某水電站邊坡錨索加固前后應(yīng)力應(yīng)變分析

趙 明，陳勻序，朱 艷

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

為了論證某水電站邊坡錨索加固效果，采用有限差分Flac3D分析軟件，選擇某一典型剖面作為研究對象，對開挖邊坡在錨索前后應(yīng)力、應(yīng)變變化及其穩(wěn)定性進行了分析研究。

2 計算方法

采用有限差分Flac3D模擬。坡體材料為Mohr－Coulomb類型材料，采用非關(guān)聯(lián)流動法則。圖1為典型剖面的數(shù)值模擬的網(wǎng)格圖。根據(jù)巖土體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)部門的建議值，采用飽和狀態(tài)下的參數(shù)以考慮最不利狀況，并兼顧數(shù)值模型的合理性。計算參數(shù)見表1、2。計算工況見表3。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 坡體應(yīng)力場變化情況

圖1 典型剖面有限差分模型

為了充分說明在不同工況下邊坡中應(yīng)力場的變化，在坡體中選取代表性點(見圖2)說明其在不同工況下的應(yīng)力變化(見表4)。

可見，開挖后邊坡中這8點的大小主應(yīng)力均發(fā)生了變化，1～6號點位于上邊坡變化量明顯。由6號點的大主應(yīng)力減小近479kPa可以說明，開挖在2 155 m平臺處產(chǎn)生的卸荷強烈。在4級錨索施作完成后，坡體中某些部位的主應(yīng)力發(fā)生了一定程度的改變，但均不甚明顯，如2號點小主應(yīng)力由在施加各級錨索前的444kPa變?yōu)?78kPa，增加了約8%，但大主應(yīng)力幾乎沒有變化。說明錨索錨拉力傳遞到圍巖中，錨索起到了一定的加固坡體作用，但坡體的應(yīng)力場改變并不明顯。在2 133m和2 063m兩個水位時，錨固體附近坡體應(yīng)力場幾乎不變，說明若不考慮水位驟然變化，則不同水位對錨索作用影響較小。

表1 模擬計算采用參數(shù)

表2 錨固段計算參數(shù)

表3 計算工況匯總

3.2 潛在滑面變化情況

圖2 典型剖面代表性監(jiān)測點位置示意

表4 代表性點在不同工況下的主應(yīng)力 kPa

根據(jù)最大剪應(yīng)變增量分布圖，可以判斷不同工況下的邊坡潛在滑面變化特征(見表5)。由表5可見，隨著邊坡受荷工況的變化，坡體潛在滑面也在發(fā)生變化，在上邊坡沒有施作預(yù)應(yīng)力錨索之前(庫水位2 058m)，上邊坡中存在潛在滑面，并一直延展到開挖平臺以下一定深度，但施加錨索后，上邊坡及邊坡整體潛在滑面均不明顯;當(dāng)庫水位達到2 133m時，因巖體強度較低，下邊坡表層中產(chǎn)生潛在滑面，盡管上邊坡中也有潛在滑面的特征，但其范圍及變形值均較小，下邊坡淺表層潛在滑面成為整個坡體此時的潛在最危險滑面。

3.3 開挖邊坡錨索實施效果

由表5可見，錨索對上邊坡潛在滑體的穩(wěn)定性起到明顯的改善作用，在庫水位達到2 058m時，施加錨索后上邊坡及整個坡體潛在滑面均不明顯;但當(dāng)庫水位達到2 133m時，上邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索對下邊坡淺層的滑動沒有明顯的限制作用，在下邊坡存在潛在最危險滑面。

根據(jù)錨索內(nèi)力計算結(jié)果，在自由段錨索拉力約為1 400kN，在錨固段錨索拉力急劇減小，錨索充分發(fā)揮了錨拉作用。

表5 三種主要工況下坡體中潛在滑面對比

4 結(jié) 語

(1)邊坡開挖后蓄水位到2 058m時，公路上邊坡淺層(千枚巖夾砂巖T5－22z)中會產(chǎn)生最危險潛在滑面。施作預(yù)應(yīng)力錨索后，錨索把作用力有效傳遞到坡體內(nèi)部，坡體的變形特征發(fā)生一定程度的改變，飽和狀態(tài)下上邊坡及邊坡整體潛在滑面均不突出。

(2)庫水位在2 063m時，下邊坡淺層巖體中存在潛在最危險滑面，上邊坡中盡管也有潛在滑面的特征，但相對而言，下邊坡潛在滑面穩(wěn)定性更差。

(3)當(dāng)庫水位達到2 133m時，下邊坡表層(千枚巖夾砂巖)中產(chǎn)生潛在滑面，成為整個坡體最危險滑面，穩(wěn)定性最差，而上邊坡及邊坡整體深部滑面均不突出。

(4)邊坡施加錨索后，在不同蓄水位情況下，若不考慮水位驟降作用，則設(shè)計的錨索可充分發(fā)揮錨拉作用，錨索的自由段錨拉力為1 400～1 500kN，在錨固段錨索拉力急劇減小，錨固段有效作用主要發(fā)揮在前5～7m范圍內(nèi)，砂漿與圍巖之間最大剪應(yīng)力為680～900kPa，可能在個別點處達到摩阻極限狀態(tài)，但10m長的錨固段整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)錨索施加后，錨固區(qū)附近坡體應(yīng)力場有一定程度改變，受錨索錨拉作用方向所限，坡體最小主應(yīng)力約增大8%，最大主應(yīng)力變化很小。

(6)錨索的錨固作用對限制上邊坡變形有一定的效果，但對下邊坡穩(wěn)定性的影響甚小，在蓄水位2 063m和2 133m時，下邊坡淺表層存在潛在最危險滑面，主要位于表層千枚巖夾砂巖與砂巖的界面上偏坡體外部一側(cè)。

(7)上邊坡錨固區(qū)坡體應(yīng)力場在錨固前后改變較小，在庫水位為2 133m和2 063m時主要表現(xiàn)在下邊坡中存在潛在滑面，位于淺層千枚巖夾砂巖()范圍內(nèi)。

(8)下邊坡淺表層千枚巖夾砂巖滑坡前后錨索拉力、錨固段剪應(yīng)力及錨固區(qū)域內(nèi)坡體的主應(yīng)力變化均較小。

［1］彭文斌.Flac3D實用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:1－3.

［2］陳勇河，周德泉.用Flac3D分析邊坡的穩(wěn)定性［J］.山西建筑，2008，34(22):18 －19.

［3］唐輝明，晏鄂川，胡新麗.工程地質(zhì)數(shù)值模擬的理論與方法［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.