基于離散元強(qiáng)度折減法的峽江右岸邊坡加固效應(yīng)評(píng)價(jià)方法研究

林太清 陳芳

摘要：為分析峽江水利樞紐右岸邊坡的加固效應(yīng)，評(píng)價(jià)該邊坡的穩(wěn)定性，利用基于離散元的強(qiáng)度折減法，選取不同的邊坡范圍分別建立數(shù)值模型，分析了削坡減荷和預(yù)應(yīng)力錨索加固處理后的邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明：對(duì)峽江右岸邊坡的削坡減荷處理和預(yù)應(yīng)力錨索加固處理是有效的，削坡減荷對(duì)減小邊坡變形有明顯效果，預(yù)應(yīng)力錨索加固使邊坡安全系數(shù)較明顯提高。研究成果可為類似工程處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡加固;預(yù)應(yīng)力錨索;離散元強(qiáng)度折減法;峽江水利樞紐

中圖法分類號(hào)：TV223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.009

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0054 - 05

0 引 言

目前，邊坡穩(wěn)定的分析方法主要分為定性和定量兩大類[1-2]。定性評(píng)價(jià)的方法包括自然歷史分析法、工程地質(zhì)類比法和圖解法等[3];定量評(píng)價(jià)的方法包括極限平衡法、數(shù)值模擬法等[4]，其中數(shù)值模擬法包括了有限元法[5]、有限差分法[6]和離散元法[7]等。定量評(píng)價(jià)法中，極限平衡法不能反映巖體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法得到了廣泛應(yīng)用。雖然數(shù)值模擬法中有限元法和有限差分法的應(yīng)用比較廣泛[8-11]，但由于節(jié)理巖體的不連續(xù)性，與離散元法相比，這兩種方法難以真實(shí)地反映實(shí)際邊坡結(jié)構(gòu)。在離散元法中，邊坡巖體被視為塊體和接觸面的組合體，基于離散元的強(qiáng)度折減法則是對(duì)可變形塊體和接觸面的強(qiáng)度參數(shù)c，φ值進(jìn)行折減，當(dāng)折減系數(shù)進(jìn)一步增加，若系統(tǒng)進(jìn)入不平衡狀態(tài)，則此時(shí)的折減系數(shù)就被認(rèn)為是邊坡的安全系數(shù)Fs。

[c′=c/Fsφ=arctan（tanφ/Fs）]

Cundall[12]于20世紀(jì)70年代提出離散元法后，有學(xué)者開始將強(qiáng)度折減法與離散元相結(jié)合進(jìn)行運(yùn)用。雷遠(yuǎn)見、董金玉等[13-14]采用二維離散元與強(qiáng)度折減法的結(jié)合方法，進(jìn)行復(fù)雜節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題分析;孔不凡等[15]則進(jìn)一步對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了研究;寧宇等[16]應(yīng)用離散元強(qiáng)度折減法在3DEC軟件中模擬了某水電站邊坡的三維應(yīng)力場，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

根據(jù)前述研究可以發(fā)現(xiàn)，利用基于離散元的強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡問題研究是可行的。因此，本文采用這一方法，通過數(shù)值計(jì)算分析了峽江右岸邊坡加固效應(yīng)。

1 工程概況

峽江水利樞紐工程是贛江中游峽江老縣城巴邱鎮(zhèn)上游4 km處峽谷河段一座綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖等，是江西境內(nèi)贛江流域水電建設(shè)規(guī)劃中的骨干工程之一[17]。

峽江水利樞紐右岸邊坡的坡頂高程為147 m，坡角為20°～35°，呈上陡下緩狀態(tài)，邊坡走向與壩軸線大致垂直。邊坡表層積土厚度在2.0～5.0 m范圍，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度在3.7～5.3 m內(nèi)，弱上風(fēng)化帶厚度在11.0～13.0 m范圍內(nèi)，弱上風(fēng)化帶頂板高程一般為31～48 m。邊坡巖層產(chǎn)狀總體為北東東向，傾向?yàn)楸蔽飨?，其中上部較緩，傾角約15°左右，接近壩基以下部分傾角為26°～40°。

F3斷層自右壩肩斜向北東東向延伸，至右岸坡頂樁號(hào)K0+030，斷層帶寬度6.0～9.1 m，上寬下窄，產(chǎn)狀N70°～75°E/SE∠56°～63°，兩側(cè)為斷層泥，中部為糜棱巖、碎裂巖。F3下盤巖體除坡頂覆蓋3.0～5.0 m厚的土層外，其余基本為弱上風(fēng)化巖體，褶皺兩翼巖層傾角30°～50°。F3上盤巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，全強(qiáng)風(fēng)化帶深且厚，全強(qiáng)風(fēng)化帶自坡面垂直厚度16～30 m。上盤巖層呈向斜構(gòu)造，西北翼巖層產(chǎn)狀N70°E/SE∠40°～47°（側(cè)滑面），南東翼巖層呈舒緩波狀，產(chǎn)狀N70°E/NW或SE∠10°～25°，上游為沖溝切割。

右岸邊坡巖體揭露4組密集發(fā)育的節(jié)理裂隙：①劈理PJ1產(chǎn)狀N70°～75°E/SE∠70°～80°;②J1節(jié)理產(chǎn)狀N70°～75°E/SE∠70°～80°;③節(jié)理J2產(chǎn)狀N3°～10°W/SW∠70°～80°;④節(jié)理J6產(chǎn)狀N20°～40°E/NW∠33°～63°。

2 峽江右岸邊坡加固設(shè)計(jì)

峽江右岸邊坡走向與巖層走向近垂直，邊坡整體基本穩(wěn)定。考慮到邊坡巖體風(fēng)化破碎，對(duì)右岸邊坡采取護(hù)坡處理，分級(jí)設(shè)馬道進(jìn)行邊坡開挖。初步設(shè)計(jì)右岸開挖邊坡高程51.20～105.40 m，坡高54.20 m，每隔約15.00 m設(shè)一級(jí)馬道，馬道設(shè)計(jì)高程分別為66.00，81.00 m及96.00 m，寬2.00 m。高程66.00 m馬道處以上設(shè)計(jì)坡比1∶1.25，其以下設(shè)計(jì)坡比1∶1。

監(jiān)測資料顯示，邊坡開挖過程中，在右壩肩邊坡高程96.00 m馬道附近出現(xiàn)2～8 cm寬的裂縫，向下已發(fā)展至高程71.00 m，向上已發(fā)展至滑坡后緣約高程105.86 m處。高程81.00～96.00 m段層面向坡外有約1～5 cm剪切滑移?；麦w是由產(chǎn)狀為N70°E/SE∠40°～47°和產(chǎn)狀為N20°～40°E/NW∠60°～80°的兩組結(jié)構(gòu)面組成的坡體，斜向河床上游側(cè)滑移。

如圖1所示，針對(duì)開挖邊坡出現(xiàn)的裂縫情況，進(jìn)行了削坡減荷和護(hù)坡加固處理：在高程71.00 m和61.00 m處分別增設(shè)5.00 m和2.00 m寬的馬道;此外采用預(yù)應(yīng)力錨索框格梁對(duì)高程71.00～96.00 m范圍的滑坡體進(jìn)行加固，同時(shí)輔以截排水和噴播草灌等措施加以處理。

圖2的K0+022.489加固斷面為加固邊坡的典型斷面，由圖2可知，加固邊坡共設(shè)計(jì)了5級(jí)錨索，錨索長分別為30，30，35，45 m和50 m，錨索與設(shè)計(jì)坡面大致呈10°俯角布設(shè)。

3 邊坡加固效應(yīng)數(shù)值分析

為評(píng)價(jià)加固效果，首先選取削坡開挖范圍的邊坡建立數(shù)值模型進(jìn)行分析，然后選取預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡對(duì)其加固效果進(jìn)行局部分析。數(shù)值計(jì)算過程中，巖體采用經(jīng)典的摩爾-庫倫塑性本構(gòu)模型，節(jié)理面采用接觸面的庫倫滑移模型。由于缺乏實(shí)測地應(yīng)力資料，因此本文僅考慮將自重應(yīng)力場作為地應(yīng)力場。

3.1 削坡減荷效應(yīng)分析

選取加固設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的邊坡建立數(shù)值模型，得到右岸開挖邊坡模型如圖3所示，并計(jì)算分析削坡減荷后邊坡的變形情況。

由圖4可知，進(jìn)行削坡減荷處理后，邊坡的位移明顯降低，位移較大的部位主要分布在96.00 m高程的馬道以上。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算，右岸邊坡進(jìn)行削坡減荷處理后的安全系數(shù)為K=3.06。

如圖5所示，得到邊坡削坡減荷后的狀態(tài)，由圖5可知邊坡巖體主要發(fā)生拉裂破壞和剪切破壞，且主要發(fā)生在樁號(hào)K0+000～K0+031.563邊坡的表層巖體。這與邊坡實(shí)際開挖后出現(xiàn)張拉裂縫的現(xiàn)象相符，表明邊坡開挖對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性有重要的影響。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固效應(yīng)分析

護(hù)坡加固主要采用預(yù)應(yīng)力錨索框格梁進(jìn)行。研究選取K0+000.00～K0+022.489錨索加固范圍間的邊坡，考慮適當(dāng)邊界效應(yīng)，建立如圖6所示的錨索加固模型進(jìn)行分析。

由圖7可知，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固處理后，邊坡的位移變化不大（位移數(shù)量級(jí)與削坡減荷后相同），最大變形依舊在高程96.00 m的馬道以上。但是根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算，預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固后局部邊坡的安全系數(shù)為K=4.43，有明顯提高。

3.2.1 錨索變形分析

圖8反映了預(yù)應(yīng)力錨索的軸向應(yīng)變特征，由圖8可知，1～14號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索的軸向應(yīng)變明顯高于其他錨索，表明1～14號(hào)錨索受巖體張拉應(yīng)力作用較大。

圖9反映了預(yù)應(yīng)力錨索的變形特征，錨索變形程度總體上隨高程的降低而減小，其中變形較大的1～7號(hào)錨索最大變形達(dá)到13 cm左右，最小約為4.8 cm。

錨索的變形特征進(jìn)一步表明，未進(jìn)行錨索加固的情況下，高程81.00 m馬道以上的坡體變形較大，而據(jù)圖7可知，錨索加固后高程81.00～96.00 m范圍的變形顯著下降。因此預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)減小邊坡變形有較為顯著的效果。

3.2.2 框格梁變形分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到框格梁位移云圖如圖10所示。框格梁的變形特征總體上反映了錨索的受力情況，高程越高，框格梁變形程度越大。由圖10可知，變形較大的1～7號(hào)錨索所在的框格梁混凝土最大變形達(dá)11.3 cm。

4 結(jié) 論

峽江右岸邊坡是由于開挖卸荷導(dǎo)致了坡頂后緣拉裂，拉裂縫逐漸向下發(fā)展形成剪切滑移面產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞，可采取削坡減荷和預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固等措施進(jìn)行處理。通過數(shù)值模型計(jì)算，詳細(xì)分析了兩種加固措施效應(yīng)，得出如下結(jié)論。

（1）右岸邊坡初期開挖坡度陡及其卸荷作用是邊坡出現(xiàn)后緣拉裂縫的主要原因，增設(shè)馬道實(shí)現(xiàn)削坡減荷能夠有效增加邊坡的穩(wěn)定性。

（2）預(yù)應(yīng)力錨索框格梁加固措施在提高邊坡的穩(wěn)定性上效果顯著，邊坡的安全系數(shù)得到了明顯增加。

（3）基于離散元的強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)中是合理可行的，反映了邊坡的實(shí)際情況，可為類似邊坡工程的評(píng)價(jià)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Evaluation of right slope reinforcement effect of Xiajiang River by

Strength Reduction based on DEM

LIN Taiqing， CHEN Fang

（Jiangxi Academy of Water Science and Engineering， Nanchang 330029， China）

Abstract：In this paper， the reinforcement effect and the stability of the right slope of the Xiajiang River are analyzed with the different models built by DEM-based Strength Reduction Method for different sideslope scopes. The deformation under different conditions are studied， including the natural slope cut and the slope reinforce with the cables. It is showed that the slope cut and the reinforcement with the cables worked. The deformation of the slope decreased obviously after the slope cut for reducing load and prestressed cable reinforcement. This research result can provide a reference for similar projects.

Key words：rocky slope; prestressed cable; discrete element strength reduction method; XiajiangWater Conservancy Project