某水庫大壩岸坡錨桿加固穩(wěn)定性分析

李保民

(費(fèi)縣應(yīng)急保障服務(wù)中心，山東 臨沂 273400)

1 概述

在水利邊坡工程施工中，極易發(fā)生側(cè)滑失穩(wěn)破壞。為防止此類災(zāi)害的發(fā)生以及滿足現(xiàn)代工程建設(shè)安全的需要，邊坡穩(wěn)定分析和加固方法研究已成為工程建設(shè)中不可回避的課題[1]。邊坡加固是改善滑坡體力學(xué)條件的施工手段，以增加滑坡阻滑力或阻滑因素，減小滑坡下滑力或消除下滑因素[2]，保障邊坡建設(shè)安全。錨桿加固在庫岸邊坡加固應(yīng)用中十分廣泛，將數(shù)值模擬應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為當(dāng)前最常用的研究手段[3]。孔維風(fēng)等[4]基于FLAC3D強(qiáng)度折減法進(jìn)行錨固邊坡穩(wěn)定性分析，采用雙彈簧單元模擬錨桿加固邊坡;朱江林等[5]建立庫區(qū)邊坡二維飽和-非飽和滲流模型，模擬錨桿(索)和樁加固后不同工況下岸坡滲流場(chǎng)演變規(guī)律，分析岸坡加固后浸潤線及孔隙水壓力變化規(guī)律；陳大雷等[6]采用有限元軟件Adina計(jì)算了某堰塞湖在蓄水過程中岸坡巖體內(nèi)的剪應(yīng)力分布、穩(wěn)定安全系數(shù)和極限破壞模式;唐湖北等[7]基于極限平衡法驗(yàn)算錨固邊坡的安全系數(shù)，考慮了錨桿錨固角、錨桿長(zhǎng)度、錨固位置、錨桿布設(shè)形式等影響因素，利用GEO-SLOPE商業(yè)軟件計(jì)算了邊坡的安全系數(shù);林杭等[8]通過FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，利用雙彈簧cable單元建立錨桿系統(tǒng)，計(jì)算邊坡安全系數(shù)以及錨桿的力學(xué)響應(yīng)；傅永求[9]基于對(duì)數(shù)螺旋破壞機(jī)構(gòu)，采用極限分析上限定理和擬動(dòng)力試驗(yàn)方法分析邊坡所需錨桿加固力；付艷青等[10]針對(duì)臨近邊坡建筑，基于邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)臨海邊坡提出了微型群樁加固處理措施。

文章以上冶水庫壩體邊坡為例，先采用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)分析了錨桿傾角、錨桿和土體黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)邊坡沉降位移的影響，之后采用ABAQUS軟件并結(jié)合強(qiáng)度折減法，分析了錨固加固前后和錨桿數(shù)量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

上冶水庫系淮河流域沂河水系浚河支流上的一座中型水庫，壩址區(qū)基本地震烈度為7°。水庫始建于1959年9月，1960年11月建成蓄水，是一座集防洪、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電、人畜飲水等綜合利用的中型水庫，水庫按照百年一遇設(shè)計(jì)洪水、千年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)，主要樞紐工程由大壩、溢洪道、閘、放水洞等組成，放水洞為鋼筋砼矩形箱涵1.2m×1.5m，溢洪道新建3孔泄洪閘，寬24.0m。目前鋪設(shè)了防汛道路，新建大壩照明，大壩沉陷、位移觀測(cè)設(shè)施，水庫水位自動(dòng)觀測(cè)設(shè)施，雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，放水洞閘門電動(dòng)啟閉機(jī)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有效地提高了管理單位的現(xiàn)代化管理水平。

3 室內(nèi)模型試驗(yàn)

本次室內(nèi)試驗(yàn)邊坡模型根據(jù)上冶水庫實(shí)際尺寸進(jìn)行相似模擬，邊坡高50cm，寬為10cm，采用降雨技術(shù)填充試驗(yàn)材料，允許土顆粒通過水平篩從1m的高度自由下落。在層與層之間使用黃色染料，以通過有機(jī)玻璃板顯示斜坡的位移，并保持6%的含水量，以便于斜坡的形成。此外還將45cm×45cm×1.5cm的鐵板放置在壩頂中部，以確保坡面上具有均勻堆載。邊坡模型建立好后，將直徑為30mm的錨桿安裝在邊坡的中間高度，然后將錨桿像螺釘一樣插入墻中，直至所需深度(0.8H)。再在灌漿機(jī)的輔助下，用水泥漿填充錨桿孔進(jìn)行灌漿。最后將邊坡靜置7d，從而保證錨桿和土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試土體主要組成部分為黏土礦物，包括蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長(zhǎng)石，其次含有少量方解石。通過對(duì)土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)得其密度為1.9g/m3，干密度為1.47g/m3，含水率為20%，塑限含水率為25%，液限含水率為50%，塑性指數(shù)與液性指數(shù)分別為0.26、0.28。黏土力學(xué)參數(shù)為室內(nèi)試驗(yàn)所得平均值。

本次邊坡模型在兩種工況下進(jìn)行測(cè)試，即錨桿和土顆粒之間存在和不存在泥漿的情況，錨桿傾角設(shè)置為與水平面成0°、10°、15°三個(gè)角度，通過液壓千斤頂和試驗(yàn)環(huán)裝置，將荷載施加到斜坡頂部的鐵板上，并在板的4個(gè)角上的4個(gè)千分表中記錄每個(gè)荷載增量下(間隔0.25kN)，邊坡對(duì)應(yīng)的沉降。

圖1為錨桿與顆粒之間無黏結(jié)和有黏結(jié)狀態(tài)下錨桿傾角為10°時(shí)邊坡的荷載沉降曲線。由圖1可知，隨著荷載的增加，兩種工況下，邊坡的位移均出現(xiàn)了明顯增大，其中當(dāng)荷載大于1kN時(shí)，有黏結(jié)情況下的邊坡位移下降速度明顯低于無黏結(jié)情況，當(dāng)荷載為3kN時(shí)，二者相差在20mm以上。說明在安裝錨桿時(shí)，進(jìn)行灌漿能夠起到明顯的加固護(hù)坡作用。

圖1 傾角為10°時(shí)的邊坡荷載沉降曲線

圖2為不同錨桿傾角下邊坡的荷載沉降曲線。由圖2可知，隨著荷載的增加，3種錨桿傾角下，邊坡的位移均出現(xiàn)了明顯增大，但傾角越大，邊坡的位移下降越小。當(dāng)荷載加到4.5kN時(shí)，傾角為15°時(shí)的錨桿邊坡位移為37mm，傾角為10°時(shí)的錨桿邊坡位移為42mm，而傾角為0°時(shí)的錨桿邊坡位移達(dá)到了48mm。

圖2 不同錨桿傾角下邊坡的荷載沉降曲線

4 數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

文章數(shù)值模型采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行分析，建模的尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致，采用二維有限元方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨桿和室內(nèi)土顆粒的各種特性，錨桿采用彈性模型，使用梁?jiǎn)卧糜诮！＿吔缭O(shè)置為左右兩端采用水平約束，頂部自由表面，土體采用彈塑性模型。網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，土本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型硬化模型。圖3為邊坡數(shù)值模型，表1為本次數(shù)值計(jì)算參數(shù)。

表1 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

圖3 邊坡數(shù)值模型

圖4給出了數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果對(duì)比。由圖4可知，數(shù)值模型同室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律相似，隨著邊坡頂部荷載的增加，坡體位移均出現(xiàn)了明顯下降，此外錨桿傾角越大，邊坡的位移下降越小。但有限元模型的位移值比實(shí)驗(yàn)值小10%～30%，這可能是由于在坡頂放置了額外的鐵板重量，以確保液壓千斤頂向坡頂均勻分布荷載造成的，但總體上趨勢(shì)一致，證明此次建立的數(shù)值模型可用于下一步分析。

圖4 數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果對(duì)比

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

為探究邊坡加固前與加固后的變形范圍和穩(wěn)定性，文章采用強(qiáng)度折減法。

圖5給出了錨桿傾角為15°的加固前后邊坡位移云圖。由圖5可知，加固前邊坡的變形范圍明顯大于加固后的邊坡，其中前者變形延伸至邊坡平臺(tái)，而后者的滑動(dòng)面在坡腳處，滑坡體積小于前者。此外，根據(jù)強(qiáng)度折減法分析的結(jié)果，加固前邊坡安全系數(shù)為1.21，加固后強(qiáng)度增至1.56，提高了0.35。出現(xiàn)這一增強(qiáng)現(xiàn)象，是由于當(dāng)坡體發(fā)生相對(duì)變形的位移趨勢(shì)時(shí)，錨固體周邊會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中抵抗這種坡體變形趨勢(shì)。而由于坡體與錨固體在壓力注漿情況下實(shí)現(xiàn)了“一體化”，故最終使坡體與錨固體共同抵抗坡體的變形趨勢(shì)，錨固體的存在極大地緩解了坡體的不穩(wěn)定性，即提高了坡體的穩(wěn)定度。

圖5 錨桿傾角為15°加固前后邊坡位移云圖

4.3 錨桿數(shù)量對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

圖6給出了不同數(shù)量錨桿加固后邊坡安全系數(shù)變化情況。由圖6可知，隨著錨桿數(shù)量的增加，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，但二者屬于非線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)錨桿數(shù)量小于7根時(shí)，邊坡安全系數(shù)與錨桿數(shù)量之間幾乎成線性增長(zhǎng)關(guān)系，其中當(dāng)錨桿傾角為0°時(shí)，錨桿數(shù)量由1增至7根時(shí)，安全系數(shù)由1.35增至1.63；當(dāng)錨桿傾角為10°時(shí)，安全系數(shù)由1.45增至1.76；當(dāng)錨桿傾角為15°時(shí)，安全系數(shù)由1.51增至1.85。然而，當(dāng)錨桿數(shù)量由7增至9根時(shí)，對(duì)于0°和10°錨桿加固邊坡而言，安全系數(shù)并未發(fā)生明顯變化。因此可以得出，錨桿的數(shù)量并非越多越好，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)存在最優(yōu)數(shù)量值，這一值能夠使得邊坡安全系數(shù)最大且經(jīng)濟(jì)效益最高。

圖6 不同數(shù)量錨桿加固后邊坡安全系數(shù)變化

5 結(jié)語

錨桿是巖土體加固的桿件體系結(jié)構(gòu)，通過錨桿桿體的縱向拉力作用，能夠克服巖土體抗拉能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓能力的缺點(diǎn)。文章采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)上冶水庫壩體邊坡的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析得出，在錨桿與土體界面采用灌漿處理能夠提高邊坡抗變形能力。此外，增加錨桿與水平面的傾角，能夠降低邊坡的側(cè)向位移，但錨桿數(shù)量與安全系數(shù)之間呈先增長(zhǎng)后不變的趨勢(shì)。因此在實(shí)際工程中可以增加錨桿傾角和錨桿與巖土之間的黏結(jié)強(qiáng)度來提高邊坡穩(wěn)定性，但應(yīng)適當(dāng)控制錨桿的數(shù)量，使得邊坡安全系數(shù)最大且經(jīng)濟(jì)效益最高。