坚硬性脆，整体强度高，具备形成高、陡边坡的岩性、构造、岩体结构和力学特性等基本条件。根据风化程度，岩体可划分为全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩体。边坡中含有断层f1222、f1007，破碎带，ex岩脉，节理裂隙（4组）。若在本构模型中全部考虑节理裂隙，则因观测量有限且参数很多，导致反演分析成果较差。因此，分析时作了如下假定：
（1）岩体中每一种材料均为均匀各向同性弹粘塑性体，节理裂隙的影响综合体现在材料的变形和强度特性中。
（2）岩体泊松比μ为已知，采用设计值，不再反演。
2.岩体初始地应力场
采用实测地应力场作为初始地应力场进行计算。
将全风化区和强风化区的初始地应力场处理为自重应力场，即
式中：γr为岩体容重；H为埋深。
在微风化和新鲜岩体中，采用由实测值回归反演的地应力场，即
图1-12-7 20—20断面地形地质简图
1—全风化、强风化岩体；2—弱风化岩体；3—微风化和新鲜岩体；4—破碎带；5—ex岩脉；6—断层f1222；7—断层f1007
在弱风化区，岩体中的初始地应力场由强风化区和微风化区的地应力场经过线性插值获得。
3.边坡开挖
从开始施工至1999年3月底开挖完成，20—20断面共分17期开挖。图1-12-8为边坡的开挖形态，显示了边坡断面开挖高程与开挖时间的关系。
图1-12-8 边坡的开挖高程与对应的开挖时间
4.监测点布置与有限单元网格
20—20断面位于三闸室，桩号为15+785，其断面监测点布置情况如表1-12-2～表1-12-4及图1-12-9所示。图1-12-10给出了有限单元计算网格，单元总数为2250，结点总数为2322。计算范围为：沿水平方向取900m（-450～450m）；沿高程方向，顶部取到地表，底部取到高程0.0m处。
表1-12-2 20—20断面外观点布置一览表
表1-12-3 20—20断面内观钻孔倾斜仪布置一览表
表1-12-4 20—20断面内观多点位移仪布置一览表
图1-12-9 断面监测点布置
图1-12-10 计算网格
三、关键技术问题
1.初始值的选取
在边坡开始开挖时，边坡中尚没有观测仪器，所以从开始开挖到埋设第一支观测仪器的过程中，边坡的变形无法得到。但是如果能够得到第一支观测仪器埋设时的边坡应力场，那么就可以从这个时间开始进行反演计算，后续的开挖计算就有观测点位移作为反演计算的依据。为此，需要从初始地应力场出发，进行开挖计算，得到边坡的二次应力场。但此项计算需要知道边坡岩体的力学参数，而边坡岩体的力学参数需由反演计算求得。为解决这个矛盾，可先根据设计资料假定边坡岩体的各力学参数，由开挖计算求得上述边坡应力场，然后再反演计算求得边坡岩体的各力学参数。若假设值与反演值接近，则可继续进行下去；若相差较远，则需根据假设值与反演值重新假定，直至获得理想的结果。
2.爆破松弛与卸荷松弛的模拟
在边坡的开挖过程中，由于爆破振动及应力释放等原因，在靠近临空面的部位形成松动圈和卸荷松弛带。松动圈主要受爆破振动和表层强卸荷的双重影响，表现为岩体中产生新的裂隙，原有的结构面大量张开和位错，岩体力学参数有较大降低，深度一般不超过5m。卸荷松弛带则主要受卸荷的影响，主要表现为原有的结构面张开与位错，岩体力学参数降低幅度较小，深度一般不超过20m。
反演计算中，在进行下一步开挖时，本步以上的松动圈及卸荷松弛带按同一种岩体材料处理。但是，由于受后续开挖的影响，松动圈及卸荷松弛带的弹性模量及强度可能会不断降低。因此，在每一步开挖反演计算中，松动圈及卸荷松弛带中的力学参数必须是变化的。
3.参数解耦
一般地，边坡分布有多类岩体，按弹粘塑性模型，每类岩体有5个基本参数（γ、E、μ、c、φ），而且是耦合的。例如，对某组观测值，可反演出偏高的弹性模量E和较低的强度参数c、φ，反之亦然。此外，强度参数c和φ也是耦合的。到目前为止，参数解耦的纯数学方法尚不存在。笔者认为计算结合地质特点、结构特点、施工进度和工程经验的综合应用是可行的，其要点为：
（1）由于流动参数取任意值时，虽然计算的应力应变过程为一个虚拟过程，但最终求得的应力应变与弹塑性解一致，故先置流动参数为γ=1，利用收敛位移进行强度参数和弹性模量的反演，然后再利用位移过程确定流动参数。
（2）由于岩体泊松比μ与其他参数相比重要性低一些，故采用设计值，不再反演。
（3）由于开始几步开挖时通常不会出现大范围的屈服，故开始几步的观测结果主要用于弹性模量E的反演，此时强度参数c和φ采用设计值。弹性模量确定后，反演强度参数。强度参数确定后，再用一步观测结果对弹性模量E进行校核与修正。
（4）在每一步反演之前，先进行一次正算，根据正算结果估计哪些区域有屈服现象，若某种材料没有发生屈服，则不进行此种材料强度参数的反演。(www.xing528.com)
（5）由于φ较c稳定，故反演强度参数时，先反演c，φ采用设计值；然后，固定c，再反演φ。当观测步数足够时，此过程可重复进行。
4.预报方法
预报第i步开挖后边坡岩体关键部位的应力、位移及破坏情况，需进行一次有限单元正分析，分析时应该：
（1）将第i-1步开挖反演分析得到的力学参数引入第i步正分析。
（2）将第i-1步开挖反演分析得到的应力场作为第i步正分析的初始应力场。
四、成果与分析
1.参数反演
反演分析分别采用了复合形优化方法结合有限单元法、神经网络方法结合有限单元法的方法。两种方法的结果相差不大，但后者节省计算时间。
开始几个施工开挖步的反演力学参数变化较大，随后趋于稳定，至施工开挖结束前几步，反演的力学参数变化已很小。表1-12-5列出了第16步开挖后微新岩体、破碎带、ex岩脉、松动圈、卸荷松弛带力学参数的反演计算结果及原设计值。结果表明，除个别情况外，设计参数比反演的参数偏高。各种岩体材料的流动参数的反演结果见表1-12-6。
表1-12-5 岩体力学参数
* 表示该参数采用设计值，未参与反演。
表1-12-6 岩体流动参数
2.追踪预报
（1）位移。每一开挖步的反演完成后，即对下一步开挖的位移进行预报。预报位移采用各监测点首次提供监测资料起的累计值。预报值与观测值有较好的一致性。一般地，对水平位移的预报比对铅直位移的预报更为准确。图1-12-11～图1-12-14为代表性外观点（参见图1-12-9）水平向位移的预报曲线和实测曲线。
图1-12-11 TP/BM13GP01水平位移
图1-12-12 TP/BM99GP02水平位移
图1-12-13 TP/BM72GP01水平位移
从边坡直立墙首次提供监测资料直到开挖见底（1999年3月），北线船闸直立墙部位的最大变形出现在中隔墩顶部（TP/BM72GP01，1997年11月首次观测），为13.57mm。南线船闸直立墙部位的最大变形也出现在中隔墩顶部（TP/BM99GP02，1998年1月首次观测），为18.21mm。北线船闸北坡直立墙部位未埋设观测仪器，南线船闸南坡直立墙部位测点TP/BM100GP02只有极少的观测资料，无法提供监测与预报的有效比较。
从施工开挖后首次提供监测资料直到开挖见底（1999年3月），北线船闸风化层（TP/BM13GP01，1996年2月首次观测）的最大变位为23.47mm。南线船闸风化层（TP/BM36GP02，1995年1月首次观测）的最大变位为37.46mm。
图1-12-14 TP/BM36GP02水平位移
根据开挖完成（1999年3月）后的弹粘塑性有限单元分析，北线船闸北坡直立墙顶部尚有最大为1.65mm的位移增长，北线船闸中隔墩顶部尚有最大为2.63mm的位移增长；南线船闸南坡直立墙顶部尚有最大为0.83mm的位移增长，南线船闸中隔墩顶部尚有最大为1.42mm的位移增长，该变形在7～8个月内完成。因此可以认为，若船闸闸门在开挖完成8个月后进行安装，则不存在边坡长期变形影响船闸安全运行的问题。
为了给出船闸边坡总体变位形态，把开挖全程的位移累计为总位移，其矢量分布见图1-12-15。北线船闸北坡直立墙部位的最大总位移出现在直立墙的顶部，其值为43.09mm；北线船闸中隔墩直立墙部位的最大总位移出现在直立墙的顶部，其值为45.16mm。南线船闸南坡直立墙部位的最大总位移出现在直立墙的顶部，其值为51.79mm；南线船闸中隔墩直立墙部位的最大总位移出现在直立墙的顶部，其值为43.13mm。北线船闸风化层最大变位为62.47mm，南线船闸风化层最大总位移为71.63mm。
图1-12-15 开挖累计位移矢量分布图
（2）应力与屈服。根据第17步开挖结束后的正演预报，北线船闸北边墙底部主应力最大值为24.1MPa，北线船闸靠近中隔墩底部主应力最大值为23.906MPa；南线船闸南边墙底部主应力最大值为24.70MPa，南线船闸靠近中隔墩底部主应力最大值为18.54MPa。中隔墩部位局部区域出现较小的主拉应力，其最大值约为0.817MPa。
从点安全系数等值线看（图1-12-17），北坡有较小的局部屈服区域，主要分布于高程180.00m到北坡直立墙中上部的松动圈及小部分卸荷带，深度为5～10m；南坡的局部屈服区稍大，其分布也主要集中于松动圈与卸荷带，深度为5～20m，施工时在这些部位可能会引起局部破坏，应注意及时加固。南坡在断层f1007、f1222及ex岩脉的屈服区较大，该部位屈服主要影响边坡变位，尚未对边坡整体稳定性构成影响。中隔墩从顶到高程110.00m，共28m深，几乎都处于拉剪屈服状态，最大主拉应力为0.817MPa，由此可引发张裂隙，施工时应加强预应力锚固。
图1-12-16 开挖后应力矢量分布图
图1-12-17 点安全系数等值线图
由于弹粘塑性迭代是收敛的，故可认为边坡整体是稳定的，但不排除局部失稳的可能性。
3.总体评价
三峡永久船闸高边坡力学参数（弹性模量E，强度参数c、φ及流动参数γ）的位移反分析模型具有以下几个特点：
（1）可以实现多复杂介质区域力学参数的弹粘塑性位移反分析。
（2）位移观测数据采用每一步开挖的位移增量。
（3）当某种介质有屈服行为时，由于弹性模量与强度参数相关联，弹性模量与强度参数不同时反演，先确定其弹性模量，再进行强度参数的反演，最后进行流动参数的反演。
（4）针对施工爆破及卸荷的问题，建立了松动圈及卸荷带随开挖步的联动模型，既考虑了松动圈及卸荷带对位移反分析的影响，又使计算过程相对简单。
依据反分析得到的力学参数，用弹粘塑性有限单元法对三峡船闸进行分析，结果表明：
（1）边坡直立墙的最大总变位出现在顶部，其值在30～50mm，风化层的最大总变位为60～80mm。
（2）开挖结束后尚有最大为2.63mm的时效位移增长，发生于中隔墩直立墙的顶部，该位移在7～8个月内完成。
（3）开挖完成后能够保持整体上的稳定，仅存在局部失稳的可能性。
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