清水縣隴東農村供水旺興水源保障工程取水樞紐溜砂坡支護結構穩定性分析

黃建軍

(清水縣城鄉供水工程管理站，甘肅 清水 741400)

1 概 述

受寒凍風化與地震作用，溜砂坡廣泛分布于西部地區，由于其穩定性較差，常常對工程運行造成危害。目前，許多學者對溜砂坡開展了研究。馬利偉等[1]從溜砂滾石的運動方程出發，分析了溜砂碰撞與不碰撞兩種形式。研究結果表明，擋墻高度越高，溜砂水平運動越遠，坡面越長，溜砂水平運動增量會減小。卜祥航等[2]設置5組級配溜砂，研究了溜砂坡抗剪強度與其余因素的關聯，最后通過回歸分析，得出溜砂坡抗剪強度與顆粒渾圓度、曲率系數、不均勻系數成正比，與細顆粒含量成反比。張軍等[3]采用PFC2D軟件，模擬溜砂坡累進破壞與失穩的過程，針對其位移變化及破壞特征，提出了“鋼花管注漿 + 框架型防護網”的支護方案。葉唐進等[4]將3%與13%設為溜砂坡顆粒散狀、團狀和流體狀的界限，并分別采用PFC、FLAC和Geo-Studio軟件，模擬不同狀態下的溜砂坡運動狀態，研究結果表明溜砂坡安全系數隨含水率增大而減小。以上研究主要針對溜砂坡的形成機制以及失穩破壞方式進行的，還有學者提出了溜砂坡治理方案，但都沒有分析支護結構的穩定性。

本文以清水縣隴東農村供水旺興水源保障工程取水樞紐岸邊溜砂坡為實例，提出“鋼管樁+土釘”的組合支護結構，采用Flac3d軟件，從溜砂坡位移與結構受力的角度，分析該支護方案的有效性與穩定性。

2 工程概況

清水縣隴東農村供水旺興水源保障工程受益范圍為隴東鎮和山門鎮2鎮、8個行政村、18個自然村888戶4 047人。工程在澗溝河新建水源工程1處，以地埋式箱式截流壩方式截取澗溝地表水和淺層地下水。新建地埋式箱式截流壩長23.8m，箱式壩設計為鋼筋砼箱式集水截流壩，截流壩壩頂與最低河床面持平，高程為1 495.0m，不抬高河床，不影響河道行洪。其中，箱體部分長13.8m、高6m、寬6.5m，分設3個儲水箱體，儲水總容積300m3。截水墻設計為C20砼結構，厚0.5 m，左右長10m，壩上游設5級砂礫石濾水體，壩體設棕絲濾網一道，棕絲濾網夾石英砂一道。最左側箱體之上設檢查孔，安裝1臺潛水泵，引水流量15m3/h。埋設PE DN90mm輸水管道100m，管道埋深不小于1.2m。

3 溜砂坡治理措施

該溜砂坡位于截流壩右岸，斷面形式見圖1。自上而下分別為巖屑層和砂質泥巖，組成成分物理力學參數見表1。該溜砂坡坡頂長30m，坡底長110m，溜砂坡自然坡角為30°。圖1中陰影部分為開挖區域，該溜砂坡擬分三級開挖，開挖坡率為1：1。鑒于傳統加固方式的缺陷，結合溜砂坡自身特性，采用“鋼管樁+土釘+防護網”的支護結構。其中，鋼管樁設在坡腳，抵抗剩余下滑力；坡面設置土釘和防護網，防止坡面發生滑動垮塌。

圖1 溜砂坡示意圖

表1 溜砂坡組成成分物理力學參數表

4 數值模擬

4.1 模型建立

采用Ansys軟件對溜砂坡進行實體建模，用六面體網格進行網格劃分，最后導入Flac3d生成計算模型。模型見圖2，共計29 800個單元、30 200個節點，模型底面全約束，側面為法向約束。

圖2 數值模擬模型圖

4.2 模型選擇及參數取值

采用Flac3d中的pile單元模擬鋼管樁，用line單元模擬防護網，用cable單元模擬土釘。其中，防護網彈性模量1.8×1011Pa，法向剛度與切向剛度為7.0×108N/m3，厚度為5mm，泊松比為0.19。微型鋼管樁直徑為320mm，彈性模量為7.5×1010Pa，法向剛度與切向剛度為2.6×1011N/m3。土釘物理力學參數見表2。

表2 土釘物理力學參數

4.3 計算結果與分析

4.3.1 溜砂坡穩定性分析

圖3為溜砂坡開挖后的邊坡水平位移云圖。從圖3中可知，坡體水平位移主要出現在坡頂及坡面。其中，一級邊坡處的水平位移最大，坡頂有10mm的位移，坡面有反向的9mm位移；二、三級邊坡水平位移逐漸減小，數值約為4～6mm。圖4為溜砂坡開挖后豎向位移云圖。其中，一、二級邊坡坡頂出現較大豎向位移，數值約為39和45mm；二級邊坡坡面豎向位移較大，數值約為25mm。

圖3 溜砂坡水平位移圖

綜合溜砂坡的水平位移和豎向位移來看，坡體整體豎向位移較大，水平位移較小，這與溜砂坡顆粒性質有關，顆粒之間基本沒有黏聚力，造成巖屑層容易出現向下的滑動破壞。從圖4中可以看出，溜砂坡在開挖后將會出現貫通的破壞面，可見溜砂坡開挖后穩定性較差，極易在巖屑層發生滑動破壞，需要采取支護措施。

圖4 溜砂坡豎向位移圖

根據實際工程經驗以及溜砂坡位移特征，采用“鋼管樁+土釘+防護網”的支護結構進行加固。圖5為溜砂坡加固后的位移云圖。可以看出，溜砂坡整體位移得到有效控制，最大位移從45mm減小至5.7mm，破壞面沒有貫通，邊坡安全系數為1.38，該溜砂坡位移與安全系數均滿足工程安全要求。

圖5 溜砂坡整體位移圖

由于坡面及坡頂處位移較大，因此在每一級邊坡坡頂及坡面處設置監測點。圖6為溜砂坡坡面位移折線圖。由圖6可知，邊坡坡面位移呈現出先緩慢增加后加速增加最后收斂至一定值的規律。從坡面收斂位移值來看，二級邊坡坡面位移最大，約為3.8mm；三級邊坡次之，約為3.1mm；一級邊坡坡面位移最小，僅為1.6mm。在實際工程中，針對二級邊坡坡腳及坡面位移較大的特點，可以適當增加土釘和鋼管樁強度，以防止坡腳發生位移破壞，導致溜砂坡失穩。

圖6 溜砂坡坡面位移圖

為進一步探究數值模擬的可行性，采用全站儀對二級邊坡坡腳位移進行監測，監測點位移與數值模擬結果對比見圖7。由圖7可知，二級邊坡坡腳位移的實際監測結果與數值模擬結果均呈現先快速增加后緩慢減速，最后收斂至5.7mm左右，兩者之間誤差小于5%。產生誤差的原因主要是因為模型具有一定的局限性，且監測數據存在一定的偶然性，總體誤差在可接受范圍之內，驗證了本文數值模擬的有效性。

圖7 二級邊坡坡腳位移對比圖

4.3.2 支護措施受力分析

圖8為土釘受力云圖。可以看出，二、三級邊坡土釘受力均較小，只有一級邊坡底部土釘受力較大，數值約為3×103kN/m2，而實際土釘極限承載受力為2.4×108kN/m2，因此可認為土釘的材料選擇是合理的。圖9為防護網受力圖。由圖9可知，防護網受力主要集中在邊坡底部，最大應力約4.3×105kN/m2，小于防護網極限承載應力2.5×106kN/m2，在工程允許范圍內。而造成坡腳處防護網應力較大的原因主要是坡腳應力集中的原因。

圖8 土釘受力圖

圖9 防護網受力圖

圖10為微型鋼管樁受力圖。由圖10可知，鋼管樁受力較小，主要集中在二級邊坡坡腳，這一結論與前文坡腳處出現較大位移現象相吻合。針對此現象，實際工程中可在二級邊坡坡腳處增加微型鋼管樁密度，或選擇更高強度的鋼管，以保持結構的穩定。

圖10 鋼管樁受力圖

5 結 論

本文以清水縣隴東農村供水旺興水源保障工程取水樞紐溜砂坡為研究對象，通過Flac3d數值模擬軟件，采用“鋼管樁+土釘+防護網”的支護措施加固溜砂坡，并通過分析溜砂坡穩定性、支護結構受力，驗證支護措施的有效性。結論如下：

1)采用“鋼管樁+土釘+防護網”可有效約束溜砂坡位移，限制貫通面的產生，最大位移僅為5.7mm，滿足工程安全要求。

2)二級邊坡坡腳處位移均較大，呈現先快速增加后緩慢收斂的規律。與實際監測數據進行對比，誤差小于5%，驗證了本文數值模擬的有效性。

3)鋼管樁、土釘以及防護網的結構受力均在工程安全允許范圍內，位于二級邊坡坡腳的結構受力較大，可適當增加鋼管樁密度，提高土釘強度，以保持支護結構的穩定性。