錨墩式主動防護網(wǎng)及預應(yīng)力錨索庫岸邊坡加固效果對比分析

孫寧寧

（惠民縣城鄉(xiāng)水務(wù)發(fā)展服務(wù)中心,山東 惠民 251700）

1 引言

地震對邊坡的破壞主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是降低潛在滑動面的抗剪強度,二是地震的慣性力增大邊坡的下滑力[1-3]。吳國慶等[4]以賽百巖質(zhì)邊坡為例,將傳統(tǒng)路堤邊坡防護措施與SNS 柔性防護網(wǎng)進行對比,結(jié)果表明,SNS 柔性防護網(wǎng)具有安全系數(shù)大,施工簡單的特點；汪敏等[5]采用數(shù)字模擬方法,對主動防護網(wǎng)力學性能進行數(shù)值分析,計算得到了該防護網(wǎng)能有效提高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)；薛彥雨等[6]采用極限平衡法,對某巖質(zhì)邊坡的支護措施進行評價,并分析了天然工況,暴雨工況及地震工況下該支護措施的有效應(yīng),結(jié)果表明,該支護措施具有較好的支護效果；劉建華等[7]采用FLAC3d 數(shù)值模擬方法,對四川理縣某主動防護網(wǎng)邊坡進行評價,結(jié)果表明,該邊坡經(jīng)加固后,在地震作用下坡腳處發(fā)生了應(yīng)力集中,但整體上保持穩(wěn)定。劉少波等[8]采用MIDAS數(shù)值軟件對某邊坡支護結(jié)構(gòu)效果進行評價,結(jié)果表明,采用主動柔性防護網(wǎng)能有效提高邊坡穩(wěn)定性。唐秋元等[9]采用極限平衡法和強度折減法,對某巖質(zhì)邊坡支護設(shè)計中的錨桿軸向拉力進行計算,結(jié)果表明,強度折減法計算得到的錨桿拉力更符合實際結(jié)果。王壯等[10]采用FLAC3d 對不同組合方式下某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行研究,結(jié)果表明,采用“主動防護網(wǎng)+錨桿”相結(jié)合的方式,對邊坡穩(wěn)定性具有更好的加固效果。

以上研究多為對SNS 柔性防護網(wǎng)邊坡加固效果的分析。缺少對不同工況下錨墩式主動防護網(wǎng)邊坡的穩(wěn)定性評價。本文以某邊坡治理工程為例,采用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3d,對該邊坡在地震作用下的加固效果進行分析。

2 工程概況

某水庫是一座以灌溉為主，兼防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐由水庫大壩（1 座主壩、5 座副壩）、溢洪道、輸水涵（譚亭降副壩輸水涵和更深副壩輸水涵）等主要建筑物組成。水庫壩址以上設(shè)計控制集雨面積為15.00 km2。水庫在1957年冬興建,1958年建成,1963年完成和完善灌區(qū)渠道等配套工程,工程開始發(fā)揮效益。水庫邊坡因較陡峭,經(jīng)常發(fā)生崩落等線性,需要進行加固。經(jīng)勘探,邊坡主要巖性為厚約15.5 m 厚的碎石土,下層為厚約20 m 的中風化砂巖,經(jīng)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察及室內(nèi)巖土試驗,該邊坡其物理力學參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

邊坡支護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。

圖1 邊坡支護結(jié)構(gòu)剖面圖

3 邊坡加固穩(wěn)定性評價

3.1 數(shù)字分析結(jié)構(gòu)單元劃分

FLAC3d 廣泛應(yīng)用于巖土結(jié)構(gòu)工程分析,該軟件包括多種結(jié)構(gòu)單元。在建模方法上,cable 結(jié)構(gòu)以其不能承受彎矩,但能承受拉應(yīng)力的特點,常用于模擬錨索結(jié)構(gòu)單元。liner 單元可抵擋彎矩和面荷載,可作為襯砌單元。因此,本文采用cable 和liner 兩種基本單元,模擬錨墩式主動防護網(wǎng)支護結(jié)構(gòu),并將liner 單元與cable 單元設(shè)置為固定連接,以防止結(jié)構(gòu)相互脫離。

3.2 錨墩式主動防護網(wǎng)加固模型

圖2 為錨墩式主動防護網(wǎng)加固后的邊坡數(shù)值模型,該模型中,預應(yīng)力錨索長20 m,其中錨固段7 m,自由段13 m。錨索之間橫向及縱向間距均為4 m。錨索水泥砂漿外圈周長0.8 m,水泥砂漿剛度2×106Pa,水泥砂漿粘聚力8.5×105N/m。

圖2 調(diào)壓井計算及支護模型

4 邊坡加固后變形特征數(shù)值分析

4.1 水平位移變化分析

圖3 為天然工況下,錨墩式主動網(wǎng)加固后邊坡的水平位移。

圖3 錨墩式主動網(wǎng)及預應(yīng)力錨索加固后邊坡的水平位移云圖

由圖3（a）可以看出,該邊坡經(jīng)過錨墩式主動網(wǎng)加固后,位移范圍在1.8×10-3m~6.6×10-3m 之間。最大位移為6.6 mm,發(fā)生在一級邊坡坡腳處。該邊坡在坡面以下13 m~25 m 范圍內(nèi)形成一潛在滑動面,但由于位移整體較小,處于設(shè)計允許的位移范圍內(nèi),因此,該邊坡在采用錨墩式主動網(wǎng)加固后仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。從圖3（b）中可知,在采用預應(yīng)力錨索加固后,該邊坡位移范圍在1×10-3m~1.3×10-2m 之間,最大水平位移為13.1 mm。兩種方式加固后邊坡的變形特征基本相同,最大水平位移均出現(xiàn)在一級邊坡坡腳處。

如圖4 所示,采用錨墩式主動網(wǎng)加固后邊坡水平位移最大為6.6 mm,采用錨索加固后水平位移達到13 mm,且在邊坡全部范圍內(nèi),錨墩式主動網(wǎng)加固邊坡位移均小于錨索加固邊坡,說明錨墩式主動網(wǎng)加固方式效果更好。

圖4 錨墩式主動網(wǎng)及預應(yīng)力錨索加固后水平位移

4.2 總位移分析

如圖5（a）所示,錨墩式主動防護網(wǎng)加固邊坡總位移在1×10-3m~1.02×10-2m 之間,最大位移在坡頂處,位移值為10.2 mm,推測是由于坡頂處產(chǎn)生了拉應(yīng)力,導致坡頂處出現(xiàn)拉裂破壞面。坡腳處位移約1.4mm~1.8 mm,位移量較小,說明坡腳處較為穩(wěn)定,發(fā)生破壞的可能性較小。圖5（b）中,預應(yīng)力錨索加固后邊坡總位移2×10-3m~2.2×10-2m 之間,最大總位移同樣發(fā)生在坡頂處,位移值為21.8 mm,坡腳處位移量較少,約2 mm~6 mm。對比兩種條件下的加固效果可知,兩種條件下邊坡的潛在滑動面及最大位移分布范圍較為一致,但預應(yīng)力錨索加固后邊坡總位移稍大于錨墩式主動防護網(wǎng)邊坡總位移,說明錨墩式主動防護網(wǎng)對邊坡的加固作用更好。

圖5 錨墩式主動網(wǎng)及預應(yīng)力錨索加固后邊坡總位移云圖

4.3 剪應(yīng)變增量分析

圖6 為錨墩式主動網(wǎng)及預應(yīng)力錨索加固邊坡后剪應(yīng)變云圖,從圖（a）中可以看出,該邊坡在加固后剪應(yīng)變范圍在1×10-3m~1.4×10-2m 之間,邊坡內(nèi)未形成潛在的貫通滑動面,僅在坡腳處形成一剪切帶。圖（b）中,錨索加固后的剪應(yīng)變云圖與圖（a）類似,剪應(yīng)變范圍在2.5×10-3m~1.4×10-2m之間,稍大于錨索加固后的剪應(yīng)變,且未形成潛在滑動面。兩種加固下,邊坡僅在坡腳處產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變,但坡內(nèi)均未形成潛在滑動面,說明兩種加固方式下的邊坡均保持穩(wěn)定狀態(tài),不會發(fā)生大規(guī)模滑坡現(xiàn)象,但由于坡腳處存在較大剪應(yīng)力集中,可能在坡腳處發(fā)生小規(guī)模坍塌現(xiàn)象。因此,應(yīng)針對該部位進行局部加固,以確保工程安全。

圖6 錨墩式主動網(wǎng)及預應(yīng)力錨索加固后邊坡剪應(yīng)變云圖

5 結(jié)論

本文以水利工程邊坡為研究對象,采用FLAC3d 對該邊坡在預應(yīng)力錨索及錨墩式主動防護網(wǎng)的加固效果進行分析,主要結(jié)論如下：

（1）采用錨墩式主動防護網(wǎng)加固后,邊坡內(nèi)未形成潛在滑動面,最大水平位移發(fā)生在坡頂處,位移值為6.6 mm,最大總位移值為10.2 mm。

（2）采用預應(yīng)力錨索加固后，邊坡最大水平位移發(fā)生在三級邊坡坡面處，位移值為13.1 mm，最大總位移值為21.8 mm。

（3）兩種加固方式下邊坡內(nèi)部未形成潛在滑動面,水平位移及總位移均在工程設(shè)計允許范圍內(nèi),邊坡整體穩(wěn)定性較好。僅在坡腳處產(chǎn)生剪應(yīng)力集中,應(yīng)進行局部加固。研究結(jié)果對于邊坡防護設(shè)計具有一定的參考意義。