基于結構面組合分析的系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設計

羅延婷 劉振紅 魏杰 王耀邦

摘要：為了使系統(tǒng)錨桿對高陡巖質邊坡的加固支護作用最有效，以系統(tǒng)錨桿加固的巖體邊坡為研究對象，提出基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設計的方法。采用結構面組合分析—確定最優(yōu)不利結構面—確定最優(yōu)錨固角—確定最優(yōu)錨桿長度的設計流程，對黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡的系統(tǒng)錨桿參數(shù)進行優(yōu)化設計，通過剛體極限平衡法計算，經參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿，其支護的巖質邊坡的穩(wěn)定系數(shù)最大。該方法充分考慮了巖體不同產狀的結構面，通過其設計的系統(tǒng)錨桿對開挖邊坡的支護作用效果最優(yōu)，使系統(tǒng)錨桿支護設計更科學、更安全、更經濟。

關鍵詞：高陡巖質邊坡;系統(tǒng)錨桿;人造結構面;黃藏寺水利樞紐;黑河

中圖分類號：U455.7⁺1;U213.1⁺58 文獻標志碼：A

公路、鐵路、水利、電力等工程建設很多需要人工開挖邊坡，尤其是大型水電工程，無法回避高陡巖質邊坡問題，拱壩、重力壩的理想壩址V形河谷更是深切河谷復雜地質條件的代表性河谷形態(tài)，其內在的地質成因決定了復雜的地質特性和工程建設的特殊難度[1]。

在巖質高邊坡的開挖支護中，錨桿支護一般是不可或缺的。邊坡支護錨桿可分為預應力和非預應力兩大系列。不少學者對錨桿支護進行過深入研究，取得了大量成果。劉佳龍等[2]對非預應力錨桿的長度和角度進行了優(yōu)化設計;林杭等[3]通過FLAC3D建立數(shù)值模型，對錨桿長度和角度對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，認為錨桿加固時存在有效錨固長度和最優(yōu)錨固角;張良發(fā)[4]研究了錨桿參數(shù)優(yōu)化對開挖邊坡加固的影響。但是文獻[2-4]所支護的邊坡均為簡化的各向同性的均質巖體，沒有考慮巖體結構中不利結構面組合的影響。宋勝武等[1]側重于研究高陡邊坡深層穩(wěn)定的分析及加固設計。洪海春[5]研究了單孔多筋全長黏結式長錨桿的長度、直徑對錨固性能的影響，未考慮巖體結構。鄭軍輝[6]研究了部分錨桿失效時邊坡加固方法。陳勇[7]研究了大錨桿加固順層巖質邊坡的工程地質技術。張寧[8]通過模型試驗研究了錨桿對三維裂隙巖體的加固止裂效應。龍照等[9]推導了預應力錨桿的臨界錨固長度的簡化計算方法。渠時勤等[10]根據(jù)預應力錨桿破壞受力情況分析，提出錨桿錨固段合理設計長度。林杭等[11]研究了錨桿長短相間布置形式對邊坡穩(wěn)定性的影響，其支護的邊坡為均質土坡。朱晗迓[12]研究了通過預應力錨固技術對破碎巖質邊坡進行加固的技術可行性。陳永貴等[13]提出采用預應力錨桿加固、掛網噴射混凝土護坡的治理措施，可以增強邊坡的整體穩(wěn)定性。唐秋元等[14]提出巖石邊坡錨桿不同計算方法的總錨固力從大到小為極限平衡法>強度折減法>等效內摩擦角法>數(shù)值分析計算法>側向巖石壓力法>剩余下滑力法。

系統(tǒng)錨桿屬于非預應力錨桿，其作用是加固巖質邊坡的淺表層。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》（GB 50086-2015）[15]，不同類型工程的非預應力錨桿設計參數(shù)可根據(jù)地層條件按經驗或穩(wěn)定性分析確定。根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386-2007）[16]，巖質邊坡的非預應力系統(tǒng)錨桿的孔向宜與主要結構面垂直或呈較大夾角。在實際的開挖支護中按經驗值確定錨桿設計參數(shù)經常會產生錨桿支護失效的情況。若根據(jù)地層條件按穩(wěn)定性分析確定，同樣會產生錨桿支護失效的問題。

本文結合在建的黃藏寺水利樞紐工程，針對左壩肩高陡巖質邊坡系統(tǒng)錨桿支護中存在的問題，提出基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)的優(yōu)化設計方法。

1 研究對象

黃藏寺水利樞紐壩址位于青海省祁連縣黃藏寺村下游約11km的黑河干流上，壩址控制流域面積7648km²，水庫總庫容4.03億m³，電站裝機容量49MW，屬于大（2）型綜合利用水利樞紐工程，被列入國家172項重大節(jié)水供水工程。

大壩壩高123m，兩岸山體渾厚，基巖為寒武系中統(tǒng)的綠泥石白云母石英片巖，屬中硬巖。河谷狹窄，呈V形，右岸坡度為45～°60°，左岸更為陡峻，坡度為60°～80°。大壩邊坡的級別為2級，兩壩肩高陡巖質邊坡開挖支護方式為自上而下、分區(qū)、分級、分塊開挖并及時支護。左壩肩邊坡開挖高度約239m，開挖邊坡2666m高程以上采用每15m布置一級2m寬馬道，2666m高程以下每20m布置一級2m寬馬道。左壩肩邊坡開挖設計平面見圖1。

左壩肩高陡邊坡分區(qū)分級開挖的支護參數(shù)為：

（1）L0開挖區(qū)大壩建基面范圍內邊坡，噴5cm厚M25F200砂漿，待壩體混凝土澆筑前將所噴砂漿清除干凈;

（2）L1開挖區(qū)噴0.1m厚混凝土，掛鋼筋網Φ8mm@0.2m，普通水泥砂漿錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長度6m;

（3）L2開挖區(qū)除噴錨支護外，局部采用隨機錨索支護，錨索型式、位置、間距根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的地質情況進行調整;

（4）L3開挖區(qū)為上覆土質邊坡，開挖坡比為1：1.35，采用混凝土格構植草支護。

本文的研究對象為黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡Ll和L2開挖區(qū)的系統(tǒng)錨桿的設計參數(shù)。L1和L2開挖區(qū)均為巖質邊坡，設計開挖邊坡坡比為1：0.5和1：0.75，均采用系統(tǒng)錨桿加掛網噴混凝土的支護措施。

2 結構面組合分析，確定最優(yōu)不利結構面

統(tǒng)計分析左壩肩邊坡的159個原生結構面，同開挖邊坡（人造結構面）進行組合，結合穩(wěn)定性計算分析，確定相對于開挖邊坡的最優(yōu)不利結構面。L1和L2開挖區(qū)設計開挖邊坡類型有3種，將開挖邊坡按人造結構面考慮，則可換算成3種（表1）。以節(jié)理面與人造結構面2為例進行組合分析，另外兩種人造結構面的組合分析方法同此。

2.1 建立設計開挖邊坡的計算模型，鎖定不利節(jié)理面范圍

模型坡高按一級開挖15m的高度考慮，人造結構面2的產狀為160°∠63°，假定節(jié)理面與人造結構面2構成了不利組合，a為節(jié)理面與人造結構面2的視夾角（圖2）。通過調整視夾角的范圍來確定對人造結構面2不利的節(jié)理面的范圍，分別取視夾角a為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，采用剛體極限平衡法進行天然工況下的穩(wěn)定性計算，計算參數(shù)取值：①片巖巖體容重N=27kN/m³、黏聚力c=0kPa、摩擦角φ=40°;②節(jié)理面黏聚力c=2kPa、摩擦角φ=30°;③錨固段錨桿直徑76mm，配筋1E25，筋漿強度f_b=1000kPa。計算結果見表2。

由計算結果可知，隨著視夾角增大，人造結構面2與節(jié)理面組合的邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，視夾角a小于30°時，穩(wěn)定系數(shù)小于1。因此，需要從159個節(jié)理面中篩選出與人造結構面2的視夾角小于30°的節(jié)理面，該范圍的節(jié)理面對于開挖巖質邊坡來說屬于不利節(jié)理面，篩選的19個節(jié)理面見表3。

2.2 從不利節(jié)理面中確定最優(yōu)不利節(jié)理面

視夾角越小，人造結構面2與節(jié)理面組合的邊坡穩(wěn)定系數(shù)越小，雖然最不利于邊坡穩(wěn)定，但系統(tǒng)錨桿對這種視夾角小的開挖邊坡的支護作用最強，因為每一根錨桿都能嵌人節(jié)理面以內的穩(wěn)固巖體中。當視夾角增大時，上部沒有嵌入節(jié)理面以內穩(wěn)固巖體的錨桿的數(shù)量會增多。可見，系統(tǒng)錨桿支護的有效性就體現(xiàn)在使盡可能多的錨桿嵌人節(jié)理面以內的穩(wěn)固巖體中。

系統(tǒng)錨桿能有效加固視夾角大的不穩(wěn)定開挖邊坡，則必定能加固視夾角小的不穩(wěn)定開挖邊坡。因此，相對于人造結構面2的系統(tǒng)錨桿支護的最優(yōu)不利節(jié)理面為最接近視夾角300的節(jié)理面，即j4、產狀180°∠36°。

利用相同的分析方法，確定相對于人造結構面1的系統(tǒng)錨桿支護的最優(yōu)不利節(jié)理面產狀為115°∠33°，相對于人造結構面3的系統(tǒng)錨桿支護的最優(yōu)不利節(jié)理面產狀為130°/∠37°。

3 確定最優(yōu)錨固角

通過結構面組合分析方法確定了3種最優(yōu)不利節(jié)理面。以人造結構面2與其對應的最優(yōu)不利節(jié)理面（180°∠36°）的組合分析為例，確定最優(yōu)錨固角。

將圖2中的節(jié)理面用相對于人造結構面2的系統(tǒng)錨桿支護的最優(yōu)不利節(jié)理面（產狀180°∠36°）替換，計算參數(shù)不變，系統(tǒng)錨桿的間距固定為2.5m不變。假如系統(tǒng)錨桿足夠長，每一根錨桿都能嵌人到穩(wěn)定巖體中，則任何錨固角度均能起到較好的支護效果。只有當錨桿長度相對短時，才能顯示錨固角的改變對支護作用的影響。為此，取系統(tǒng)錨桿長度為6m，以確定最優(yōu)錨固角。分別計算錨固角為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°時的穩(wěn)定系數(shù)，計算工況為天然工況，結果見表4和圖3。

由計算結果可知，隨著錨固角的增大，穩(wěn)定系數(shù)呈拋物線變化，峰值處的穩(wěn)定系數(shù)為1.018，對應的錨固角為25°，即為最優(yōu)錨固角。

采用相同的分析方法確定開挖邊坡1系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨固角為23°，開挖邊坡3系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨固角為25°。

4 確定最優(yōu)錨桿長度

穩(wěn)定性計算中將開挖邊坡2系統(tǒng)錨桿的錨固角設定為最優(yōu)錨固角25°。非預應力錨桿作為系統(tǒng)錨桿時，長度可為3～15m[16]，計算系統(tǒng)錨桿長度為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15m時的穩(wěn)定系數(shù)，計算工況為天然工況，結果見表5和圖4。

由計算結果可知，系統(tǒng)錨桿的錨固角設定為最優(yōu)錨固角25°時，穩(wěn)定系數(shù)隨錨桿長度的增大不斷增大，錨桿長度達到11m時，穩(wěn)定系數(shù)達到最大，再繼續(xù)增加錨桿長度時，穩(wěn)定系數(shù)保持不變，該錨桿長度為峰值錨桿長度，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.159，滿足規(guī)范中持久工況安全系數(shù)為1.25～1.15的要求，因此該錨桿長度為最優(yōu)錨桿長度。

利用相同的分析方法，確定開挖邊坡1和開挖邊坡3系統(tǒng)錨桿的最優(yōu)錨桿長度分別為9m和6m。

5 系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設計的效果對比

黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡L1和L2開挖區(qū)系統(tǒng)錨桿的原設計參數(shù)為錨桿025mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長度6m。經過優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿設計參數(shù)分為3種：

（1）開挖邊坡1（人造結構面1，產狀125°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為23°、長度9m;

（2）開挖邊坡2（人造結構面2，產狀160°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長度11m;

（3）開挖邊坡3（人造結構面3，產狀160°∠63°）系統(tǒng)錨桿參數(shù)為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長度6m。

按系統(tǒng)錨桿原設計參數(shù)和經過優(yōu)化后的設計參數(shù)分別對3種開挖邊坡進行穩(wěn)定性計算，考慮天然和地震兩種工況，計算結果見表6。

由表6可知，原設計的系統(tǒng)錨桿對開挖邊坡淺表層的支護效果是明顯的，在天然狀態(tài)下，將不穩(wěn)定的淺表層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)提高到1.0以上。在不改變原設計錨桿長度的前提下，改變錨固角至最優(yōu)錨固角，則其穩(wěn)定系數(shù)進一步提高，開挖邊坡3甚至滿足了規(guī)范要求的安全系數(shù)。如果采用優(yōu)化后的系統(tǒng)錨桿設計參數(shù)進行支護，則天然工況下3種開挖邊坡的淺表層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386-2007）的要求，對淺表層邊坡的支護作用顯然最有效。

6 結語

為了使系統(tǒng)錨桿對高陡巖質邊坡的加固支護作用最有效，以巖體邊坡為研究對象，提出了基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)優(yōu)化設計方法。其設計流程為結構面組合分析一確定最優(yōu)不利結構面一確定最優(yōu)錨固角一確定最優(yōu)錨桿長度。通過對黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡系統(tǒng)錨桿參數(shù)進行優(yōu)化設計，使系統(tǒng)錨桿加固后巖質邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大。該方法可對高陡巖質邊坡的系統(tǒng)錨桿進行科學合理的預設計及動態(tài)設計，對開挖巖質邊坡產生最有效的支護作用。

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