溢洪道邊坡穩(wěn)定計(jì)算及框格梁錨索方案探究

張洪軍

(中科信德建設(shè)有限公司，四川 成都 610057)

委內(nèi)瑞拉托科瑪水電站溢洪道左岸邊坡長(zhǎng)約500m，為方便施工管理，將溢洪道邊坡從上游向下游劃分為Ⅰ～Ⅳ四個(gè)區(qū)域。基本設(shè)計(jì)階段開(kāi)挖方案是對(duì)覆蓋層全部剝離。在右岸邊坡開(kāi)挖施工中發(fā)現(xiàn)，Ⅱ區(qū)實(shí)際覆蓋層厚度大于前期的預(yù)判。邊坡Ⅱ區(qū)補(bǔ)充勘察范圍在高程2270～2330m之間，位于一沖溝附近，整體處于負(fù)地形內(nèi)，沖溝兩側(cè)地表均可見(jiàn)到基巖出露，此沖溝在流水沖刷下切導(dǎo)致沖溝中心覆蓋層厚度較大?，F(xiàn)主要對(duì)溢洪道邊坡Ⅱ區(qū)未采取支護(hù)措施情況下開(kāi)挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算成果確定支護(hù)方案，從而對(duì)支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定開(kāi)展計(jì)算，最終確定錨索間距及錨固長(zhǎng)度。

1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，溢洪道右岸邊坡Ⅱ區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

表1 右岸邊坡Ⅱ區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

2 計(jì)算方法

一般而言,人們進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析主要通過(guò)強(qiáng)度折減法或者剛體極限平衡理論來(lái)進(jìn)行。強(qiáng)度折減法通過(guò)折減系數(shù)來(lái)反映邊坡的穩(wěn)定性，極限平衡法是通過(guò)給定滑動(dòng)面計(jì)算所得的安全系數(shù)來(lái)衡量邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。相對(duì)而言，極限平衡分析法應(yīng)用得更為廣泛。

本次計(jì)算采用摩根斯頓-普萊斯(Morgenstern-Price)法。

3 計(jì)算軟件

計(jì)算采用的是巖土分析軟件Geo-Slope中的一個(gè)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的模塊slope/w。其原理采用極限平衡法，包括瑞典圓弧(Fellenious)法、簡(jiǎn)化畢肖普(Simplified Bishop)法、摩根斯頓-普萊斯(Morgenstern-Price)法和滑楔法等，計(jì)算考慮孔隙水壓力情況下的邊坡穩(wěn)定性[1-2]。

4 計(jì)算原理

剛體極限平衡法基于土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，用力和力矩的平衡理論計(jì)算出各工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[3-4]。

對(duì)于有效應(yīng)力分析，剪切強(qiáng)度定義為

s=c′+(Sn-u)tanf′

(1)

式中S——剪切強(qiáng)度；

c′——有效黏聚力；

f′——有效內(nèi)摩擦角；

Sn——總的正應(yīng)力；

u——孔隙水壓力。

滑移力滿足的極限平衡條件為

(2)

F——安全系數(shù)；

β——每一土條的底面長(zhǎng)度。

力矩平衡安全系數(shù)方程中，關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)的各條塊力矩的總和寫(xiě)成如下形式：

∑Wx-∑SmR-∑Nf+∑kWe

±∑Dd±∑Aa=0

(3)

在替換了Sm并重新整理表達(dá)式后，關(guān)于力矩平衡的安全系數(shù)方程為

(4)

力平衡的安全系數(shù)方程中所有條塊在水平方向的力的總和為

∑(EL-ER)-∑(Nsinα)+∑(Smcosα)

-∑(kW)+∑Dcosω±∑A=0

(5)

替換了Sm并重新安排表達(dá)式后，關(guān)于水平力平衡的安全系數(shù)為

(6)

5 支護(hù)方案及錨索

5.1 未采取支護(hù)措施的開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算

見(jiàn)表2～表3和圖1～圖4。

表2 計(jì)算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡計(jì)算模型

圖2 開(kāi)挖邊坡安全系數(shù)(正常工況)

圖3 開(kāi)挖邊坡滑動(dòng)面及安全系數(shù)(降雨工況)

圖4 未采取支護(hù)措施的開(kāi)挖邊坡滑動(dòng)面及安全系數(shù)(OBE工況)

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：未采取支護(hù)措施的開(kāi)挖邊坡正常工況下安全系數(shù)大于1.0，基本穩(wěn)定，但不滿足設(shè)計(jì)要求；其他工況邊坡安全系數(shù)小于1.0，不滿足設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖邊坡需要進(jìn)行支護(hù)處理。

5.2 支護(hù)方案

根據(jù)右岸邊坡Ⅱ區(qū)地質(zhì)補(bǔ)充勘察成果，采用“框格梁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)”的方案，初步擬定錨索間距3.5m×3.5m，P=1100kN，L=20～38m(錨固端進(jìn)入基巖8m)，見(jiàn)圖5。

圖5 邊坡開(kāi)挖支護(hù)方案典型剖面

5.3 支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定計(jì)算

為方便采購(gòu)，錨索采用與地下廠房相同噸位錨索，P=1100kN，L=20～38m，間排距3.5m×3.5m(見(jiàn)圖6～圖9、表4)。

圖6 錨索支護(hù)模型

圖7 錨索加固滑動(dòng)面及安全系數(shù)(正常工況)

圖8 錨索加固滑動(dòng)面及安全系數(shù)(降雨工況)

圖9 錨索加固滑動(dòng)面及安全系數(shù)(OBE工況)

工 況安全系數(shù)允許安全系數(shù)正常工況工況11.486≥1.25降雨工況工況21.289≥1.15正常運(yùn)行+OBE工況31.254≥1.05

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用框格梁錨索支護(hù)時(shí)，各工況均滿足設(shè)計(jì)要求，降雨工況安全系數(shù)相對(duì)較小，注意做好邊坡排水措施。

5.4 錨索計(jì)算

5.4.1 錨索群錨效應(yīng)計(jì)算

根據(jù)群錨效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算錨索最小間距:

式中D——錨索最小間距，m；

區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)先適用的領(lǐng)域必須具備以下三個(gè)主要特征：標(biāo)準(zhǔn)化程度高、自動(dòng)化需求大、資質(zhì)證明要求多。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用將率先在具備這些特性的應(yīng)用領(lǐng)域中凸顯經(jīng)濟(jì)價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。

L——錨索長(zhǎng)度，m；

d——孔徑，m。

錨索長(zhǎng)度最大40m，孔徑為0.13m，則D=2.42m。計(jì)算表明，當(dāng)錨索間距小于2.4m時(shí)會(huì)產(chǎn)生群錨效應(yīng)，降低錨索作用，本次設(shè)計(jì)中，錨索間距取3.5m×3.5m布置，不用考慮群錨效應(yīng)。

5.4.2 錨索根數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)錨索拉力設(shè)計(jì)值為Nd=1100kN。

錨索或單元錨桿桿體受拉承載力應(yīng)滿足張拉控制應(yīng)力的要求。對(duì)于普通鋼筋應(yīng)按下式計(jì)算[5]：

Nd≤fyAs

式中Nd——錨索拉力設(shè)計(jì)值，N；

fy——普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

As——預(yù)應(yīng)力筋的截面積，mm2。

本次選用錨索fy取1860N/mm2，錨索強(qiáng)度利用系數(shù)取0.64。

As=Nd/fy=1100×103/(1860×0.64)=924mm2。

錨索面積為140mm2，則錨索根數(shù)為7根。

5.4.3 錨索錨固段長(zhǎng)度

錨索及單元錨索錨固段的抗拔承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算[6]:

Nd≤f′msnπdLaε

式中Nd——錨索或單元錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值，kN;

L——錨固段長(zhǎng)度，m;

fmg——錨固段注漿體與地層間極限桔結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定;

f′ms——錨固段注漿體與筋體間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa;

D——錨索錨固段鉆孔直徑，mm;

d——鋼筋或鋼絞線直徑，mm;

K——錨索段注漿體與地層間的黏結(jié)抗拔安全系數(shù);

ε——采用2根或2根以上鋼筋或鋼絞線時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.70～0.85;

Ψ——錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù);

n——鋼筋或鋼絞線根數(shù)。

錨索錨固段位于弱風(fēng)化層，屬于較硬巖，fmg取1.2N/mm2。

本次計(jì)算邊坡位置位于溢洪道右岸邊坡，為永久錨索，安全系數(shù)K取2.0。

根據(jù)設(shè)計(jì)，錨固長(zhǎng)度為8.0m，錨固段長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)Ψ取1.1。

錨固段鉆孔直徑取130mm。

錨索錨固段灌漿體與桿體間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f′mg取0.8MPa，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)取0.70。

代入Nd≤f′msnπdLaε,則0.8×7×3.14×15.2×8000×0.70=1496kN≥1100kN。

錨索錨固長(zhǎng)度8.0m滿足計(jì)算要求。

6 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，邊坡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 計(jì) 算 結(jié) 果

通過(guò)計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：

a.覆蓋層為礫石土，且粗顆粒含量較多，認(rèn)為覆蓋層φ值較大。

b.開(kāi)挖邊坡未支護(hù)時(shí)，各工況均不滿足設(shè)計(jì)要求。

c.采用框格梁錨索(P=1100kN)支護(hù)后，各工況均滿足設(shè)計(jì)要求。

d.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，當(dāng)錨索間距小于2.4m時(shí)，錨索間會(huì)產(chǎn)生群錨效應(yīng)，本次設(shè)計(jì)錨索間距為3.5m×3.5m，可不考慮群錨效應(yīng)。

e.根據(jù)計(jì)算，錨索由7根1860級(jí)別鋼絞線組成，錨固長(zhǎng)度至少8.0m。