預應力錨索框格梁加固巖質邊坡的數值模擬研究

(1.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全技術研究中心，江西 南昌 330029)

近年來，位于高山峽谷地區(qū)的大型水電工程建設項目日益增多,這些工程往往岸坡陡峻，為了布置樞紐建筑物以及施工的需要，勢必會因為開挖形成高陡邊坡， 由此也帶來諸多工程問題，為減少和防止此類邊坡事故的發(fā)生，保證工程建設的順利進行和施工人員的安全，有必要加強開挖巖質邊坡的監(jiān)測和穩(wěn)定性方面的研究。

針對加固后巖質邊坡穩(wěn)定性問題，國內外很多學者都作了相關研究，夏元友等[1]研究了摩擦耗能對預應力錨索加固邊坡的穩(wěn)定性影響。李新坡等[2]通過概化錨固體作用從而推導出新的錨固加固邊坡安全系數的新方法。黃潤秋等[3]采用FLAC3D軟件三維建模深入探討順層邊坡的破壞機理。魯渝等[4]將極限平衡法與剛度折減法對比，研究兩種方法研究邊坡穩(wěn)定性存在的差異，結果表明兩者吻合效果較好。何思明等[5]分析了不同開挖方式、強度參數對預應力錨索作用下的巖質高邊坡的影響。

本文以峽江水利樞紐工程右岸開挖高邊坡為背景，通過邊坡巖石的室內外試驗，獲取巖石力學參數，結合數值模擬結果及現場監(jiān)測數據對錨索框格梁加固巖質邊坡的效果及降雨對邊坡穩(wěn)定性影響進行研究，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

峽江水利樞紐工程地處贛江中游峽江縣老縣城上游峽谷河段，見圖1，邊坡(K0+000、K0+017.949、K0+022.489)位于峽江右壩肩，切坡高度約70m，邊坡走向0°N～30°W，平面上略呈弧狀。據監(jiān)測資料顯示，自2013年5月，滑坡體裂縫變形最大為K1、K2點(位于坡頂)，分別為19.35mm、17.94mm，坡頂拉張裂縫隨時間推移，變形有所增大，截至2015年12月，滑坡體K1、K2處裂縫變形達31.54mm、51.29mm，之后邊坡裂縫變形趨于穩(wěn)定，邊坡平面見圖2。

圖1 邊坡現場情況

圖2 邊坡平面圖

2 設計加固措施

設計中分別于邊坡高程61m、66m、71m、81m和96m處設馬道，其中71m高程處馬道寬度5m，其他馬道寬2m，高程66m馬道以上設計坡比1∶1.25，高程66m馬道以下設計坡比1∶1，對滑坡體高程96m馬道以上的邊坡及其上游側高程71m馬道以上邊坡進行削坡減載處理，設計坡比1∶1.5，以下設計坡比1∶1.25，邊坡開挖達設計坡比后，對該段滑坡體進行預應力錨索框格梁加固處理，并采取截排水、噴播草灌等綜合治理措施。錨索水平間距4.4m，垂直間距2.5m，俯角10°，其中1～ 2級錨索長30m , 3級錨索長35m , 4級錨索長45m，5級錨索長50m，錨固段均為10m，錨索孔徑130mm，每孔含有5根φ15.2的鋼絞線，預應力錨索設計的錨固力標準值及鎖定值分別為600kN和500kN。支護方案詳圖以K0+022.489為例，見圖3。

圖3 邊坡典型斷面支護示意

3 邊坡降雨入滲模擬

降雨作用下巖體抗剪強度降低，地下水位抬高使得孔隙水壓力升高，對邊坡的穩(wěn)定性造成極大的影響，尤其是已經出現裂縫的邊坡。為預測邊坡穩(wěn)定性，文中通過設置孔隙水壓力變化和地下水位以上巖土體飽和度變化來模擬實際降雨情況。

3.1 計算模型

利用ABAQUS軟件對預應力錨索框格梁支護的巖質邊坡進行三維有限元分析，為有效地消除邊界效應的影響，從而達到本文研究的目的，建模中選用的模型尺寸和模型示意見圖4，其中：選擇三維實體單元、莫爾-庫侖理想彈塑性材料模擬巖土體；采用三維實體單元模擬混凝土框格梁；采用三維線單元模擬錨索；本構模型均選用彈性模型；框格梁與巖體之間采用摩擦接觸，摩擦系數取0.5；錨索與框格梁之間采用綁定約束，與巖體之間采用嵌入約束；錨索預應力利用“降溫法”實現；用ABAQUS中生死單元功能實現錨索及框格梁的施加。邊界約束上，模型的四周邊界施加法向位移約束，底部邊界施加水平和豎向位移約束，坡面保持自由。

圖4 有限元模型示意(單位：m)

3.2 強度折減法

采用強度折減法，通過對原有裂縫區(qū)域的巖體內摩擦角和黏聚力進行折減[6]，模擬裂縫情況。裂縫區(qū)域內摩擦角及黏聚力變化情況，具體見式(1)～式(2)。

cF=c/Fs

(1)

φF=tan-1(tanφ/Fs)

(2)

式中cF——折減后虛擬的黏聚力，kPa；

φF——折減后虛擬的內摩擦角,(°)；

Fs——折減系數。

3.3 物理力學參數

結合水利水電行業(yè)有關規(guī)程、規(guī)范要求，對邊坡巖土體進行現場及室內試驗等工作，得出的巖土體、框格梁、錨索物理力學參數見表1、表2。

表1 巖土體物理力學參數

表2 框格梁、錨索物理力學參數

4 計算結果與分析

4.1 錨索應力、邊坡裂縫變化

基于邊坡21、22號孔2010—2017年錨索應力監(jiān)測結果，結合數值分析計算得出的加固后邊坡的錨索應力變化情況進行對比分析。圖5、圖6分別為采用錨索框格梁加固邊坡后，21號、22號孔錨索應力隨時間的變化計算曲線和現場實測曲線。總體來看，有限元計算結果提取的錨索應力變化與現場監(jiān)測結果的錨索應力變化趨勢基本一致，計算結果值整體大于現場實測值，這與實際情況中預應力錨索存在應力損失情況相符。

由圖5可知，21號孔錨索應力實測值先增加后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；由圖6可知，22號孔實測值呈明顯下降趨勢，而后趨于穩(wěn)定?？赏茢啵?1號孔錨索附近，裂縫一段時間內還在逐漸增加，之后趨于穩(wěn)定；22號孔錨索附近的邊坡治理對抑制裂縫寬度的增加起到了較為明顯的效果。由此可知采用錨索框格梁治理邊坡達到了一定的效果。

圖5 21號孔錨索應力變化曲線

圖6 22號孔錨索應力變化曲線

4.2 邊坡裂縫變化

圖7為對邊坡進行加固處理之后，21、22號孔錨索附近的裂縫寬度監(jiān)測情況(監(jiān)測時間為2011年8月至2016年年底)。由圖7知，21號孔錨索附近的裂縫寬度增長較大，且持續(xù)增長的時間較長；孔22附近裂縫寬度在很短時間內增加至某一值后，裂縫寬度實測值基本趨于穩(wěn)定。總體來看，21號、22號孔錨索應力變化均與裂縫變化時效保持一致。

圖7 邊坡治理后孔21、孔22周邊裂縫寬度擴展實測曲線

4.3 降雨條件下裂縫變化

為了便于分析該斜坡變形位移量的變化，在數值模型中的潛在變形巖體表面設置JC-1監(jiān)測點，在等降雨強度持續(xù)72h條件下，分別將降雨入滲強度設置為0.02m/h和0.01m/h，通過數值計算得出監(jiān)測點的水平位移值，繪制等強度持續(xù)時間72h下監(jiān)測點水平位移與降雨強度曲線圖，以此分析裂縫寬度的變化規(guī)律，見圖8。

圖8 監(jiān)測點水平位移隨降水時間變化曲線

從圖8可知，在9h以內，不同入滲強度下的監(jiān)測點水平位移為0；9～18h內，不同入滲強度下的監(jiān)測點水平位移變化基本一致；18～54h內，入滲強度為0.02m/h時的監(jiān)測點水平位移與入滲強度為0.01m/h的監(jiān)測點水平位移差約5mm；54h后，入滲強度為0.01m/h時監(jiān)測點水平位移出現陡增然后保持穩(wěn)定，而入滲強度為0.02m/h時的監(jiān)測點水平位移仍在繼續(xù)增長。由此可知，隨著降雨持時的增長，坡頂水平位移逐漸增大，且降雨入滲強度越大，對邊坡影響越大。由此可知，強降雨對該邊坡影響較大，對于出現裂縫的邊坡應做好防水措施，降低雨水的入滲速率。

5 結 語

本文以峽江水利樞紐工程巖質邊坡治理工程為背景，結合ABAQUS有限三維數值分析法及現場監(jiān)測結果對錨索框格梁治理邊坡效果進行了分析討論，同時研究了降水強度對該邊坡滑移的影響，得出如下結論：

a.采用錨索框格梁治理的邊坡，錨索應力隨時間的推移變化較大，但最終趨于穩(wěn)定，且上下浮動不大，錨索應力值變化與裂縫寬度變化相呼應。

b.現場實測裂縫情況表明，裂縫最后趨于穩(wěn)定，錨索框格梁治理邊坡起到了良好的效果。

c.帶裂縫工作的邊坡受降雨強度、降雨持時影響較大，隨著降雨強度的增加、降雨持續(xù)時間的增長，坡頂水平位移逐漸增大。

d.降雨對帶裂縫工作的邊坡影響較大，對出現裂縫的邊坡應做好防降水措施或設置合理的排水措施，降低滲流速率。