某水電站廠房邊坡施工方案的討論

王 歡 漆文邦 張江潮

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川 成都 610065）

1 引言

預(yù)應(yīng)力錨索與鋼筋混凝土格構(gòu)梁復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種將格構(gòu)梁與錨固工程相結(jié)合形成的一種新型的支擋結(jié)構(gòu)。由于鋼筋混凝土格構(gòu)梁與坡面接觸面積較大，而與格構(gòu)梁相連接的預(yù)應(yīng)力錨桿的深層加固效果很好，二者結(jié)合，使得預(yù)應(yīng)力錨桿格構(gòu)梁既可保證深層的加固又可兼作淺層護(hù)坡?，F(xiàn)如今，關(guān)于結(jié)構(gòu)與邊坡巖土體相互作用機(jī)理的研究大多數(shù)采用數(shù)值離散法和解析法[1,2]。許英姿等[3]采用WINKLER彈性地基梁理論和三維有限元法模擬加固過(guò)程中格構(gòu)梁、土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的演化過(guò)程，提出格構(gòu)梁和預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。方理剛等[4]對(duì)各種橫觀各向同性巖體邊坡與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁相互作用進(jìn)行參數(shù)研究，提出層理的方向性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律。朱大鵬等[5]探討預(yù)應(yīng)力加載時(shí)格構(gòu)梁內(nèi)力的變化特征及錨固力在格構(gòu)縱橫梁上的分配規(guī)律。但是對(duì)于實(shí)際工程中拆除格構(gòu)橫梁及壓力鋼管的安裝對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁和邊坡巖體穩(wěn)定性的影響分析的文章尚少，本文依托某小型水電站的壓力鋼管的安裝，通過(guò)在梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)上加彈簧單元來(lái)近似模擬彈性地基的作用[6-7]，從多方面探討分析了格構(gòu)梁前后的位移及最大主應(yīng)力的變化，不僅為本工程方案的可行性提供了支撐，也為相似的實(shí)際工程處理提供了科學(xué)依據(jù)。

2 Winkler彈性地基原理

彈性地基梁理論的關(guān)鍵是如何考慮土和結(jié)構(gòu)相互作用，從而有效地模擬二者的接觸性狀，目前在工程實(shí)踐中大量使用的模擬方法是基床系數(shù)法，即Winkler方法。

當(dāng)受錨固預(yù)應(yīng)力荷載的作用時(shí)，格構(gòu)縱橫梁壓在邊坡體上，同時(shí)巖體坡面對(duì)梁產(chǎn)生反作用力。因此，可以視格構(gòu)梁為作用于地基上的彈性梁，且受到若干錨固力和基底反力的作用。預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 Winkler地基梁模型

3 工程實(shí)際

3.1 工程概況

圖2 格構(gòu)梁圖

表1 模型計(jì)算參數(shù)

某工程位于阿壩州黑水縣小黑水河流域境內(nèi)小黑水河下游段，規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)工程的上游一級(jí)電站。水電站廠房后邊坡開(kāi)挖后，坡角為52°，采用錨索加固、格構(gòu)梁以及噴混凝土處理方式。但由于邊坡覆蓋層處理不平整以及格構(gòu)橫梁施工不平行等原因，格構(gòu)橫梁的中心不在一條直線上且相距甚遠(yuǎn)，致使后續(xù)壓力鋼管無(wú)法正常的安裝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，如果按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力鋼管的安裝，壓力鋼管底部勢(shì)必會(huì)穿過(guò)部分格構(gòu)橫梁，現(xiàn)對(duì)格構(gòu)橫梁從上到下依次標(biāo)號(hào)#1～#10，下文的施工方案主要是兩個(gè)步驟：（1）拆除#2～#5格構(gòu)橫梁，（2）進(jìn)行壓力鋼管的安裝，設(shè)計(jì)圖及現(xiàn)場(chǎng)圖片見(jiàn)圖2。

圖3 三維有限元計(jì)算模型圖

圖4 格構(gòu)梁的位移變化

圖5 格構(gòu)梁主應(yīng)力變化

圖6 錨索最大主應(yīng)力變化

3.2 數(shù)值模型的建立

下文采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)工程廠房后邊坡進(jìn)行建模，三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。格構(gòu)梁和錨索本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，而邊坡土體本構(gòu)關(guān)系采用莫爾庫(kù)侖理想彈塑性模型。通過(guò)在梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)上加彈簧單元來(lái)近似模擬彈性地基的作用。錨索的預(yù)應(yīng)力為600kN，對(duì)于錨索的模擬是將錨索單元節(jié)點(diǎn)通過(guò)插分形式嵌入到巖土單元中，一起參與有限元的迭代計(jì)算，采用T3D2單元模擬。格構(gòu)梁的截面為0.4m×0.4m矩形截面，跨距5m，結(jié)合模型計(jì)算參數(shù)，根據(jù)公式（2）確定的彈簧系數(shù)k為89.1MPa。格構(gòu)材料為C25混凝土，錨索、格構(gòu)梁及邊坡土體計(jì)算模型參數(shù)如表1所示。對(duì)于壓力鋼管的模擬并不進(jìn)行實(shí)際建模，而是簡(jiǎn)化為在鎮(zhèn)墩和支墩上施加等效的作用力。

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）錨索和格構(gòu)梁的位移及主應(yīng)力的變化

對(duì)格構(gòu)橫梁從上到下依次標(biāo)號(hào)#1～#10，由于其為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故以格構(gòu)橫梁和縱梁交界處為研究對(duì)象，拆除#2-#5格構(gòu)橫梁和安裝壓力鋼管前后的格構(gòu)梁的位移變化情況見(jiàn)圖4，可以看出，位移值的數(shù)量級(jí)是10-3，格構(gòu)梁從上到下位移值逐漸減小，拆除#2-#5格構(gòu)橫梁位移值基本保持不變，施加壓力鋼管后位移值有所增大，但變化幅度較小，保持從上到下位移值逐漸減小的規(guī)律，說(shuō)明前后格構(gòu)梁位移變化穩(wěn)定。

圖5反映了拆除#2-#5格構(gòu)橫梁和安裝壓力鋼管前后格構(gòu)梁的最大和最小主應(yīng)力情況。格構(gòu)梁的澆筑材料為C25混凝土，根據(jù)規(guī)范可知，C25混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為16.7MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.78MPa。對(duì)比三種狀態(tài)可以看出，拆除#2～#5格構(gòu)橫梁后混凝土的受拉和受壓強(qiáng)度均有上升，這是拆除工藝破壞了格構(gòu)梁的整體性，作用面積減小導(dǎo)致；安裝壓力鋼管后混凝土的受拉強(qiáng)度進(jìn)一步提升，而受壓強(qiáng)度卻有所降低。綜合三種狀態(tài)，格構(gòu)梁的最大主應(yīng)力為1.282MPa，最小主應(yīng)力為-4.897MPa，處于C25混凝土拉壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間，說(shuō)明拆除#2～#5格構(gòu)橫梁和安裝壓力鋼管均未對(duì)格構(gòu)梁產(chǎn)生破壞性影響，在適當(dāng)?shù)氖┕げ鸪绞胶弯摻罱財(cái)嗝娣雷o(hù)的處理后，拆除格構(gòu)橫梁#2～#5是可行的。

由上面分析可知，格構(gòu)橫梁#2～#5的拆除對(duì)格構(gòu)梁的位移和主應(yīng)力的影響較小，故下文為縮減篇幅，單獨(dú)的格構(gòu)橫梁#2～#5的拆除的狀態(tài)分析就不再贅述，著重對(duì)比分析方案施工前后的變化。圖6給出了方案施工前后錨索的最大主應(yīng)力的變化情況?？梢钥闯?，施工前錨索最大主應(yīng)力為0.3105MPa，而施工后變?yōu)?.3628MPa，最大主應(yīng)力略有增大，增大幅度為16.8%，就整體最大主應(yīng)力分布而言，值稍有增加，但幅度較小，錨索處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）邊坡位移及最大主應(yīng)力的變化

圖7、8反映了方案施工前后邊坡位移及最大主應(yīng)力的變化情況，可以看出，位移和最大主應(yīng)力較施工前均有減小的趨勢(shì)，最大位移值由之前的0.02238變?yōu)?.02155，最大主應(yīng)力的最大值由之前的0.09034MPa變?yōu)?.08876MPa，兩者的變化均不明顯，并且土體大部分區(qū)域處于均勻受壓狀態(tài)，沿安裝管線的土體受壓強(qiáng)度稍有提升，因此施工方案對(duì)邊坡的穩(wěn)定影響很小，方案可行。

綜合以上模型計(jì)算分析結(jié)果可知，在拆除#2～#5格構(gòu)橫梁和壓力鋼管安裝前后，格構(gòu)梁的位移及應(yīng)力、錨索的應(yīng)力和邊坡的位移及應(yīng)力的分布情況變化都較小，處于穩(wěn)定安全的狀態(tài)，說(shuō)明設(shè)計(jì)的施工方案可行。

圖7 邊坡位移變化

圖8 邊坡最大主應(yīng)力變化

3.4 拆除工藝

格構(gòu)橫梁的拆除屬于小體積范圍內(nèi)的鋼筋混凝土拆除，為了盡量不對(duì)結(jié)構(gòu)和山體造成擾動(dòng)，可采用液壓破碎鉗環(huán)保拆除鋼筋混凝土[9]。液壓破碎鉗主要優(yōu)點(diǎn)是操作靈活、效率高，而且能剝除或切割鋼筋，其突出優(yōu)點(diǎn)為施工時(shí)噪音低，振動(dòng)小，對(duì)本工程邊坡產(chǎn)生的干擾小，采用這種方式是可行的。液壓鉗粉碎混凝土的工作原理，是液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)咬合粉碎堅(jiān)硬的混凝土塊體，達(dá)到分割解體混凝土構(gòu)件的目的。整個(gè)操作過(guò)程是低噪音、無(wú)振動(dòng)的進(jìn)行工作的，是一項(xiàng)無(wú)噪音污染和無(wú)振動(dòng)影響的粉碎解體混凝土構(gòu)件的工藝方法。

3.5 斷面裸露鋼筋的處理方法

由于格構(gòu)梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拆除橫梁中部后，必然導(dǎo)致鋼筋暴露在空氣中，因此還必須對(duì)橫梁出露端進(jìn)行相應(yīng)的處理，防止鋼筋生銹，影響結(jié)構(gòu)安全。由于本工程格構(gòu)橫梁切除之后對(duì)裸露的鋼筋作出相應(yīng)的處理，后期不會(huì)再啟封對(duì)鋼筋進(jìn)行施工，因此建議選用灌制低標(biāo)號(hào)混凝土將鋼筋包裹在內(nèi)，也即是保護(hù)鋼用低標(biāo)號(hào)混凝土將鋼筋包裹在內(nèi)。加入鋼筋阻銹劑更能確保長(zhǎng)期的防銹性。但本方法的缺點(diǎn)也是明顯的—再行施工時(shí)必須將低標(biāo)號(hào)混凝土全部清除。

4 結(jié)論

本文基于格構(gòu)梁彈性假設(shè)及Winkler彈性地基模型原理，依托某小型水電站的壓力鋼管的安裝方案，通過(guò)Abaqus數(shù)值模擬平臺(tái)和拆除工藝、裸露鋼筋的銹蝕與防護(hù)技術(shù)等多方面的知識(shí)來(lái)論證方案的可行性，得到以下結(jié)論：（1）在具體的工程要求的，起到邊坡淺層防護(hù)作用的格構(gòu)橫梁是可以部分拆除的；（2）合理的壓力鋼管安裝不會(huì)影響錨索的應(yīng)力狀態(tài)和邊坡的穩(wěn)定性，相反沿安裝管線的土體因受到鋼管的壓力作用，還會(huì)略提高相應(yīng)部分的土體穩(wěn)定性；（3）液壓破碎鉗的拆除工藝對(duì)工程邊坡產(chǎn)生的干擾小，澆筑混凝土將鋼筋包裹能起到較好的防腐蝕作用。陜西水利

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