極端降雨工況下庫岸軟巖邊坡綜合防護(hù)措施工程效果分析

吳占華

（凌源市水土保持局，遼寧 凌源 122500）

1 工程背景

碧流河水庫是遼東半島上的重要水庫，是一座以城市供水為主，兼有其他多種功能的多年調(diào)節(jié)型大型水庫。水庫位于遼寧大連和營口兩市交界部位的碧流河干流上，壩址以上集雨面積2 085 km2，最大庫容9.34 億m3。為了改善庫區(qū)的交通狀況，當(dāng)?shù)卣當(dāng)M建一條庫區(qū)公路。由于路基施工過程中需要對(duì)部分庫岸邊坡進(jìn)行開挖，因此，會(huì)造成部分區(qū)域的巖土體發(fā)生明顯的變形破壞。由于庫區(qū)位于遼東半島東側(cè)的迎風(fēng)坡，因此，氣候比較濕潤，年均降水量在900 mm以上，且經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨。同時(shí)，邊坡內(nèi)部豐富的地下水賦存也會(huì)造成邊坡坡體抗剪強(qiáng)度的下降，進(jìn)而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。為了保證邊坡安全穩(wěn)定，需要對(duì)開挖后的邊坡進(jìn)行加固處理[1]。其中，樁號(hào)2＋253—2＋677 段邊坡屬于典型的中山丘陵地貌，地表植被發(fā)育，多為林地和灌木。該段邊坡的上覆層是以厚度為1.5～2.5 m的粉質(zhì)黏土為主的第四系坡積層，巖性以砂巖和石灰?guī)r為主，結(jié)構(gòu)較為破碎。針對(duì)工程的實(shí)際情況，選擇合適的防護(hù)措施具有重要的意義和作用。

2 有限元模型

ANSYS 是一款大型通用有限元軟件，在巖土力學(xué)研究領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)[2]。因此，選擇利用ANSYS 軟件進(jìn)行背景工程邊坡的有限元模型構(gòu)建[3]。研究中根據(jù)施工單位的勘驗(yàn)報(bào)告及野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，建立背景工程的三維計(jì)算模型。根據(jù)研究的實(shí)際需要，以及圣維南原理和公路邊坡開挖及路基設(shè)計(jì)資料選擇2＋260 段邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，其斷面的具體情況如圖1 所示。

圖1 研究斷面地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

根據(jù)工程的實(shí)際情況，針對(duì)開挖之后的邊坡：1）利用CAD 軟件建立邊坡的剖面簡化圖；2）利用Rhino 6 進(jìn)行拆分等一系列操作將其轉(zhuǎn)換為三維單元體；3）利用Griddle 插件完成網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出Govl 模型；4）利用計(jì)算模型導(dǎo)入ANSYS 軟件完成最終轉(zhuǎn)換[4]。具體來看，進(jìn)行模擬計(jì)算的邊坡高71.5 m、長50.0 m。將邊坡巖體視為各向同性的彈塑性材料，利用摩爾-庫倫模型模擬其彈塑性變形；邊坡加固過程中的錨索模擬采用線彈性本構(gòu)模型[5]。對(duì)構(gòu)建的幾何模型利用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并對(duì)部分關(guān)鍵部位進(jìn)行加密處理，最終獲得12 265個(gè)網(wǎng)格單元、10 771個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

ANSYS 軟件為研究者提供了針對(duì)各種不同需要的邊界條件，此次研究選擇位移和應(yīng)力邊界條件[6]。其中，對(duì)模型的底部施加全位移約束，對(duì)模型的左右兩側(cè)施加水平位移約束，模型的上部不施加位移約束，為自由邊界條件。研究中結(jié)合相關(guān)施工規(guī)范的具體要求及工程現(xiàn)場的地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用的模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

由于施工本身造成的巖土體擾動(dòng)是邊坡可能產(chǎn)生的破壞和滑移的主要原因，因此需要采取有效措施進(jìn)行防護(hù)。根據(jù)背景工程的實(shí)際特點(diǎn)，充分考慮工程的經(jīng)濟(jì)性、生態(tài)性和技術(shù)性要求，選擇3種主要技術(shù)措施：1）三維網(wǎng)植草護(hù)坡，主要是利用高度較低的灌木和草類植物，結(jié)合使用合成土工材料，利用植物茂密的莖葉和強(qiáng)大的根系減少雨水對(duì)坡面的沖刷作用，提高邊坡的整體穩(wěn)定性[7]。結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)其3～5 級(jí)邊坡上覆土體實(shí)施該措施。2）錨桿框格梁支護(hù)，主要由邊坡表面的框格梁及深入巖體內(nèi)部的錨桿共同組成，不僅可以提高邊坡的整體性，同時(shí)還可以通過連接結(jié)構(gòu)的效應(yīng)提升邊坡的抗剪強(qiáng)度，有效提升邊坡巖土體的承載力[8]。結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)其1～2 級(jí)邊坡采用該措施，具體設(shè)計(jì)為采用全長粘結(jié)式錨桿，水平間距為2.0 m，垂直間距為3.0 m，長度為12.0 m；框格梁的邊長為10.0 m，水平間距為2.0 m，垂直間距為3.0 m。3）坡面土體固化處理，坡面表層的土體固化處理可以有效抑制雨水入滲，減少表層土體顆粒的流失。結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，對(duì)表層40 cm 厚的土體采用固化坡面土換填。固化劑采用的是普通硅酸鹽水泥，摻加比例為1∶6。

針對(duì)上述加固措施的不同組合，確定具體計(jì)算方案，見表2。

表2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 等效塑性應(yīng)力

研究中利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同計(jì)算方案下邊坡失穩(wěn)時(shí)的等效塑性應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算。在計(jì)算結(jié)果中提取等效塑性應(yīng)力的最大值和分布位置，結(jié)果見表3。由表3 中可以看出，采取單一加固措施的等效塑性應(yīng)力的最大值最大，且比較接近，同時(shí)均出現(xiàn)在坡腳部位。采用兩種不同加固措施方案的等效塑性應(yīng)力最大值明顯減小，且最大值出現(xiàn)的部位轉(zhuǎn)移到坡體中部表面的位置。采取3 種加固措施的方案7 等效塑性應(yīng)力最大值最小，且分布更為均勻，其最大等效塑性應(yīng)力的位置位于坡體內(nèi)部。

表3 等效塑性應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 位移

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同加固方案下的邊坡位移量進(jìn)行模擬計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果中提取出位移量的最大值和發(fā)生位置，結(jié)果見表4。從表4中可以看出，不同計(jì)算方案邊坡的位移量存在比較顯著的差異。其中，位移量最大的為采取單一加固措施的方案，位移量相對(duì)較大，邊坡穩(wěn)定性明顯不足，不足以有效控制邊坡在極端降雨條件下的位移變形；采取兩種不同加固措施方案的位移量最大值相較采取單一加固措施方案明顯偏小，說明兩種加固措施的組合運(yùn)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以有效控制邊坡位移變形；邊坡位移量最大值最小的為方案7，說明綜合采用3種加固措施可以大幅降低邊坡位移量，提高邊坡在極端降雨條件下的穩(wěn)定性。

表4 位移量最大值計(jì)算結(jié)果

3.3 安全穩(wěn)定系數(shù)

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同加固方案的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表5。由表5 可以看出，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)最低的為采取單一加固措施的方案，其安全穩(wěn)定性系數(shù)值均小于1，說明邊坡在極端降雨條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，不能保證背景工程邊坡在極端降雨條件下的安全穩(wěn)定性；采取兩種不同加固措施方案的安全穩(wěn)定系數(shù)有大幅提高，在1.7～2.3 之間；安全穩(wěn)定系數(shù)最大的為方案7，其安全穩(wěn)定系數(shù)值為3.658。從工程設(shè)計(jì)要求來看，在各種工況下的邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)不小于2.0，雖然方案6滿足要求，但是冗余量明顯不足，其邊坡下方新建的庫區(qū)公路對(duì)強(qiáng)降雨條件下的防洪物資運(yùn)輸具有極為重要的意義和作用，因此，應(yīng)該選擇方案7，即綜合采取3 種加固措施。

表5 邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

在極端降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性會(huì)顯著降低，極易誘發(fā)失穩(wěn)破壞，從而威脅到下方的交通設(shè)施和建筑物。因此，采取科學(xué)有效的邊坡加固措施具有十分重要的意義和作用。此次研究以具體工程為例，利用數(shù)值模擬的方式計(jì)算了不同加固措施組合方案的應(yīng)力、位移和安全穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示，綜合運(yùn)用多種加固措施可以顯著減小邊坡應(yīng)力和位移，有效提升安全穩(wěn)定系數(shù)。此外，在邊坡加固之后，最大位移仍出現(xiàn)在坡腳部位，說明該部位仍舊是邊坡的薄弱之處，在遭受極端降雨的情況下，需要關(guān)注該部位的情況。