萬里水庫庫岸荷載邊坡塌方與微型樁支護措施研究

張乾坤

（1.澤州縣水務局,山西 澤州 048000； 2.澤州縣水利發(fā)展中心,山西 澤州 048000）

0 前言

目前邊坡支護施工經驗較為豐富,支護效果滿足要求,為了進一步研究邊坡支護的效果,學者們進行了深入研究,張振海[1]通過經濟、美觀、邊坡穩(wěn)定性對邊坡的支護方案進行了研究,此研究方法可為現階段邊坡支護方案進行補充和參考。劉瓊等[2]分析有關區(qū)間屬性值與區(qū)間數權向量的關聯度,以此對邊坡的支護方案進行優(yōu)選,對支護方案效果進行了評價。董建華等[3]對凍土區(qū)邊坡土釘支護的效果進行了研究,研究結果表明耦合計算土釘的受力是合理的,此研究方法可為土釘支護設計提供參考。桑偉寧等[4]對原千枚巖地區(qū)高邊坡開挖中設計采用預應力錨索+抗滑樁進行支護,此方案達到了良好的支護效果。張東[5]對某高速邊坡的水平位移、豎向位移和安全系數進行了研究,研究結果表明在暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性會逐漸降低,滑動面會慢慢生成,可考慮采用柔性材料進行邊坡支護。

然而以上的研究主要是考慮常規(guī)邊坡的穩(wěn)定性,而對于有外加荷載的邊坡沒有考慮到,因此本文結合一外荷載邊坡,且此邊坡坡腳處已發(fā)生了微小位移（裂縫）,采用微型樁+錨桿進行支護,利用MIDAS GTS數值模擬軟件對外荷載邊坡的沉降和位移、穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

萬里水庫位于山西省澤州縣下村鎮(zhèn)萬里村西北的長河支流上,屬于黃河流域,壩址以上控制流域面積7.23 km2,大壩為均質土壩,最大壩高15.2 m,總庫容51萬m3,是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫。流域內水土流失嚴重,土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主,平均侵蝕模數為3900 t/（km2·a）。庫岸坡頂處建有一座管理房屋,因水土流失導致房屋略有傾斜,經觀察在坡腳發(fā)現裂縫,邊坡有塌方跡象。

2 工程地質

該邊坡位于山西省萬里水庫,見圖1,邊坡高68 m,長138 m。此邊坡坡頂處建有一座房屋,房屋略有傾斜,經觀察在坡腳A點處發(fā)現裂縫。結合現場勘察情況可知,邊坡從上至下依次由風化土、風化巖和硬巖組成。巖土體的物理力學參數見表1。

圖1 坡體支護措施圖（尺寸單位：m）

表1 巖土體物理力學參數

因為坡腳A處已出現明顯裂縫,須緊急對邊坡進行防護,即對A點處進行灌漿處理,坡體支護措施選擇微型樁,樁截面面積為0.0314 m2,彈性模量800 MPa,泊松比為0.32,經試算,數值模擬中微型樁接觸面法向剛度和切向剛度均為1×104MPa,樁長為16 m；微型樁進行支護后隨即進行錨桿的支護,錨桿共計布置7根,縱向間距為3 m,錨桿長度為8 m,錨桿與水平面夾角為13°；待錨桿布置完成以后于坡面噴砼,砼為C10,厚度為0.15 m。

3 數值模擬

3.1 模型的參數

利用MIDAS數值模擬軟件對此邊坡進行數值模擬研究,研究的重點是在暴雨工況下邊坡的支護措施是否有效,裂縫是否得到了有效的控制。因為本文的研究重點在于微型樁組合結構的支護效果,所以暫不考慮土拱效應[6-9]。

房屋的重量約為5噸,數值模擬中將房屋等效為均布荷載,經過室內實驗可知,數值模擬中將房屋等效為2×104kN/m,錨桿的彈性模型為2.19×108kN/m2,泊松比為0.21,容重為76.1 kN/m3。數值模擬中為保證力傳遞的有效性,將風化土、風化巖和硬巖的尺寸劃分統一為1 m,錨桿以每2 m進行尺寸劃分、微型樁以每1.5 m進行尺寸劃分。

因為邊坡所在區(qū)域地震加速度為0.05g,所以暫不考慮地震的影響,于是最不利的工況應當是暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性問題了。數值模擬中暴雨工況取近15 年最大單日暴雨值,數值模擬中共計363326 個單元,427398 結點,數值模擬計算至邊坡穩(wěn)定時停止。

3.2 位移分析

數值模擬計算結束后,邊坡的整體位移和沉降位移X方向的位移見圖2～圖4。

圖2 邊坡的整體位移（單位：m）

圖4 邊坡的X方向位移（單位：m）

由圖2可知,邊坡95.9%的整體位移幾乎為0,僅0.5%的風化土位移接近3.8 mm,剩余風化巖位移不超過2 mm,滿足邊坡穩(wěn)定性的要求,說明微型樁+錨桿的支護形式是達到了保持邊坡穩(wěn)定的目的。

由圖3可知,邊坡93.3%的整體沉降也幾乎為0,最大風化巖沉降為1.8 mm,此部分風化巖僅占邊坡的0.8%,剩余風化巖沉降遠小于2 mm,說明沉降也控制在合理的范圍內。

圖3 邊坡的沉降位移（單位：m）

由圖4可知,邊坡88.4%的X方向位移也幾乎為0,最大風化巖X方向位移為2.9 mm,此部分風化巖僅占邊坡的0.1%,剩余風化巖X方向位移遠小于2.6 mm,說明X方向位移也控制在合理的范圍內。

由圖2～圖4可知,邊坡的整體位移、沉降位移和X方向位移均控制在工程允許的范圍內,且邊坡的位移主要集中于坡面,說明坡面是防護的重點,應當加強坡面的防護。

3.3 穩(wěn)定性分析

利用拆減系數法,對暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性進行分析,見圖5和圖6。

圖5 暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性

圖6 暴雨工況下邊坡的虛似滑面

因為邊坡所處區(qū)域近15 年沒發(fā)生過3.0 以上的地震,因此暫不考慮地震對邊坡的影響,而重點考慮暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性。如圖5 所示,邊坡的穩(wěn)定性為1.72,按照邊坡支護的規(guī)定,支護后的邊坡穩(wěn)定性須控制在1.3～1.6,此穩(wěn)定性系數達到要求的同時,甚至略微超過安全性系數,滿足工程穩(wěn)定性的要求。另一方面此坡體應力集中區(qū)依然位于坡面,但滑動面并沒有貫通,此結果與位移結果相對應。

利用MIDAS GTS進一步搜索最危險的滑動面,見圖6,邊坡的應力集中區(qū)位于錨桿支護區(qū),說明錨桿的布置位置是準確的,且經過驗算錨桿的長度也是符合要求的。說明微型樁+錨桿的組合結構支護形式是達到治理邊坡穩(wěn)定性的目的了。

3.4 邊坡防護

水庫防護林綠化工程可減緩風浪對岸邊的沖刷,起到保護堤岸的作用。因此在萬里水庫庫區(qū)周邊,根據“適地適樹”原則,圍繞庫區(qū)邊緣植物綠化帶,林帶總長2.0 km。靠近河岸綠化樹種選擇須根多、耐水能力強的柳樹,栽植3 行,株行距為3 m×3 m,整地規(guī)格0.6 m×0.6 m×0.6 m。共栽植柳樹2000 株,需苗2040 株。防止水庫周邊庫岸塌方,充分利用空間效果體現水庫防護林綠化的特色,達到綠化美化效果。

4 結論

結合外加荷載條件下坡腳位移增大的情況,本文的加固措施為微型樁+錨桿,通過MIDAS GTS數值模擬對此進行研究,研究結論如下：

（1）支護后邊坡的整體位移、沉降位移和X方向位移均控制在合理范圍內,不會產生裂縫或裂縫擴展的情況,滿足工程位移的要求。

（2）外加荷載邊坡在暴雨工況下,安全性系數為1.72,滿足工程穩(wěn)定性要求,達到了支護邊坡的目的。