溢洪道高邊坡開挖錨固支護(hù)長(zhǎng)度時(shí)效性研究

金宏博

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

1 工程背景

轎頂子電站屬于半拉江上游六股河干流上的重要在建水利工程[1]。該工程壩址位于寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)，設(shè)計(jì)庫(kù)容為0.87 億m3，主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)。其中，電站溢洪道位于大壩左岸的山體上，主要由進(jìn)水渠段、進(jìn)口翼墻段、控制段、泄槽段以及消能防沖段構(gòu)成[2]。溢洪道進(jìn)水渠段長(zhǎng)度為86.9 m，基面高程為299.0 m，左岸邊坡最高部位達(dá)84.0 m。為了保證邊坡安全，擬在邊坡開挖之后進(jìn)行錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)。在水利工程邊坡開挖支護(hù)施工中，施工方案的選擇需要綜合考慮安全性、工期、成本等多種因素，許多學(xué)者也在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，并獲得了豐富的研究成果[3]。其中，錨桿支護(hù)是邊坡工程中最常用的和最有效的加固方式之一，可以使巖土體通過新的相互作用，提高其整體性，有效限制邊坡的變形[4]。此次研究通過數(shù)值模擬的方法對(duì)不同錨固長(zhǎng)度下的開挖錨固支護(hù)時(shí)效性研究，以期為開挖支護(hù)提出必要的理論支持和支護(hù)建議。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

研究中利用ANSYS 有限元軟件構(gòu)建典型斷面的二維有限元模型，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查成果，選取開挖之后最高、最陡的0-98 橫剖面作為典型剖面。考慮到計(jì)算范圍會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定如下計(jì)算范圍：按照開挖坡高的2 倍確定上下邊界總高，為160 m，水平方向取120 m[5]。斷面開挖分為高度不等的10個(gè)開挖步進(jìn)行，每個(gè)開挖步的高度為8 m左右。鑒于選取的典型斷面在經(jīng)過概化處理之后仍存在比較明顯的曲線邊界，因此對(duì)構(gòu)建的幾何模型采用二維8 基點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以便適應(yīng)曲線部位的不規(guī)則網(wǎng)格[6]。研究中將模型巖體視為理想彈塑性材料，并采用D-P 本構(gòu)模型模擬[7]，對(duì)開挖加固區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終獲得2 024 個(gè)網(wǎng)格單元，6 143 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

有限元模型的邊界位移約束施加于各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，具體而言，在模型的底部節(jié)點(diǎn)施加全位移約束，在模型的左邊界以及右邊界纜機(jī)以下部位施加X 向位移約束，其余部位為自由邊界條件。研究斷面部位的山體坡度較大，地表被厚度不等的殘積礫石土覆蓋，上覆植被，邊坡內(nèi)部存在數(shù)條寬度不等的斷層破碎帶，山體的巖性以安山玢巖為主。結(jié)合相關(guān)資料和試驗(yàn)結(jié)果，研究中采用表1所示的計(jì)算材料體物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 錨固支護(hù)等效處理

錨桿與錨索可以起到良好的加固效果，而上述效果主要通過兩種方式呈現(xiàn)：一是利用錨桿的受拉作用，提升巖土體的變形剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體變形的約束，根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，錨固區(qū)域巖體彈性模量一般會(huì)增加20%～25%；二是通過提升巖體之間的粘聚力水平提高其抗剪強(qiáng)度。但是，在邊坡開挖支護(hù)過程中需要使用大量的錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索，在模擬計(jì)算過程中不可能做到對(duì)每一根錨桿或錨索的支護(hù)效果精準(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。

2.4 計(jì)算方案

鑒于錨固長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果存在重要影響，研究中設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度分別為9，20 和60 m 等3 種不同的錨固長(zhǎng)度，分析錨固時(shí)效性的具體影響。在時(shí)效性分析方面，設(shè)置及時(shí)支護(hù)和滯后加固兩種支護(hù)時(shí)間。其中，及時(shí)支護(hù)為每級(jí)開挖后隨即進(jìn)行支護(hù)加固；滯后加固為第三級(jí)開挖完成之后進(jìn)行第一級(jí)的開挖支護(hù)，以此類推。同時(shí)，將開挖無支護(hù)方案作為對(duì)比方案。

mm表2 不同長(zhǎng)度錨固邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 邊坡位移

利用已構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)不同開挖支護(hù)方案下的邊坡位移變形進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取自下而上每個(gè)開挖步的典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位的最終位移值，結(jié)果如表2 所示。由表2 中的結(jié)果可知，9 m 錨固邊坡條件下的滯后支護(hù)位移減小百分比均值為5.41%，及時(shí)支護(hù)位移減小百分比均值為8.32%；20 m 錨固邊坡條件下的滯后支護(hù)位移減小百分比均值為8.27%，及時(shí)支護(hù)位移減小百分比均值為10.63%；60 m 錨固邊坡條件下的滯后支護(hù)位移減小百分比均值為18.02%，及時(shí)支護(hù)位移減小百分比均值為23.84%。相對(duì)于無支護(hù)工況，兩種支護(hù)工況下絕大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值均有不同程度的減小，及時(shí)支護(hù)和增加錨固長(zhǎng)度對(duì)抑制開挖變形存在明顯作用，對(duì)保持邊坡穩(wěn)定較為有益。

3.2 安全穩(wěn)定系數(shù)

對(duì)不同開挖方案、不同開挖步條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖1，2 所示的不同錨固長(zhǎng)度條件下的邊坡安全性曲線。由圖1，2 可知，在各種錨固長(zhǎng)度工況下，及時(shí)加固與滯后加固均可以有效提升邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)，這也說明開挖支護(hù)的有效性和必要性。及時(shí)加固與滯后加固相比，邊坡安全性系數(shù)雖有一定程度的增加，特別是在第4、第5 和第6 開挖步中表現(xiàn)比較明顯，但從最終結(jié)果而言，增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考慮，在施工中可以采用滯后加固的施工方法。

圖1 及時(shí)加固邊坡安全系數(shù)曲線

圖2 滯后加固邊坡安全系數(shù)曲線

從不同的錨固長(zhǎng)度對(duì)比來看，開挖邊坡的安全系數(shù)會(huì)隨著錨固長(zhǎng)度的增加而得到不同程度地增長(zhǎng)，這說明錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索可以起到有效地限制邊坡位移，強(qiáng)化邊坡抗剪能力的作用，對(duì)提升邊坡的整體穩(wěn)定性較為有利。此外，邊坡安全系數(shù)在開挖開始階段存在上升的趨勢(shì)，原因是模型開挖過程中考慮了開挖卸荷效果，邊坡開始開挖之后，上部的巖土體被開挖掉，造成邊坡整體自重卸荷的明顯降低，因此完全穩(wěn)定系數(shù)反而有所上升。

4 結(jié)論

此次研究以遼寧省轎頂子電站溢洪道左岸高邊坡開挖工程為背景，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡開挖錨固的長(zhǎng)度和時(shí)效性進(jìn)行研究分析，獲得的主要結(jié)論如下：

1）相對(duì)于無支護(hù)工況，及時(shí)和滯后支護(hù)工況下絕大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值均有不同程度的減小，說明邊坡支護(hù)對(duì)控制邊坡變形具有重要作用；各計(jì)算方案相比而言，錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，邊坡位移的減小幅度越大；及時(shí)支護(hù)對(duì)控制邊坡變形更為有利。

2）在各種錨固長(zhǎng)度工況下，及時(shí)加固與滯后加固均可以有效提升邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)，同樣說明開挖支護(hù)的有效性和必要性。

3）及時(shí)加固與滯后加固相比，邊坡安全性系數(shù)雖有一定程度的增加，但最終增加的幅度不大。因此，出于施工便捷性的考慮，在施工中可以采用滯后加固的施工方法。

4）開挖邊坡的安全系數(shù)會(huì)隨著錨固長(zhǎng)度的增加而得到不同程度的增長(zhǎng)，建議在條件允許的情況下盡量增加邊坡錨固長(zhǎng)度。