水庫(kù)庫(kù)岸硬巖邊坡錨固支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

吳修練

(巴州天寶水利工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 工程簡(jiǎn)介

某水庫(kù)工程始建于2009年，2014年正式建成并投入使用。水庫(kù)壩址以上流域面積近18000km2，占大凌河流域面積的近76%[1]。水庫(kù)按照100a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，正常蓄水位為126m，總庫(kù)容為16.45億m3，建成后不僅可以大幅提升下游地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，每年還可以為下游地區(qū)城市提供生產(chǎn)生活用水2億m3[2]。

本次研究的庫(kù)岸邊坡位于大壩上游右岸的1000-1500m范圍內(nèi)。實(shí)地調(diào)查資料顯示，岸坡的巖體為花崗巖結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)部存在較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造發(fā)育，并主要表現(xiàn)為散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)以及次塊狀結(jié)構(gòu)。其中，岸坡內(nèi)部的 4組較大的結(jié)構(gòu)面可能會(huì)誘發(fā)蠕動(dòng)變形，不利于岸坡的結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)該段岸坡整體和局部形態(tài)的DDA模擬分析，該段岸坡在庫(kù)水消落作用下，局部可能伴隨出現(xiàn)張裂、剪切、崩塌、擠出等變形，并可能會(huì)產(chǎn)生自上而下的傾倒蠕變變形。在水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，傾倒破壞是岸坡失穩(wěn)的常見情況。這種變形一般不具有明顯的滑面，往往不會(huì)出現(xiàn)急速滑動(dòng)變形，但是不采取有效加固措施，最終會(huì)誘發(fā)拉裂、崩塌等破壞或深層滑坡[3]。一旦發(fā)生傾倒破壞，將會(huì)對(duì)岸坡上部的公路、建筑以及相關(guān)古跡的安全造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也不利于水庫(kù)的安全運(yùn)行。因此，需要對(duì)該段岸坡進(jìn)行必要的加固處理。結(jié)合岸坡加固的實(shí)際要求以及相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行加固處理[4]。鑒于錨桿的長(zhǎng)度和傾角等支護(hù)參數(shù)是加固效果和工程成本的重要影響因素。因此，本次研究通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)上述錨固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為加固工程施工提供有益建議。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型的構(gòu)建

ANSYS是美國(guó)ANSYS推出的大型商用有限元軟件，在解決巖土體力學(xué)和位移分析問(wèn)題方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此研究中選擇ANSYS 建立有限元邊坡模型的構(gòu)建[5]。模型構(gòu)建過(guò)程中按照坡比1:1選擇計(jì)算范圍，邊坡的高度為40m，長(zhǎng)度為40m。利用Mohr-Coulumb模型對(duì)巖土體的彈塑性變形特征進(jìn)行模擬；利用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行錨桿的模擬[6]。采用六面體8節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格平均尺寸為2m，岸坡部位巖體選取平均邊長(zhǎng)為0.8m的網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終生成8367個(gè)網(wǎng)格單元，4560個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在ANSYS有限元軟件中，提供了涵蓋壓力、溫度、速度、位移等不同形式的模型邊界條件，可以充分滿足不同用戶的研究需要[7]。結(jié)合本次研究的目的以及研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，選擇位移和應(yīng)力邊界條件。具體而言，在模型的左右兩側(cè)施加水平位移約束，對(duì)模型的底部施加全位移約束，模型的上部邊界設(shè)定為自由邊界條件。模型的計(jì)算參數(shù)會(huì)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果造成顯著影響，研究中結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值以及采樣試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方式獲得邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果如表1所示。

表1 模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方法

邊坡加固后的安全性和加固工程本身的經(jīng)濟(jì)性是錨固參數(shù)優(yōu)化的兩個(gè)主要依據(jù)。因此，研究中采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)不同錨固參數(shù)下的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。研究中將力的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為0.005，將邊坡衛(wèi)浴的收斂容差設(shè)定為0.05，并將其作為模擬計(jì)算過(guò)程中收斂的判別依據(jù)。在模擬計(jì)算過(guò)程中，如果出現(xiàn)結(jié)果不收斂的情況，則認(rèn)定邊坡已經(jīng)處于失穩(wěn)破壞的臨界狀態(tài)，而對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備系數(shù)。出于模型計(jì)算過(guò)程中兼顧精度和效率的要求，模擬計(jì)算過(guò)程中初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力；不考慮地下水的影響；遵循二維平面應(yīng)變。鑒于邊坡錨固過(guò)程中需要使用大量的錨桿，在模擬計(jì)算過(guò)程中不可能做到對(duì)每一根錨桿或錨索的支護(hù)效果的精準(zhǔn)模擬[8]。因此，研究中采用連續(xù)等效方式對(duì)錨桿和錨索的支護(hù)效果進(jìn)行模擬，具體的等效參數(shù)結(jié)合相關(guān)研究成果和試驗(yàn)參數(shù)獲得。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 錨固長(zhǎng)度的影響

利用錨桿對(duì)邊坡巖體進(jìn)行錨固后，其彈性模量、抗壓輕度等物理力學(xué)參數(shù)均會(huì)有所提高，而錨固長(zhǎng)度的增加，上述參數(shù)的強(qiáng)化范圍也會(huì)相應(yīng)增大。因此，研究中結(jié)合研究邊坡的實(shí)際情況，確定錨固長(zhǎng)度的范圍為6-24m，每3m為一個(gè)計(jì)算工況，共設(shè)計(jì)6m、9m、12m、15m、18m、21m和24m等7種不同的錨桿支護(hù)長(zhǎng)度進(jìn)行模擬計(jì)算和對(duì)比分析。

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型和相應(yīng)的計(jì)算方法，對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度條件下的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2所示的邊坡安全系數(shù)隨錨桿長(zhǎng)度的變化曲線。由圖可知，邊坡的安全響度儲(chǔ)備系數(shù)會(huì)受到錨桿長(zhǎng)度的顯著影響，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特征，在減小到一定數(shù)值后逐漸趨于穩(wěn)定，并保持不變。由此可見，錨桿長(zhǎng)度為15m時(shí)，可以獲得最佳的加固效果。

圖2 邊坡安全系數(shù)隨錨桿長(zhǎng)度的變化曲線

3.2 錨桿傾角的影響

在庫(kù)岸邊坡變形方面，最大主應(yīng)力是最主要的影響因素，而不同的錨固傾角也會(huì)產(chǎn)生不同的最大變形方向上的剛度。因此，研究其余錨固參數(shù)不變情況下不同錨固傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的具體影響，對(duì)錨固措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。因此，研究中結(jié)合邊坡對(duì)象的具體特點(diǎn)，設(shè)定與水平線夾角分別為10°、15°和20°等3種不同的錨桿支護(hù)傾角，對(duì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，以分析其變化特征。

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型和相關(guān)的計(jì)算方法，對(duì)不同錨桿傾角下的邊坡安全強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，在不同傾角下邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律均呈現(xiàn)出隨著錨桿的長(zhǎng)度現(xiàn)增加后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，這也從側(cè)面印證了上節(jié)計(jì)算結(jié)果的可靠性。此外，對(duì)15m的錨固長(zhǎng)度而言，錨固傾角為15°時(shí)可以獲得最佳錨固效果。因此，建議在施工過(guò)程中采用15°的錨固傾角。

圖3 不同支護(hù)傾角下的安全強(qiáng)度系數(shù)變化曲線

3.3 錨桿間距的影響

根據(jù)相關(guān)研究成果，錨固間距影響巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。例如，單位界面的錨桿數(shù)量越多，巖土體在錨固后的黏聚力就越大。因此，錨桿間距也是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。因此，文章研究中設(shè)定錨固長(zhǎng)度15m、錨固傾角為15°不變，設(shè)定0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m和2.4m等6種不同支護(hù)間距進(jìn)行邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的情況下，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固間距的減小而增加，但是當(dāng)錨固間距<1.5m時(shí)，增加的幅度極為有限。因此，出于工程經(jīng)濟(jì)性的考慮，鑒于采用1.5m的錨固間距。

表2 不同錨桿間距安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本次研究以某水庫(kù)上游岸坡為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡的錨固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1)邊坡的安全響度儲(chǔ)備系數(shù)會(huì)受到錨桿長(zhǎng)度的顯著影響，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特征，在減小到一定數(shù)值后逐漸趨于穩(wěn)定，并保持不變。

2)不同傾角下邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律均呈現(xiàn)出隨著錨桿的長(zhǎng)度現(xiàn)增加后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

3)邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固間距的減小而增加，但是當(dāng)錨固間距<1.5m時(shí)，增加的幅度極為有限。

4)綜合研究成果，建議在施工中采用長(zhǎng)15m、傾角15°、間距1.5m的錨桿。