水庫(kù)庫(kù)岸巖削坡加固措施穩(wěn)定性研究

徐廣勇，李 偉

（費(fèi)縣許家崖水庫(kù)管理中心,山東 費(fèi)縣 273400）

1 前言

隨著公路、鐵路、水利工程的建設(shè),巖削坡失穩(wěn)問(wèn)題愈發(fā)引起重視。雖然在天然工況下能夠自穩(wěn),但人工開(kāi)挖后極易發(fā)生垮塌,且用傳統(tǒng)的擋土墻加固巖削坡效果欠佳。許多學(xué)者針對(duì)巖削坡進(jìn)行了相關(guān)研究,唐進(jìn)[1]等科學(xué)劃分了國(guó)道318 藏東段的巖削坡類(lèi)別,利用數(shù)值模擬的方法,分析了巖削坡失穩(wěn)因素與邊坡穩(wěn)定的相關(guān)性,最后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,建立了巖削坡穩(wěn)定性判定模型。王成華[2]等通過(guò)野外調(diào)查和模型試驗(yàn),分析了花管微型樹(shù)根樁的設(shè)計(jì)核心、固砂理念,并認(rèn)為巖削坡的加固核心應(yīng)在穩(wěn)定坡體,保護(hù)坡腳上。

總結(jié)現(xiàn)有研究可得,學(xué)者們主要從理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)等方法探究了巖削坡的治理方法,但此類(lèi)研究方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,少有學(xué)者從數(shù)值模擬的角度分析研究巖削坡的加固措施,本文基于Flac3d 數(shù)值模擬軟件,以某水庫(kù)庫(kù)岸巖削坡治理為研究對(duì)象,模擬采用微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的加固方案進(jìn)行加固,從邊坡位移與加固措施位移的角度,研究該加固方案的可行性。

2 巖削工程概況

圖1 為某水庫(kù)庫(kù)岸巖削坡示意圖,該模型中上部為土石混合體,下伏基巖為砂巖,該巖削坡底部長(zhǎng)100 m,左邊界高60 m,右邊界高30 m,巖削坡厚度為30 m,坡角為30°。該巖削坡擬采用三級(jí)開(kāi)挖方式（圖中陰影區(qū)域）,開(kāi)挖坡率為1∶1。該區(qū)域受地震和構(gòu)造影響作用較小,不存在特殊巖土體。

圖1 巖削坡示意圖

由于傳統(tǒng)的支護(hù)措施難以有效支護(hù)巖削坡,文本根據(jù)前人研究結(jié)果[3-4],總結(jié)得出微型鋼管樁抗彎和承載能力均較強(qiáng),故擬采用微型鋼管樁對(duì)邊坡坡頂進(jìn)行加固,同時(shí)考慮到巖削坡的組成成分為土石混合物,坡面往往容易受地震作用產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,固擬采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)坡面進(jìn)行加固,錨索自由段6 m,錨固段10 m。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,確定該巖削坡砂巖及土石混合物的物理力學(xué)參數(shù),測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖削坡組成成分物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

邊坡形態(tài)、開(kāi)挖方式、巖層成分均嚴(yán)格遵守地質(zhì)勘查報(bào)告資料,圖2 為采用Flac3d 建立的三位模型圖,模型采用四面體結(jié)構(gòu)單元,共計(jì)35800 個(gè)單元,40217 個(gè)節(jié)點(diǎn),模型底面固定約束,側(cè)面邊界采用軸支撐。

圖2 Flac3d 數(shù)值模型圖

3.2 參數(shù)取值

微型鋼管樁采用pile 單元模擬,錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)采用line 單元模擬,錨索采用cable 的單元模擬,錨索長(zhǎng)10 m,襯砌單元、樁單元和錨索單元力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2、表3 和表4。

表2 襯砌單元力學(xué)參數(shù)

表3 微型樁單元力學(xué)參數(shù)

表4 錨索單元力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 巖削坡加固穩(wěn)定性分析

圖3 為巖削坡開(kāi)挖后未采取支護(hù)措施時(shí)的位移云圖,由圖可知,邊坡最大位移達(dá)到47 mm,平均位移為25 mm,坡體將出現(xiàn)貫通面,可見(jiàn)巖削坡穩(wěn)定性較差,極易發(fā)生失穩(wěn)垮塌。圖4 為采用微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)后的坡體位移云圖,可以看出,坡體整體位移得到控制,最大位移僅為5.6 mm,滿足工程安全要求。

圖3 支護(hù)前邊坡位移圖

圖4 支護(hù)后邊坡位移圖

根據(jù)巖削坡采用支護(hù)措施前后的位移云圖可知,邊坡坡腳位移均較大,坡頂位移較小,因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注邊坡坡腳位移。本文設(shè)置三個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于一、二、三級(jí)邊坡坡腳附近,得到位移檢測(cè)曲線見(jiàn)圖5。從圖中可知,一級(jí)邊坡坡腳位移較小,位移整體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),達(dá)到1.2 mm左右保持穩(wěn)定。二、三級(jí)邊坡坡腳位移較大,位移整體呈現(xiàn)先急速增長(zhǎng),后緩慢減小,最后緩慢增長(zhǎng)至5.5 mm 左右保持穩(wěn)定。

圖5 邊坡坡腳位移變化圖

3.3.2 巖削坡加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

圖6 為主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移云圖,從圖中可知,三個(gè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移呈現(xiàn)自上而下位移逐漸增加的規(guī)律,且三級(jí)邊坡位移＞二級(jí)邊坡位移＞一級(jí)邊坡位移,最大位移位于三級(jí)邊坡坡腳,數(shù)值為27 mm。綜合來(lái)看,主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)整體位移均小于50 mm,滿足工程安全要求。實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注二、三級(jí)邊坡坡腳處的位移,防止出現(xiàn)坡腳破壞,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

圖7 為微型鋼管樁的位移云圖,由圖可知,鋼管樁整體位移呈現(xiàn)中部位移較大,兩側(cè)位移較小的規(guī)律,這是因?yàn)殇摴軜吨胁刻幱陂_(kāi)挖邊坡坡腳附近,受巖削坡下滑力作用,導(dǎo)致鋼管樁中部位移較大。同時(shí),一級(jí)邊坡鋼管樁位移＞二級(jí)邊坡＞三級(jí)邊坡,這是因?yàn)橐患?jí)邊坡處鋼管樁受下滑力最大的原因。鋼管樁最大位移為2.6 mm,遠(yuǎn)小于工程安全要求10 mm,處于穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際工程中,可采取增加一級(jí)邊坡處的鋼管樁密度的方法來(lái)約束坡腳位移。

圖7 微型鋼管樁位移云圖

圖8 為錨索的位移應(yīng)力云圖,可以看出,錨索自由段位移均大于鎖固段位移,這符合坡面處位移大于坡體位移的規(guī)律。而三級(jí)邊坡的錨索位移＞二級(jí)邊坡＞一級(jí)邊坡,這亦符合邊坡坡面位移規(guī)律,整體錨索位移偏小,最大位移值為18 mm,小于工程安全要求30 mm,說(shuō)明本文采用的錨索結(jié)構(gòu)支護(hù)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 錨索位移云圖

4 結(jié)論

以某水庫(kù)庫(kù)岸巖削坡為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬的研究方法,從巖削坡位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度,研究微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方案的可行性。研究結(jié)果如下：

（1）巖削坡在人工開(kāi)挖后,三級(jí)邊坡坡腳產(chǎn)生47 mm 的最大位移,二級(jí)邊坡坡腳產(chǎn)生38 mm 位移,一級(jí)邊坡坡腳位移較小,僅為12 mm。巖削坡坡體出現(xiàn)貫通面,整體位移較大,已超出工程允許范圍,固有較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),需采取相應(yīng)加固措施。

（2）采取微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方案能夠有效約束邊坡位移,邊坡坡腳位移較大,三級(jí)邊坡坡腳位移＞二級(jí)邊坡＞一級(jí)邊坡,最大位移為5.7 mm,坡體不再出現(xiàn)貫通面,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）微型鋼管樁、防護(hù)網(wǎng)、錨索位移均在工程安全范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際工程中,應(yīng)注意三級(jí)邊坡坡腳處的錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和一級(jí)邊坡鋼管樁發(fā)生位移破壞,可適當(dāng)增加該區(qū)域相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。