某水電站邊坡錨索加固前后應(yīng)力應(yīng)變分析

趙 明，陳勻序，朱 艷

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

為了論證某水電站邊坡錨索加固效果，采用有限差分Flac3D分析軟件，選擇某一典型剖面作為研究對(duì)象，對(duì)開挖邊坡在錨索前后應(yīng)力、應(yīng)變變化及其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。

2 計(jì)算方法

采用有限差分Flac3D模擬。坡體材料為Mohr－Coulomb類型材料，采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。圖1為典型剖面的數(shù)值模擬的網(wǎng)格圖。根據(jù)巖土體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)部門的建議值，采用飽和狀態(tài)下的參數(shù)以考慮最不利狀況，并兼顧數(shù)值模型的合理性。計(jì)算參數(shù)見表1、2。計(jì)算工況見表3。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 坡體應(yīng)力場(chǎng)變化情況

圖1 典型剖面有限差分模型

為了充分說明在不同工況下邊坡中應(yīng)力場(chǎng)的變化，在坡體中選取代表性點(diǎn)(見圖2)說明其在不同工況下的應(yīng)力變化(見表4)。

可見，開挖后邊坡中這8點(diǎn)的大小主應(yīng)力均發(fā)生了變化，1～6號(hào)點(diǎn)位于上邊坡變化量明顯。由6號(hào)點(diǎn)的大主應(yīng)力減小近479kPa可以說明，開挖在2 155 m平臺(tái)處產(chǎn)生的卸荷強(qiáng)烈。在4級(jí)錨索施作完成后，坡體中某些部位的主應(yīng)力發(fā)生了一定程度的改變，但均不甚明顯，如2號(hào)點(diǎn)小主應(yīng)力由在施加各級(jí)錨索前的444kPa變?yōu)?78kPa，增加了約8%，但大主應(yīng)力幾乎沒有變化。說明錨索錨拉力傳遞到圍巖中，錨索起到了一定的加固坡體作用，但坡體的應(yīng)力場(chǎng)改變并不明顯。在2 133m和2 063m兩個(gè)水位時(shí)，錨固體附近坡體應(yīng)力場(chǎng)幾乎不變，說明若不考慮水位驟然變化，則不同水位對(duì)錨索作用影響較小。

表1 模擬計(jì)算采用參數(shù)

表2 錨固段計(jì)算參數(shù)

表3 計(jì)算工況匯總

3.2 潛在滑面變化情況

圖2 典型剖面代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

表4 代表性點(diǎn)在不同工況下的主應(yīng)力 kPa

根據(jù)最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植紙D，可以判斷不同工況下的邊坡潛在滑面變化特征(見表5)。由表5可見，隨著邊坡受荷工況的變化，坡體潛在滑面也在發(fā)生變化，在上邊坡沒有施作預(yù)應(yīng)力錨索之前(庫水位2 058m)，上邊坡中存在潛在滑面，并一直延展到開挖平臺(tái)以下一定深度，但施加錨索后，上邊坡及邊坡整體潛在滑面均不明顯;當(dāng)庫水位達(dá)到2 133m時(shí)，因巖體強(qiáng)度較低，下邊坡表層中產(chǎn)生潛在滑面，盡管上邊坡中也有潛在滑面的特征，但其范圍及變形值均較小，下邊坡淺表層潛在滑面成為整個(gè)坡體此時(shí)的潛在最危險(xiǎn)滑面。

3.3 開挖邊坡錨索實(shí)施效果

由表5可見，錨索對(duì)上邊坡潛在滑體的穩(wěn)定性起到明顯的改善作用，在庫水位達(dá)到2 058m時(shí)，施加錨索后上邊坡及整個(gè)坡體潛在滑面均不明顯;但當(dāng)庫水位達(dá)到2 133m時(shí)，上邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)下邊坡淺層的滑動(dòng)沒有明顯的限制作用，在下邊坡存在潛在最危險(xiǎn)滑面。

根據(jù)錨索內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，在自由段錨索拉力約為1 400kN，在錨固段錨索拉力急劇減小，錨索充分發(fā)揮了錨拉作用。

表5 三種主要工況下坡體中潛在滑面對(duì)比

4 結(jié) 語

(1)邊坡開挖后蓄水位到2 058m時(shí)，公路上邊坡淺層(千枚巖夾砂巖T5－22z)中會(huì)產(chǎn)生最危險(xiǎn)潛在滑面。施作預(yù)應(yīng)力錨索后，錨索把作用力有效傳遞到坡體內(nèi)部，坡體的變形特征發(fā)生一定程度的改變，飽和狀態(tài)下上邊坡及邊坡整體潛在滑面均不突出。

(2)庫水位在2 063m時(shí)，下邊坡淺層巖體中存在潛在最危險(xiǎn)滑面，上邊坡中盡管也有潛在滑面的特征，但相對(duì)而言，下邊坡潛在滑面穩(wěn)定性更差。

(3)當(dāng)庫水位達(dá)到2 133m時(shí)，下邊坡表層(千枚巖夾砂巖)中產(chǎn)生潛在滑面，成為整個(gè)坡體最危險(xiǎn)滑面，穩(wěn)定性最差，而上邊坡及邊坡整體深部滑面均不突出。

(4)邊坡施加錨索后，在不同蓄水位情況下，若不考慮水位驟降作用，則設(shè)計(jì)的錨索可充分發(fā)揮錨拉作用，錨索的自由段錨拉力為1 400～1 500kN，在錨固段錨索拉力急劇減小，錨固段有效作用主要發(fā)揮在前5～7m范圍內(nèi)，砂漿與圍巖之間最大剪應(yīng)力為680～900kPa，可能在個(gè)別點(diǎn)處達(dá)到摩阻極限狀態(tài)，但10m長的錨固段整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)錨索施加后，錨固區(qū)附近坡體應(yīng)力場(chǎng)有一定程度改變，受錨索錨拉作用方向所限，坡體最小主應(yīng)力約增大8%，最大主應(yīng)力變化很小。

(6)錨索的錨固作用對(duì)限制上邊坡變形有一定的效果，但對(duì)下邊坡穩(wěn)定性的影響甚小，在蓄水位2 063m和2 133m時(shí)，下邊坡淺表層存在潛在最危險(xiǎn)滑面，主要位于表層千枚巖夾砂巖與砂巖的界面上偏坡體外部一側(cè)。

(7)上邊坡錨固區(qū)坡體應(yīng)力場(chǎng)在錨固前后改變較小，在庫水位為2 133m和2 063m時(shí)主要表現(xiàn)在下邊坡中存在潛在滑面，位于淺層千枚巖夾砂巖()范圍內(nèi)。

(8)下邊坡淺表層千枚巖夾砂巖滑坡前后錨索拉力、錨固段剪應(yīng)力及錨固區(qū)域內(nèi)坡體的主應(yīng)力變化均較小。

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