馮樹(shù)榮，蔣中明，秦衛(wèi)星，趙紅敏，蔡昌光

(1.中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410014;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004)

大型巖質(zhì)高邊坡工程中，預(yù)應(yīng)力錨索幾乎是不可或缺的治理措施之一［1］。為研究錨索及抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究［2］。趙青對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁中的預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行了計(jì)算，為邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析提供了參考［3］。戴自航根據(jù)一些抗滑樁模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試樁實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)滑坡體巖土體性質(zhì)不同，推導(dǎo)了相應(yīng)的滑坡推力和土體抗力分布函數(shù)，為抗滑樁內(nèi)力的進(jìn)一步求解提供借鑒［4］，此外，他還研究了預(yù)應(yīng)力錨固抗滑樁內(nèi)力計(jì)算有限差分法［5］。在數(shù)值方法中，抗滑樁的處理方式有兩種，一種是將抗滑樁處理成桿件單元，如FLAC3D軟件中的Pile單元。另一種是將抗滑樁按實(shí)體單元處理。對(duì)于大截面尺寸抗滑樁(如3.0m×5.0m)，采用基于桿件受力特性分析的Pile單元不能完全反映大截面尺寸樁的實(shí)際受力狀態(tài)［6～7］，因此抗滑樁采用實(shí)體單元更合理。

預(yù)應(yīng)力錨索模擬方式主要有桿單元和抗剪強(qiáng)度等效兩種方法［8～11］。采用提高抗剪強(qiáng)度參數(shù)模擬錨索加固效應(yīng)的方法較為粗糙，而在三維有限元方法中采用桿單元模擬系統(tǒng)錨桿和錨索，其計(jì)算工作量太大，有時(shí)甚至不收斂，給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)困難?；谟邢拮冃畏治龅腇LAC3D軟件可以較好解決錨桿錨索的逐一模擬問(wèn)題，其建模方法簡(jiǎn)單，計(jì)算效率較高［7］。

對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的巖體邊坡來(lái)說(shuō)，由于巖體受各種結(jié)構(gòu)面切割作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間差異化受力特點(diǎn)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件多呈現(xiàn)受力復(fù)雜多變性，如何全面評(píng)估考慮空間效應(yīng)條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的安全性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)空間受力差異性條件下邊坡的穩(wěn)定性顯得尤為需要。王根龍等［12］提出了考慮層間錯(cuò)動(dòng)的順層巖質(zhì)邊坡極限分析上限法，為順層巖體邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新途徑。唐良琴等［13］采用塊體分析法研究了地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)面組合等相互影響條件下金川水電站進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性，但穩(wěn)定性分析沒(méi)有考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。為此，本文擬結(jié)合江坪河水電站進(jìn)水口順層巖體邊坡支護(hù)系統(tǒng)的受力特性分析，研究巖體順層地質(zhì)構(gòu)成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)空間受力特性的影響以及邊坡在支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下的穩(wěn)定性。

1 工程概述

江坪河水電站樞紐進(jìn)水口邊坡分布為薄—中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r中順層溶蝕、溶濾嚴(yán)重，存在溶蝕、溶濾垮塌堆積層，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀，出露于邊坡的中上部。進(jìn)水口邊坡被F1、F11、F331、層間錯(cuò)動(dòng)以及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)切割，構(gòu)成了順坡向潛在滑動(dòng)組合體。

進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖高度80.2m，分6級(jí)開(kāi)挖;進(jìn)水口平臺(tái)后為鉛直坡，高度26.2m，第二級(jí)坡坡率1:0.25;第三級(jí)以上坡率為1:0.75。根據(jù)極限平衡分析的研究成果，進(jìn)水口邊坡在開(kāi)挖和運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性較差，不能滿足邊坡安全穩(wěn)定的需要，設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)水口邊坡采取了錨索和抗滑樁的綜合處置方案。每級(jí)邊坡中布置2～3排長(zhǎng)45.0m， 2000kN預(yù)應(yīng)力錨索(第一批)，間、排距6.0m。403.8m高程平臺(tái)以下邊坡布置 2000kN無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(第三批)，間距7m;平臺(tái)外側(cè)布置2排15根3.0m×5.0m，長(zhǎng)度為42.0～57.0m的抗滑樁。

圖1 進(jìn)水口邊坡平面布置圖Fig．1 Layout of the slope in intake

圖2 ①引水洞軸線地質(zhì)剖面圖Fig．2 Geological profile alone axial line of ①

截止2009年2月，預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測(cè)成果顯示，在進(jìn)水口平臺(tái)以上的邊坡開(kāi)挖完成后，抗滑樁施工之前，邊坡中部分預(yù)應(yīng)力錨索軸力出現(xiàn)大幅度增加，其中分布于①號(hào)引水洞軸線剖面460.0m和445.0m高程平臺(tái)的預(yù)應(yīng)力錨索軸力實(shí)測(cè)分別達(dá)到 2388kN和 2552kN，超過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)噸位。為此，工程對(duì)進(jìn)水口平臺(tái)后邊坡增加了第二批4排共計(jì)34根 2000 kN預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。考慮到邊坡地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及進(jìn)水口平臺(tái)在運(yùn)行期承受的荷載將對(duì)403.8m平臺(tái)以下邊坡預(yù)應(yīng)力錨索及抗滑樁產(chǎn)生較大的作用力，為防止進(jìn)水口邊坡和支護(hù)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期出現(xiàn)不安全狀態(tài)，采用三維數(shù)值分析方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行全面分析評(píng)價(jià)，為邊坡加固措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型

江坪河進(jìn)水口巖體邊坡計(jì)算區(qū)內(nèi)斷層及結(jié)構(gòu)面分布較多，建模時(shí)對(duì)規(guī)模較大的斷層F1，F(xiàn)11，F(xiàn)331以及泥化夾層fn25，fn13和fn23等軟弱結(jié)構(gòu)面按實(shí)體單元建模進(jìn)行模擬。開(kāi)挖前計(jì)算模型單元數(shù)為 275571個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 57578個(gè);開(kāi)挖后單元數(shù) 272928個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù) 56148個(gè)。預(yù)應(yīng)力錨索單元 1955個(gè)，節(jié)點(diǎn) 2122個(gè)?？够瑯断到y(tǒng)實(shí)體單元數(shù) 6815個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù) 10427個(gè)。圖3為進(jìn)水口邊坡三維網(wǎng)格和預(yù)應(yīng)力錨索單元，圖4為抗滑樁三維網(wǎng)格圖。

圖3 邊坡開(kāi)挖后的三維網(wǎng)格(局部)及錨索分布Fig．3 Grid and cable distribution of the excavated slope

2.2 力學(xué)模型及計(jì)算參數(shù)

本構(gòu)模型:邊坡巖體、斷層和泥化夾層等實(shí)體單元均采用摩爾庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型，抗滑樁和錨索采用線彈性材料本構(gòu)模型，抗滑樁和巖體之間設(shè)置接觸面單元。

計(jì)算參數(shù)選取:根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議值，結(jié)合邊坡變形及錨索軸力的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行反分析后，確定的相關(guān)力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖4 抗滑樁三維網(wǎng)格Fig． 4 3D grid of an anti-slide pile

表1 巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算采用值表Table 1 Calculation parameters for rock mass

表2 砼和錨索力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters for the concrete and cable

2.3 計(jì)算工況

施工期:403.8m平臺(tái)以上邊坡開(kāi)挖→加第一批錨索→加第二批錨索→加第三批錨索和抗滑樁→進(jìn)水塔施工。數(shù)值計(jì)算時(shí)，上述過(guò)程分別進(jìn)行計(jì)算模擬，即前一施工步驟計(jì)算達(dá)到平衡后，再進(jìn)行下一步的施工過(guò)程模擬。

運(yùn)行期:正常蓄水位(470.0m)、水位驟降(470.0m降到427.00m)以及地震(地震烈度為Ⅵ，水平加速度0.05g)。

3 錨索軸力空間分布分析

①號(hào)引水洞剖面邊坡的4級(jí)坡中分別布置了4只預(yù)應(yīng)力錨索測(cè)力計(jì)(圖2)?？紤]到施工過(guò)程中邊坡坡體后期變形將引起預(yù)應(yīng)力錨索軸力的逐步增加，因此在錨索施工時(shí)，鎖定張拉軸力一般較設(shè)計(jì)軸力小。實(shí)際施工時(shí)，由于種種原因，安裝了測(cè)力計(jì)的不同預(yù)應(yīng)力錨索之間的張拉鎖定噸位略有不同，總體上按設(shè)計(jì)噸位 2000kN的80% ～90%( 1800～ 1900kN)控制。

圖5為邊坡預(yù)應(yīng)力錨索軸力在施工期間的實(shí)測(cè)變化過(guò)程。由圖5可知，由于預(yù)應(yīng)力錨索施工時(shí)間上存在的差異性，導(dǎo)致了邊坡中不同位置預(yù)應(yīng)力錨索的軸力變化也不相同。總體上邊坡上部臺(tái)階中的預(yù)應(yīng)力錨索由于施工時(shí)間早，后期邊坡下部巖體開(kāi)挖將引起上部巖體繼續(xù)產(chǎn)生卸荷變形，從而導(dǎo)致邊坡上部巖體中的預(yù)應(yīng)力錨索(DP1-1和DP1-2)的錨索軸力在后期出現(xiàn)較大的增加幅度。而位于進(jìn)水口平臺(tái)直立坡中的預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡巖體開(kāi)挖完成后才進(jìn)行安裝施工的，此時(shí)邊坡變形絕大部分已經(jīng)完成，故該部位錨索軸力值變化不大。

圖5 錨索軸力過(guò)程線Fig．5 Axial force of the pre-stressed cable vs time

錨索測(cè)力計(jì)(DP1-1和 DP1-2)顯示，位于465.0m高程和445.0m高程平臺(tái)上的錨索軸力在2008年10月25日后出現(xiàn)短期大幅度的增加，隨后軸力變化趨于平穩(wěn)。此間，進(jìn)水口所在地區(qū)發(fā)生了一次較大的降雨過(guò)程，錨索軸力的突然增加估計(jì)與此有關(guān)?？紤]到這一影響因素，對(duì)于泥化夾層結(jié)構(gòu)面采用浸水軟化后的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

為了全面分析后期施工對(duì)邊坡變形及穩(wěn)定性的影響，采用基于位移及錨索軸力實(shí)測(cè)值的反演分析法獲得的巖體力學(xué)參數(shù)，對(duì)邊坡及相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行了分析。表3為預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比情況。由表3可知，三維數(shù)值計(jì)算得到的進(jìn)水口平臺(tái)開(kāi)挖完成后，抗滑樁施工前的預(yù)應(yīng)力錨索軸力分布與實(shí)測(cè)值吻合程度良好，表明采用的分析方法完全可以反映邊坡及錨索施工期的受力性態(tài)。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行邊坡后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析是合理可行的。

表3 錨索軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(kN)Table 3 Measured and calculated data of the axial force of the pre-stress cable(kN)

表4給出了在進(jìn)水口施工完成后、蓄水前的增加的第二批34根預(yù)應(yīng)力錨索軸力值。表中第1排高程為463.75m，第2排高程為454.75m，第3排高程為450.25m，第4排高程為440.5m。由于新增的預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度達(dá)60m，且穿越了 F1，F(xiàn)11，F(xiàn)331斷層，因此預(yù)應(yīng)力錨索軸力總體上都有較大幅度的增加，且進(jìn)水口邊坡上部和靠近①號(hào)引水洞附近巖體中預(yù)應(yīng)力錨索軸力明顯大于其它部位的錨索軸力值。450.25m高程靠山體內(nèi)側(cè)的第一根預(yù)應(yīng)力錨索軸力值最大，達(dá)到 2581.5kN，超過(guò)設(shè)計(jì)值( 2000kN)的29%。

表4 第二批預(yù)應(yīng)力錨索軸力(kN)Table 4 Axial force of the second pre-stress cable(kN)

403.8m高程平臺(tái)以下預(yù)應(yīng)力錨索軸力普遍較小，基本上都小于 2000kN。由于本次方案中，抗滑樁樁頂與厚度4.0m的進(jìn)水塔底板連成一個(gè)整體，大大增加了抗滑樁的抗變形能力，因而限制了進(jìn)水口平臺(tái)以下坡體的變形，因此403.8m高程平臺(tái)以下預(yù)應(yīng)力錨索軸力在開(kāi)挖卸荷和進(jìn)水塔自重作用下軸力只是略有增加，但增加幅度較小。

在運(yùn)行期，邊坡預(yù)應(yīng)力錨索軸力值在庫(kù)水位、水位驟降以及地震作用下，預(yù)應(yīng)力錨索的軸力大小分布規(guī)律與蓄水前基本相同，但錨索軸力值在枯水壓力作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的增減。

正常蓄水情況下，445m高程以下的第一批錨索軸力較蓄水前降低，邊坡中部分錨索產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。445m高程以上第一批錨索和第二批錨索的軸力則有所增加。水下部分預(yù)應(yīng)力錨索軸力的降低，表明蓄水有助于有效控制坡面向臨空方向的變形，增加邊坡的穩(wěn)定性。受地下水壓力和坡面水壓力的作用，403.8m高程以下錨索軸力與蓄水前相比有增有減。

水位驟降時(shí)，邊坡中預(yù)應(yīng)力錨索軸力較正常蓄水情況稍大。地震情況下，錨索軸力均有較大幅度的增加，其中第二批錨索軸力最大值增加幅度最大，達(dá)到 2733.8kN，其原因是水位驟降和地震引起的邊坡推力加大導(dǎo)致錨索軸力的增加。

表5 錨索軸力最大值(kN)Table 5 The maximum value of the axial force of the cable(kN)

4 抗滑樁內(nèi)力分析

數(shù)值計(jì)算一般只能得到單元的應(yīng)力，不能直接獲得設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)分析所需的內(nèi)力。因此，數(shù)值計(jì)算得到的應(yīng)力成果需要按材料力學(xué)方法對(duì)抗滑樁截面上的應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為此，利用FISH語(yǔ)言編寫(xiě)了抗滑樁計(jì)算指定截面的剪力、軸力與彎矩轉(zhuǎn)化程序，為抗滑樁的內(nèi)力分析提供基礎(chǔ)。

圖6為進(jìn)水口平臺(tái)抗滑樁分布示意及編號(hào)圖。圖7～圖9為部分樁在正常蓄水工況下的內(nèi)力分布圖。圖中軸力符號(hào):拉正壓負(fù)?？够瑯侗卉浫踅Y(jié)構(gòu)面fn13、fn23分割成的上、中、下三部分巖體和樁頂板的共同約束，不同位置抗滑樁的軸力變化并不一致，其中大部樁在正常蓄水工況下承受壓力，少量樁ZA1、ZB1、ZB3同時(shí)承受拉力和壓力作用。前后兩排樁身水平X和Y方向的彎矩在fn13、fn23泥化夾層附近出現(xiàn)明顯交替變化的特征，甚至出現(xiàn)反彎點(diǎn)(ZA1、ZB1、ZB3)，表明樁身同一側(cè)在不同高程位置出現(xiàn)拉壓交替現(xiàn)象，樁身混凝土表現(xiàn)為雙偏心受壓(拉)特點(diǎn)。抗滑樁剪力分布在結(jié)構(gòu)面附近也出現(xiàn)劇烈交替變化(圖9)，且極值都出現(xiàn)在泥化夾層處所在位置。由此可見(jiàn)，巖體結(jié)構(gòu)組成形式對(duì)樁的內(nèi)力分布形式的影響起決定性作用。

圖6 抗滑樁編號(hào)Fig．6 The number of the anti-slide pile

表6為不同工況下的抗滑樁彎矩值對(duì)比表。水位驟降和地震情況下，抗滑樁的軸力、彎矩和剪力分布與正常蓄水時(shí)相比，總體上相同，但軸力、剪力和彎矩值有所增加。水位驟降和地震情況下樁彎矩值大于正常蓄水情況下的彎矩值，表明水位驟降和地震引起邊坡推力增大，邊坡安全性降低，抗滑樁危險(xiǎn)性增加。

圖7 樁身軸力圖Fig．7 Distribution of the axial force in piles

圖8 樁身彎矩圖Fig．8 Distribution of the moment in piles

圖9 ZA3樁剪力分布圖Fig．9 Distribution of the shear force in pile ZA3

表6 抗滑樁彎矩最大值對(duì)比表 (kN·m)Table 6 The maximum moments of the anti-slide pile(kN·m)

5 邊坡穩(wěn)定性分析

三維數(shù)值分析條件下邊坡穩(wěn)定性的判斷，可以采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。表7給出了考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的邊坡強(qiáng)度折減安全系數(shù)。由于抗滑樁及錨索支護(hù)作用，進(jìn)水口施工完成后安全系數(shù)為1.431，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。水庫(kù)蓄水后，在進(jìn)水口庫(kù)水壓力作用下，穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)一定程度的提高，表明水庫(kù)蓄水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性有利，但水位驟降和地震情況下邊坡穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)較大幅度的降低。

表7 邊坡強(qiáng)度折減穩(wěn)定系數(shù)Table 7 Stability factors for shear strength reduction

6 結(jié)論

(1)邊坡支護(hù)系統(tǒng)的受力狀態(tài)與邊坡變形相協(xié)調(diào)，支護(hù)系統(tǒng)受力狀態(tài)取決于與邊坡巖體之間的相互作用程度。

(2)邊坡中斷層和順層泥化夾層空間分布形態(tài)對(duì)抗滑樁彎矩和剪力以及錨索軸力分布有至關(guān)重要的影響，導(dǎo)致抗滑樁和錨索受力性態(tài)更加復(fù)雜。

(3)錨索及抗滑樁構(gòu)建的逐個(gè)模擬方法可以精確定位分析每一根錨索和抗滑樁的內(nèi)力大小及分布，為支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全評(píng)價(jià)和區(qū)別化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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