某電站深孔泄洪洞進口邊坡錨固優(yōu)化分析

胡亞運,，鄧華鋒，宛良朋,2，周美玲

(1.三峽大學 a.三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室；b.水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌　443002；2.武漢大學 水利水電學院，武漢　430072)

某電站深孔泄洪洞進口邊坡錨固優(yōu)化分析

胡亞運1a,1b，鄧華鋒1a，宛良朋1a,2，周美玲1a

(1.三峽大學a.三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室；b.水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌443002；2.武漢大學 水利水電學院，武漢430072)

摘要：以大型巖土工程數(shù)值分析軟件(ADINA)為研究手段，基于卸荷巖體力學的理論和方法，對某電站深孔泄洪洞進口邊坡進行了開挖卸荷分析?；诖?，重點分析不同加固角度對邊坡的加固效果，同時也分析了不同錨固力作用下邊坡的加固效果，結果表明：加固角度為俯角20°時效果最優(yōu)；錨固力越大，邊坡變形越小?？紤]到成本控制，采用2 000 kN的預應力錨索。再者，開挖邊坡直立坡段處修建有弧形閘門用于泄水，故著重分析此處的加固方案，以保證閘門的正常運行，結果顯示錨固力對加固效果有直接影響。研究成果對設計采用錨索加固的高陡邊坡工程具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：邊坡；錨固角度；錨固力；預應力錨索；穩(wěn)定性

1研究背景

在高陡邊坡工程中，由于開挖造成的邊坡擾動作用，邊坡巖體逐漸劣化，應力場將重新分布[1]，而對于涉及到水工建筑物的邊坡而言，邊坡穩(wěn)定性直接影響著水電工程的安全性[2]。因此應該對開挖邊坡進行處理以消除隱患。

近年來，較多學者在邊坡錨固理論和加固優(yōu)化方面進行了研究，并取得了豐富的成果。熊文林等[3]提出了根據坡面與邊坡內滑面的夾角確定最優(yōu)錨索方向角的計算方法，給出了最優(yōu)錨固角的計算公式；徐青等[4]推導了在相同抗滑效果的前提下，使錨索長度最短的最優(yōu)錨固角度公式；鄧華鋒等[5-6]在卸荷巖體力學基礎上綜合考慮了加固方式、加固區(qū)域、錨索噸位和經濟優(yōu)化分析；孫學毅[7]介紹了能夠大大提高預應力錨索承載能力的錨梁結構，使邊坡達到更好的加固效果；張發(fā)明等[8]在詳細分析影響預應力錨索長期荷載變化因素的基礎上，提出了預應力錨索長期荷載的變化規(guī)律與預測模型；李軍等[9]利用模型試驗研究了預應力錨索的受力特征、預應力錨索失效后邊坡承載能力的變化及框架梁的作用；林興超等[10]提出了基于現(xiàn)代技術的模擬技術，構建失穩(wěn)狀態(tài)下的邊坡算例并對其進行加固，模擬邊坡與邊坡加固之間復雜的相互作用；劉華麗等[11]利用力和力矩平衡方程推導出錨固力作用下邊坡安全系數(shù)顯式解和給定安全系數(shù)要求的錨固力系數(shù)解析解，并將該方法運用到實際工程中，發(fā)現(xiàn)在錨固力作用下，滑面上的正應力分布連續(xù)，條間力分布比較合理；柏俊磊等[12]結合穩(wěn)定性分析的結果對邊坡的加固措施進行了優(yōu)化分析。

以往的研究主要著重錨固機理和預應力錨索承載能力等方面，在高陡開挖邊坡錨固方案設計時，很少結合邊坡不同部位變形穩(wěn)定的實際需要，開展不同錨固角度和錨固力的系統(tǒng)優(yōu)化分析。鑒于此，本文以某水電站深孔泄洪洞進口開挖邊坡為對象，在邊坡開挖卸荷變形穩(wěn)定分析的基礎上，結合邊坡實際地質情況和變形控制的實際需求，進行了錨固角度優(yōu)化分析，針對變形有嚴格控制要求的泄洪洞進口弧形閘門閘墩位置處的直立坡段，在錨固角度優(yōu)化基礎上，著重進行了錨固力的優(yōu)化分析。研究成果為工程設計優(yōu)化提供了較好的技術支撐。

2工程概況

該水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295m，電站裝機容量300萬kW，多年平均發(fā)電量114.91億kW·h。深孔泄洪洞進口邊坡地質剖面如圖1所示。深孔泄洪洞進口平臺高程2 805m，最低開挖高程2 798.5m。進口洞臉邊坡走向為N79°E，最大開挖高程3 135.0m，最大開挖高度約336.5m。2 875m高程以上開挖坡比為1∶0.75，2 875m高程以下開挖坡比為1∶0.5。內側邊坡走向為N14°E，開挖坡高90～100m。

圖1　深孔泄洪洞進口邊坡地質剖面圖Fig.1　Geological profile of slope around the inletof deep discharge tunnel

泄洪洞進口主要的軟弱結構面雖與洞臉邊坡交角較小，但大多陡傾坡內，對邊坡穩(wěn)定有利，進口地層巖性為三疊系上統(tǒng)(T3lh)變質粉砂巖夾板巖，巖體內主要的小斷層、擠壓破碎帶主要為Ⅳ級結構面，NNW向陡傾角較發(fā)育，NE傾NW軟弱結構面發(fā)育程度低，巖體無明顯變形破壞跡象，但巖體風化卸荷較強，巖體卸荷松弛明顯，設計邊坡偏陡，邊坡穩(wěn)定性差，故需要及時加強錨固；結構面fb25-3、fb13-04與洞臉邊坡近平行，且中緩傾角傾向坡外，對邊坡局部穩(wěn)定不利，故應根據不同的地質條件采取適宜的開挖支護措施。

由于泄洪洞開挖高程較大，且開挖坡度較陡，邊坡巖體卸荷比較嚴重，且邊坡中上部存在傾向坡外的中緩傾角軟弱結構面，對邊坡穩(wěn)定不利，為確保工程邊坡安全，需要重點對加固措施進行優(yōu)化分析。

3計算模型及參數(shù)

計算模型采用二維有限元模型，為比較準確地進行應力應變分析，本文選取深孔泄洪洞縱剖面圖作為典型剖面進行計算分析，剖面網格劃分如圖2所示，圖中填充部分即為開挖部分，邊坡從上到下總共分為11步開挖。

圖2　邊坡二維網格模型Fig.2　Two-dimensional meshes of slope

根據實際施工流程，本文主要考慮了初始工況、開挖卸荷工況及加固工況。初始工況按照常規(guī)彈塑性模型計算，用以了解邊坡在開挖之前巖體的初始應力場分布以及邊坡的破壞情況，以便于和后面的各種工況的計算結果進行對比，得到邊坡在其他工況下的位移凈增量、應力場及塑性區(qū)的變化情況。巖體物理力學參數(shù)均采用初始力學參數(shù)，如表1所示。

表1　巖體基本物理力學參數(shù)

在開挖過程中，邊坡巖體不可避免地受到擾動，其力學性質會發(fā)生一定的變化，這是由于卸荷導致的，使得巖體質量劣化，材料參數(shù)降低，不利于邊坡的穩(wěn)定。開挖卸荷工況的計算目的在于了解不進行支護條件下，邊坡巖體在卸荷后的應力和位移變化情況，計算中采用卸荷巖體力學參數(shù)及卸荷巖體的計算方法，此方法重點在于巖體的力學參數(shù)隨著開挖過程處于動態(tài)變化中，根據在卸荷過程中巖體的質量劣化程度，劃分不同的卸荷區(qū)，不同的卸荷程度對應的卸荷區(qū)有不同的參數(shù)選擇，并不斷地調整，直至收斂，最終選擇符合條件的參數(shù)[1]。

卸荷巖體加固的理論與方法研究是卸荷巖體力學的研究目的，包括以下2部分內容：充分利用巖體自身強度承載；研究巖體合理的加固時間、加固部位、具體的加固方法及加固優(yōu)化方案[1]。因此，本文加固工況主要考慮開挖完成后，采用錨桿、錨索對邊坡進行加固。為了研究加固系統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性與變形的影響，并對錨桿與錨索的加固角度進行優(yōu)化，綜合本工程設計施工的要求以及開挖坡比和結構面分布情況，本文主要考慮了6種加固角度，與水平向的夾角分別是10°，15°，20°，25°，30°，35°，方向均為傾斜向下，采用系統(tǒng)錨桿加預應力錨索的方案，系統(tǒng)錨桿沿邊坡走向的距離為1.5m，設置長度為6m或9m的系統(tǒng)錨桿，預應力錨索沿邊坡走向的間距為4.5m，長度取50m，預應力為1 000kN。

4計算結果及分析

4.1開挖卸荷工況結果及分析

該剖面開挖后第一主應力及水平向位移分布分別如圖3和圖4所示。

圖3　第一主應力等勢線分布Fig.3　Equipotential lines of the first principal stress

圖4　水平向位移等勢線Fig.4　Equipotential lines of horizontal displacement

從應力等勢線圖可以看出，由于邊坡開挖方量大，高程高，開挖卸荷效應比較明顯，在每個開挖面附近均出現(xiàn)了一定的拉應力區(qū)域，最大的拉應力為2.62MPa，朝坡外的水平向最大位移為2.3cm，位于結構面附近，塑性區(qū)主要分布在邊界以及沿著結構面向里發(fā)展。由于有一結構面存在于第8步開挖平臺正下方，因此第9，10，11步開挖卸荷導致開挖面附近拉應力變大、水平位移變大以及塑性區(qū)較多，而該處修建有水工建筑物，為了保證邊坡開挖后保持良好的穩(wěn)定性以及水工建筑物的正常運行，控制好邊坡的變形，需要對開挖邊坡進行加固處理，特別是從高程2 860m至高程2 805m段要加強加固。

4.2加固角度優(yōu)化選取分析

在不同的錨固角度下，深孔泄洪洞開挖邊坡關鍵點分布見圖5，關鍵點朝坡外的水平向位移見圖6。

圖5　開挖邊坡關鍵點分布Fig.5　Distribution of crucial points ofthe excavated slope

圖6　不同錨固角度邊坡關鍵點朝坡外的水平向位移變化量Fig.6　Variation of crucial point’s displacement inthe presence of different anchorage angles

由圖6可以看出：

(1) 在不同的錨固角度情況下，所有關鍵點朝坡外的水平向位移均有一定程度的減小，錨固角度由10°變化到15°時，位移減小量變大，由15°到20°時，位移減小量急劇變大，由20°到35°位移減小量迅速變小，最后趨于平緩。

(2) 在錨固角度為俯角20°時，開挖邊坡朝坡外位移最小，表明該角度對邊坡變形的控制效果最佳；同時，考慮到該邊坡結構面以及巖層分布特點，俯角20°的預應力錨索能夠最大程度地實現(xiàn)開挖邊坡巖體整體化，控制邊坡的變形，調整邊坡的應力分布，最有利于開挖邊坡的穩(wěn)定。

4.3弧形閘門閘墩處直立坡段重點加固分析

開挖邊坡高程2 825.0～2 798.5m段為直立坡段，與泄洪洞進口的弧形閘門閘墩接觸，控制邊坡的變形直接關系到閘門能否正常運行，故對其進行重點加固有實際的工程意義。

由計算結果可知，在采取20°的錨固角度后，K10的水平位移減小了5.8mm，表明對開挖邊坡直立坡段(高程2 825 ～2 798.5m)進行加固能夠有效地控制邊坡在水平方向的變形，效果雖然最為明顯，但考慮到泄洪洞弧形閘門對邊坡變形的要求，因而對該部位進行進一步的加固優(yōu)化設計。根據設計單位的要求，對錨固力進行了優(yōu)化分析，這里考慮4種方案：方案1：錨固力1 000kN；方案2：錨固力1 500kN；方案3：錨固力2 000kN；方案4：錨固力3 000kN，4種方案預應力錨索長度均為50m。

不同的錨固力加固措施下豎直面上關鍵點在加固前后位移減小量變化趨勢如圖7所示，K10，K11，K12取豎直開挖面表面節(jié)點。

圖7　不同錨固力豎直面關鍵點水平位移變化量Fig.7　Variation of crucial point’s displacement on vertical plane in the presence of different anchorage forces

由圖7可知，4種不同錨固力大小的重點支護條件下，各個關鍵點朝坡外的水平向位移與錨固力的增大呈正相關關系，方案3的位移減小量是方案1的1.12倍，是方案2的1.05倍；方案4的位移減小量是方案1的1.2倍，是方案2的1.15倍，表明錨固力為3 000kN時效果最好，但根據設計和規(guī)范對弧形閘門閘墩開挖邊坡變形的控制要求，2 000kN的錨索方案可以較好地達到要求。因此，建議在開挖豎直面上采用預應力為2 000kN的錨索，既滿足邊坡變形的要求，又降低了施工成本。

5結論

在卸荷巖體力學理論基礎之上，對電站深孔泄洪洞進口邊坡加固方案進行優(yōu)化分析，可以得到以下結論：

(1) 在預應力錨索和系統(tǒng)錨桿配合使用的加固方案中，錨固角度的變化對加固效果有著明顯的影響。當錨固角度從5°，10°逐漸增加到35°時，加固效果先變好后變差，位移變化量隨錨固角度增大呈倒U形分布，最佳錨固角度為20°，這較為符合本工程實際情況。

(2) 在本文中重點分析了泄洪洞弧形閘門閘墩處直立坡段處的加固優(yōu)化分析，在3種不同的錨固力方案中，采用2 000kN預應力錨索加固方案的效果最合適，為本工程降低了成本，同時也為邊坡提供了足夠的穩(wěn)定性，能保證弧形閘門的正常運行。

(3) 鑒于邊坡明顯的卸荷松弛和不利的地質結構分布，為確保工程邊坡安全，施工期應控制爆破開挖，而且在開挖過程中應該根據實際開挖揭露情況及時支護，加強監(jiān)測力度，若發(fā)現(xiàn)傾向坡外的中緩傾角軟弱結構面應及時加強錨固，以確保工程安全順利進行。

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(編輯：劉運飛)

Optimization Design of the Slope Anchorage of Deep DischargeTunnel Inlet of a Hydropower Station

HUYa-yun1,2，DENGHua-feng1，WANLiang-peng1,3，ZHOUMei-ling1

(1.KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaunderMinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 3.SchoolofWaterResourcesandHydropowerEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract:The excavation and unloading deformation stability of the deep discharge tunnel inlet at a hydropower station were analyzed to optimize the anchorage angle using software ADINA in association with the actual geological conditions and the actual needs of deformation control. Moreover, the reinforcement effect of the slope under different anchorage forces and angles was analyzed. Results show that the reinforcement effect is the best when anchorage angle of depression is 20°, and anchoring force is inversely proportional to the slope deformation. In this paper, prestressed anchor of 2 000 kN was used to control the cost. Besides, radial gate is adopted at the vertical segment of the excavated slope of deep discharge tunnel, so the deformation at this position needs to be stringently controlled to guarantee the gate’s normal operation. Anchorage force has direct influence on the reinforcement effect. The research results offer reference for the anchorage design of high and steep slopes.

Key words:slope; anchorage angle; anchorage force; prestressed cables; stability

收稿日期：2015-03-24；修回日期：2015-05-11

基金項目：國家自然科學基金重點項目(51439003)；水利部公益基金項目(201401029)；湖北省高等學校青年教師深入企業(yè)行動計劃項目(XD2014035)；三峽大學研究生科研創(chuàng)新基金項目(2014CX002)

作者簡介：胡亞運(1990-)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向為巖土工程，(電話)15090903602(電子信箱)ctguhyy@163.com。 鄧華鋒(1979-)，男，湖北宜都人，副教授，主要研究方向為巖土工程，(電話)13872585190(電子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150214

中圖分類號：TV651.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0105-04

2016,33(06):105-108，114