馱英水庫(kù)溢洪道右側(cè)邊坡加強(qiáng)支護(hù)方案研究

彭成居，臧航航，黃 越，甘 彬，榮 冠

（1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

0 引 言

為滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需要，近年來(lái)農(nóng)業(yè)水利工程在我國(guó)各地大量興建。隨著我國(guó)水利行業(yè)的蓬勃發(fā)展，工程規(guī)模和面積都在不斷擴(kuò)大，水利工程邊坡問題不斷涌現(xiàn)。邊坡失穩(wěn)逐漸成為制約工程實(shí)施與運(yùn)行的重要因素，直接影響到工程的成本、質(zhì)量以及整個(gè)工期。因此，根據(jù)具體的地質(zhì)條件和工程方案，深入開展水利工程開挖邊坡卸荷后穩(wěn)定性分析和支護(hù)方案的研究［1，2］，具有非常重要的工程實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

由于傳統(tǒng)的極限平衡理論將滑動(dòng)體視為剛體，沒考慮巖土體內(nèi)部變形與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，在考慮地層特性、施工過(guò)程與支護(hù)措施等方面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)均具有局限性［3，4］?；贔LAC3D 數(shù)值方法模擬大型工程的邊坡或重要的邊坡剖面開挖卸荷過(guò)程，可以得到邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況、塑性區(qū)的分布范圍和位移等［5-7］。此外，F(xiàn)LAC3D 中可以對(duì)邊坡工程支護(hù)措施中的抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等進(jìn)行模擬，仿真演算各種工況下抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等的作用機(jī)理和局部應(yīng)力狀態(tài)［8，9］。

本文結(jié)合廣西馱英水庫(kù)溢洪道邊坡開挖支護(hù)具體工程實(shí)例，根據(jù)邊坡施工開挖揭露的實(shí)際工程地質(zhì)條件和施工過(guò)程出現(xiàn)的變形現(xiàn)狀，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)已施工邊坡開挖支護(hù)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析確定進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的必要性，再提出兩種加強(qiáng)支護(hù)的處理方案并進(jìn)行計(jì)算比選，為邊坡加強(qiáng)支護(hù)實(shí)踐提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程介紹

馱英水庫(kù)是左江流域明江支流公安河上規(guī)劃的龍頭灌溉水庫(kù)，是一座以灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的水庫(kù)樞紐工程。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）［10］及《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-2018）［11］相關(guān)規(guī)定，馱英水庫(kù)為Ⅱ等大（2）型工程。

其中溢洪道布置在瀝青混凝土心墻堆石壩右側(cè)的山坡上，區(qū)域地貌屬低山地貌。溢洪道右岸邊坡山頭高程293.6 m，自然坡度30°～45°，總長(zhǎng)約420 m。巖體開挖邊坡開挖比為1∶1.25～1∶0.2，開挖邊坡高度為30.0～77.8 m。溢洪道的巖質(zhì)開挖邊坡基本為橫向坡，多傾向于邊坡外側(cè)，原設(shè)計(jì)采用錨桿噴混凝土進(jìn)行支護(hù)處理，以保證邊坡的穩(wěn)定，部分存在構(gòu)造發(fā)育的邊坡采用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)處理。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)開挖揭露的工程地質(zhì)條件，溢洪道邊坡巖性大致分為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖三大類，呈夾層狀或互層狀，在溢洪道主要出露為6 層。在J1b1-4層中發(fā)育J1b1-4-2層的砂巖，該層中發(fā)育4 條寬0.5～3.0 cm 紫紅色泥化夾層條帶，類型為泥夾巖屑型和泥型，順層發(fā)育，性狀差。

溢洪道邊坡工程地質(zhì)橫剖面見圖1。根據(jù)開挖揭露的工程地質(zhì)條件，溢洪道邊坡巖體斷層不發(fā)育，但巖體褶皺現(xiàn)象和節(jié)理裂隙發(fā)育。溢洪道共發(fā)育有2 條褶皺，這些褶皺均與河流走向正交或稍斜交，造成溢洪道邊坡巖體扭曲、破碎嚴(yán)重，巖體沿層面、裂隙面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，錯(cuò)動(dòng)面發(fā)育泥膜和泥化夾層。砂巖巖層受褶皺發(fā)育的影響，巖體風(fēng)化深，破碎，層間泥化夾層發(fā)育。因此由于上述不良地質(zhì)條件的影響，溢洪道邊坡穩(wěn)定性較差。

圖1 溢洪道邊坡工程地質(zhì)橫剖面圖Fig.1 The geological cross-sectional map of the spillway slope project

1.3 邊坡變形及支護(hù)現(xiàn)狀

溢洪道開挖邊坡進(jìn)水渠及控制段（樁號(hào)溢-159.36～溢0+000.0）233.5 m高程以上每級(jí)邊坡高15.0 m，開挖坡比1∶1.75，每級(jí)邊坡頂設(shè)3.0 m 寬?cǎi)R道，共布設(shè)4 級(jí)邊坡。233.5 m 高程以上開挖后邊坡最大高度為56.0 m。233.5 m 高程以下按1∶1.5～1∶1.75進(jìn)行削坡。

溢洪道邊坡于2018年5月開始開挖右岸工程邊坡，主要開挖為上游進(jìn)水渠段、進(jìn)水渠漸變段和控制段。2020年3月基本完成溢洪道邊坡開挖工作。2020年8月12 號(hào)溢洪道邊坡支護(hù)過(guò)程中，溢洪道泄槽段樁號(hào)溢0+090.8～溢0+129.0 m，高程235.5～204.7 m 邊坡出現(xiàn)開裂，在高程235.5 m 馬道出現(xiàn)拉裂縫，產(chǎn)狀為N60°W，NE∠80-90°，延伸長(zhǎng)度約39.2 m，裂縫寬2～10 cm，往下3 m 范圍內(nèi)張開，無(wú)充填，部分充填上部生態(tài)護(hù)坡沖刷下來(lái)的黏土。在235.5～204.7 m兩級(jí)坡面上出現(xiàn)剪裂縫，坡面的噴射混凝土面出現(xiàn)裂縫，寬2～5 cm，順層發(fā)育，層間夾泥，局部微張，少許黑色渲染。在204～210 m 高程處，沿層面出現(xiàn)剪出口，在溢洪道邊墻混凝土平臺(tái)上出現(xiàn)少許強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎塊。2020年8月13號(hào)滑坡現(xiàn)狀地貌及滑坡周界見圖2。

圖2 2020年8月13號(hào)滑坡地貌及滑坡周界Fig.2 The landform and perimeter of the landslide on August 13，2020

目前邊坡已實(shí)施94 根（M61～M154）預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，預(yù)應(yīng)力為1 000 kN，排距為5 m×5 m，矩形布置，預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)施位置見圖3。

圖3 已施工預(yù)應(yīng)力錨索布置圖Fig.3 Layout of prestressed anchor cables that have been implemented

2 模型建立和參數(shù)選取

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為充分研究溢洪道右岸邊坡在施工、加固支護(hù)工程中邊坡變形分布規(guī)律，通過(guò)ANSYS軟件構(gòu)建了研究區(qū)域三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，X軸正方向指向正東，Y軸正方向指向正北，Z軸正方向鉛直向上。模型計(jì)算范圍X方向取803 m，Y方向取755 m，鉛直方向最大高度有344 m（從高程0 m 到高程344 m）。計(jì)算模型共剖分單元1 334 836 個(gè)，節(jié)點(diǎn)237 179 個(gè)，完全開挖后表層形態(tài)如圖4所示。

圖4 所有開挖步驟完成后邊坡形態(tài)圖Fig.4 Slope shape after all excavation steps are completed

由于所選取的研究區(qū)域賦存于廣闊的地質(zhì)條件下，模型四周及底部受到周邊地質(zhì)條件的約束，計(jì)算時(shí)在模型底部（高程Z=0 m 處）施加全約束，模型四周邊界設(shè)置法向約束。在初始條件中，未考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)。

有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算中材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則［12］。預(yù)應(yīng)力錨索采用FLAC3D 軟件提供的Cable 單元來(lái)模擬，錨筋樁采用FLAC3D 軟件提供的Pile單元來(lái)模擬。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

在結(jié)構(gòu)面切割作用下，天然巖體中容易形成大小不一的巖塊，這些結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。因此，巖體的強(qiáng)度特征不僅取決于巖石自身強(qiáng)度，還與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、巖體賦存的環(huán)境等因素有關(guān)。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）［13］，結(jié)合馱英溢洪道右側(cè)邊坡工程地質(zhì)勘察所得的各巖體主要物理力學(xué)參數(shù)建議值，綜合得出的數(shù)值計(jì)算涉及的巖體力學(xué)基本參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表Tab.1 The table of rock mechanics parameters

2.3 開挖與支護(hù)方案說(shuō)明

根據(jù)對(duì)各施工圖紙及開挖程序分析，在一定概化的基礎(chǔ)上可以確定用于數(shù)值模擬的開挖步以及支護(hù)過(guò)程，并劃分3 種工況。在溢洪道右岸邊坡按馬道大致劃分開挖階段開挖，每一級(jí)開挖高程分別為280.5、265.5、250.5、235.5、220.5、205.5、191.0 m和溢洪道底部。

工況一為邊坡邊開挖邊支護(hù)，當(dāng)邊坡開挖到下一高程時(shí)，用已施工的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)到上一高程。工況二與工況三是在已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上新增支護(hù)措施對(duì)邊坡加強(qiáng)支護(hù)。各工況下支護(hù)方案說(shuō)明如表2。

表2 開挖與支護(hù)方案說(shuō)明表Tab.2 The excavation and support scheme description table

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下邊坡變形分析

橫河向位移對(duì)邊坡穩(wěn)定性有較大影響，以Y軸方向位移最具代表性，所以主要分析不同施工工況下邊坡Y 軸方向位移分布情況。

圖5 為根據(jù)實(shí)際情況模擬，在無(wú)支護(hù)條件下邊坡逐級(jí)開挖工況下的數(shù)值模擬得到的Y方向位移云圖。從圖中可看出，大部分坡面的Y方向位移趨勢(shì)為指向坡外，開挖面以卸荷回彈位移為主。樁號(hào)溢0+067m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m 邊坡Y方向位移值較大，與實(shí)際工程出現(xiàn)的拉裂縫位置吻合，說(shuō)明破碎砂巖層J1b1-4-2對(duì)位移場(chǎng)有一定影響，Y方向最大位移達(dá)到17.438 mm。另外溢洪道下游出現(xiàn)區(qū)部位移偏大，大小在5～8 mm。

圖5 完全開挖未支護(hù)工況下Y方向位移云圖（單位：m）Fig.5 Y-direction displacement cloud diagram under fully excavated and unsupported conditions

圖6 為邊坡逐步開挖支護(hù)后Y方向位移云圖，其中支護(hù)的錨索為94根已實(shí)施的1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索（M61～M154）。全部開挖支護(hù)完成后，樁號(hào)溢0+067 m～溢0+129 m 段、高程220.5～250.5 m邊坡Y方向位移值較大，最大位移達(dá)到17.437 mm，與僅開挖未支護(hù)時(shí)Y方向位移云圖相似。說(shuō)明已經(jīng)施加的M61～M154預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)較大變形區(qū)的加固效果不明顯。為確保邊坡裂縫不繼續(xù)發(fā)展而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，有必要對(duì)較大變形區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。

圖6 逐級(jí)開挖支護(hù)工況下Y方向位移云圖（單位：m）Fig.6 Y-direction displacement cloud diagram under step-by-step excavation and support

3.2 加強(qiáng)支護(hù)方案一支護(hù)后邊坡變形分析

在已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上，用加強(qiáng)支護(hù)方案一加強(qiáng)支護(hù)。具體措施為：除已施工預(yù)應(yīng)力錨索外，在坡面新增多根錨索，預(yù)應(yīng)力為1 500 kN，排距為5 m×5 m，矩形布置，具體實(shí)施位置見圖7。

圖7 加強(qiáng)支護(hù)方案一預(yù)應(yīng)力錨索布置圖Fig.7 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme one

圖8 為邊坡用加強(qiáng)支護(hù)方案一加強(qiáng)支護(hù)后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達(dá)到12.813 mm。相對(duì)于僅開挖未支護(hù)時(shí)的17.438 mm 減少了4.625 mm，并且較大變形區(qū)域范圍有所縮小，可以對(duì)較大變形區(qū)進(jìn)行控制。

圖8 加強(qiáng)支護(hù)方案一支護(hù)后Y方向位移云圖（單位：m）Fig.8 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme one

3.3 加強(qiáng)支護(hù)方案二支護(hù)后的變形分析

在加強(qiáng)支護(hù)方案一支護(hù)后的基礎(chǔ)上，用加強(qiáng)支護(hù)方案二加強(qiáng)支護(hù)，如圖9。具體措施為：在220.5 m 和235.5 m 馬道上施4×4 m、15～20 m 長(zhǎng)、3@28 鋼筋@150 mm 孔徑的錨筋樁Z1～Z69支護(hù)。

圖9 加強(qiáng)支護(hù)方案二預(yù)應(yīng)力錨索和錨筋樁布置圖Fig.9 Prestressed anchor cables layout of reinforced support scheme two

圖10 為邊坡用加強(qiáng)支護(hù)方案二加強(qiáng)支護(hù)后Y方向位移云圖，Y方向最大位移達(dá)到11.644 mm，相對(duì)于僅開挖未支護(hù)時(shí)的17.438 mm 減少了5.794 mm，并且較大變形區(qū)域范圍有明顯縮小。

圖10 加強(qiáng)支護(hù)方案二支護(hù)后Y方向位移云圖（單位：m）Fig.10 Y-direction displacement cloud diagram after reinforced support scheme two

綜上說(shuō)明加強(qiáng)支護(hù)方案二可以對(duì)較大變形區(qū)進(jìn)行良好的控制，且加固效果優(yōu)于加強(qiáng)支護(hù)方案一。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)根據(jù)溢洪道開挖揭露的工程地質(zhì)條件和邊坡現(xiàn)有變形及支護(hù)狀況的分析，結(jié)合FLAC3D軟件數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)兩種加強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行比選，可以得出以下結(jié)論。

（1）溢洪道右側(cè)邊坡施工期出現(xiàn)的裂縫所在開挖邊坡出露巖體為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，地層位于向斜核部，核部巖層傾角較陡，風(fēng)化較深，巖體破碎。各工況下，邊坡受卸荷回彈影響，變形指向坡外，破碎砂巖層J1b1-4-2對(duì)位移場(chǎng)有一定影響，較大變形區(qū)與施工期出現(xiàn)的拉裂縫位置吻合。

（2）已施工預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下邊坡Y方向位移云圖與僅開挖未支護(hù)時(shí)相似，說(shuō)明已經(jīng)施加的M61～M154 預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡較大變形區(qū)的加固效果不明顯。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)成果，為確保邊坡裂縫不繼續(xù)發(fā)展而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，有必要對(duì)較大變形區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。

（3）相比于錨索加強(qiáng)支護(hù)方案，錨索聯(lián)合錨筋樁加強(qiáng)支護(hù)方案加固后邊坡Y方向最大位移值與較大變形區(qū)域范圍明顯縮小，支護(hù)效果更理想，所以推薦用錨索聯(lián)合錨筋樁方案進(jìn)行邊坡加固。 □