宛良朋 ，湯開宇，李建林，曹 毅，胡 靜

（1. 武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；2 三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 宜昌 443002）

1 引 言

李繼躍等[1]針對(duì)大崗山水電站右岸壩肩邊坡大規(guī)模失穩(wěn)塊體，采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、裂隙追蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，以多種加固方法相結(jié)合進(jìn)行綜合治理。劉杰等[2]運(yùn)用開挖卸荷理論對(duì)錨索長(zhǎng)度和錨固噸位，對(duì)大崗山壩肩邊坡的加固效果進(jìn)行了研究，認(rèn)為同比例增加錨固長(zhǎng)度的支護(hù)效果要優(yōu)于增加錨固噸位，并就地震工況采用了擬靜力法進(jìn)行模擬分析[3]。本文基于該結(jié)論對(duì)深部抗剪洞支護(hù)抗震效果進(jìn)行分析。馬克等[4]將實(shí)際微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與符合巖石類準(zhǔn)脆性材料本構(gòu)關(guān)系的 RFPA3D數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)抗剪洞加固前、后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。劉杰等[2]對(duì)大崗山壩肩邊坡淺層錨索支護(hù)的研究成果顯示，錨索支護(hù)對(duì)于抑止邊坡向臨空面變形的發(fā)展具有顯著作用，錨索越長(zhǎng)，錨固噸位越大，在開挖及地震的過(guò)程中向坡外的相對(duì)位移就越小。在同比例增加錨固長(zhǎng)度和錨固噸位時(shí)，前者效果要優(yōu)于后者。這是由于大崗山右岸壩肩邊坡的地質(zhì)特色造成的，右岸邊坡存在兩條主要的卸荷裂隙密集帶，即淺層卸荷裂隙密集帶 XL316-1和深層卸荷裂隙密集帶XL9-15兩條軟弱帶，理論上，只有錨索足夠長(zhǎng)，才能能起到良好的支護(hù)效果。為了研究抗剪洞的支護(hù)效果，故需在淺層錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行。

關(guān)于對(duì)大崗山壩肩邊坡加固效果進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較多，但未就淺層和深層支護(hù)進(jìn)行抗震效果的分析，本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡進(jìn)行了支護(hù)并評(píng)價(jià)。

2 卸荷理論及支護(hù)原理

2.1 卸荷條件

土木工程建設(shè)中的巖體一般是開挖巖體，巖體開挖的實(shí)質(zhì)是巖體地應(yīng)力釋放的過(guò)程，開挖巖體應(yīng)力的釋放導(dǎo)致巖體應(yīng)力的重新調(diào)整，使得巖體原始應(yīng)力場(chǎng)變化很大，某些地方可能還產(chǎn)生了拉應(yīng)力。

在大崗山壩肩右邊坡開挖過(guò)程中，形成了高陡人工邊坡，分析其穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)考慮巖體應(yīng)力釋放以及巖體力學(xué)參數(shù)的損傷劣化[5]。本文的錨索和抗剪洞支護(hù)都是在考慮了巖體的開挖卸荷作用的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。

2.2 錨索及抗剪洞支護(hù)作用機(jī)制

預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡的技術(shù)，現(xiàn)已日趨成熟。作為一種主動(dòng)式的加固方法，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于破碎巖質(zhì)邊坡的加固工程中。錨固主要有兩種作用，對(duì)圍巖體表面提供反力以約束巖體向臨空方向的變形和使巖體一體化的加面作用，提高巖體的整體穩(wěn)定性[6]。

抗剪洞的作用在于置換補(bǔ)強(qiáng)，以提高結(jié)構(gòu)的抗滑能力[7]，洞線的布置應(yīng)盡量使其發(fā)揮最大的置換作用。本文中，抗剪洞沿深部潛在滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面的走向布置，布置2處，高程在1 284～1 320 m之間，置換體為鋼筋混凝土，其位置和布置方式如圖1所示，關(guān)鍵點(diǎn)分布高程統(tǒng)計(jì)見表1。

從結(jié)構(gòu)受力條件角度看，城門洞形結(jié)構(gòu)較方形結(jié)構(gòu)更優(yōu)。本次采用城門洞形結(jié)構(gòu)抗剪洞進(jìn)行深部支護(hù)。

3 置換體支護(hù)效果分析

3.1 計(jì)算模型及開挖支護(hù)方案

3.1.1 計(jì)算模型及關(guān)鍵點(diǎn)選取

選取大崗山右岸壩肩邊坡III-III破面進(jìn)行示例分析，其有限元計(jì)算模型、典型結(jié)構(gòu)面與關(guān)鍵點(diǎn)位置見圖1，關(guān)鍵點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 關(guān)鍵點(diǎn)位置Fig.1 Critical point location

表1 關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)高程Table 1 Corresponding elevation of key points

XL9-15處于PD9洞66～69 m，長(zhǎng)約150 m，厚 10～30 cm，產(chǎn)狀 N35°E/SE∠24°～52°。XL316-1產(chǎn)狀 N5°E/SE∠44°～50°，平行發(fā)育 10條卸荷裂隙，間距為0.3～0.5 m，單條卸荷裂隙松弛帶一般寬 10～30 cm，張開 1～15 cm。XL9-15可構(gòu)成底滑面，和中傾坡外斷層或裂隙相互組合可能形成不穩(wěn)定塊體，而卸荷裂隙帶XL-316易與淺層順坡向斷層組合，形成不穩(wěn)定塊體。這2條卸荷裂隙使得右邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題十分突出。

圖1模型中考慮了發(fā)育較為完全的裂隙密集帶和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，各巖體參數(shù)均取工程提供的力學(xué)參數(shù)建議值[2]。有限元計(jì)算軟件采用ANDINA計(jì)算平臺(tái)，采用理想彈塑性摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，收斂準(zhǔn)則通過(guò)計(jì)算是否收斂來(lái)判斷。

3.1.2 開挖、錨固方案

分以下步驟對(duì)壩頂以上右岸邊坡LPⅢ-Ⅲ剖面施工過(guò)程進(jìn)行模擬，施工方案和支護(hù)方案見表2。

表2 設(shè)計(jì)開挖及錨索支護(hù)方案Table 2 Design of excavation and anchor cable support schemes

為了研究抗剪洞的效果，對(duì)抗剪洞加固前、后的邊坡，在開挖工況和地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。同時(shí)選取4個(gè)代表性關(guān)鍵點(diǎn)，分析關(guān)鍵點(diǎn)在開挖錨固過(guò)程中及地震作用下的位移響應(yīng)。

3.2 開挖卸荷理論下關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移發(fā)展規(guī)律及抗剪洞支護(hù)效果評(píng)價(jià)

根據(jù)開挖支護(hù)方案（見表 2），開挖到第 3～9步時(shí)進(jìn)行第 1～7步段的錨索支護(hù)，支護(hù)長(zhǎng)度和噸位按設(shè)計(jì)進(jìn)行。統(tǒng)計(jì)開挖支護(hù)過(guò)程中，關(guān)鍵點(diǎn)位移在開挖和支護(hù)的進(jìn)行過(guò)程中位移變化如圖2所示。圖中，位移正值表示朝向坡內(nèi)，負(fù)值朝向坡外。

圖2 不同關(guān)鍵點(diǎn)水平向位移隨開挖的變化曲線Fig.2 Different key points of horizontal displacement curves of excavation

當(dāng)位移朝向坡內(nèi)說(shuō)明錨索對(duì)坡面的壓縮變形量大于邊坡開挖卸荷朝向坡外的變形量。當(dāng)位移朝向坡外則相反。

從圖2中可以看出，高程K1點(diǎn)位移是朝向坡外的，處于第一步開挖段上端，屬于支護(hù)外關(guān)鍵點(diǎn)，其變形主要是由卸荷造成的，當(dāng)開挖進(jìn)行到一定高程時(shí)，該點(diǎn)應(yīng)力重組逐漸平衡，其位移逐漸變小。其他關(guān)鍵點(diǎn)水平向位移均朝向坡內(nèi)，其中K2處于深部軟弱帶抗剪洞下端，其變形受卸荷影響較小，體現(xiàn)的是大方量巖塊的整體變形，故其數(shù)量級(jí)最小，在淺層錨索支護(hù)開始的第3步開挖后，位移發(fā)生較明顯的非線性變化，在錨索加固完成后，趨于平穩(wěn)，這時(shí)錨索的內(nèi)錨固段與巖體之間注漿體黏結(jié)作用于巖體，對(duì)深部軟弱帶形成拉裂作用；K3處于中高程，開挖支護(hù)段，錨索支護(hù)對(duì)其位移的約束最為明顯。K4處于淺層和深層軟弱帶剪出口交匯處下端，第7步開挖段，其位移主要受開挖卸荷帶來(lái)的變形和錨固帶來(lái)的壓縮變形以及巖體整體滑動(dòng)的共同作用，在上部削坡減載和支護(hù)到達(dá)K4之前，其變形主要受錨固影響，當(dāng)開挖到K4以下時(shí)，卸荷的影響驟增，故其壓縮變形越來(lái)越小。

由于抗剪洞位置處于高高程和中高程之間，分散了部分高高程對(duì)中低高程的應(yīng)力作用和阻滑作用。由表3可知，對(duì)于開挖面上的位移，抗剪洞的位移約束響應(yīng)隨高程的降低逐漸加強(qiáng)，對(duì)坡內(nèi)的約束較坡外具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其中K2水平向位移量級(jí)相對(duì)較小，這是受到巖體約束造成的。

表3 關(guān)鍵點(diǎn)隨抗剪洞支護(hù)前后位移變化幅度Table 3 Displacement amplitude of key points before and after shear hole supporting

綜上，抗剪洞在邊坡開挖過(guò)程中，起到顯著的支護(hù)作用。

3.3 關(guān)鍵點(diǎn)在地震作用下的位移響應(yīng)及抗剪洞抗震效果評(píng)價(jià)

大崗山壩肩邊坡工程是目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)地震烈度最大的水電工程，地震基本烈度為Ⅷ度。一旦發(fā)生地震，將嚴(yán)重威脅著壩肩邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)水電站建成以后的運(yùn)行產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。鑒于地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響非常大，對(duì)該邊坡的加固措施，應(yīng)充分考慮地震作用的影響。

地震作用的模擬是根據(jù)規(guī)范，采用擬靜力法，通過(guò)對(duì)峰值加速度進(jìn)行地震慣性力Fhi計(jì)算：

考察大崗山右岸邊坡在經(jīng)過(guò)淺層錨索支護(hù)后抗剪洞的抗震效果，需要進(jìn)行有抗剪洞和無(wú)抗剪洞下位移響應(yīng)對(duì)比分析。設(shè)計(jì)地震加速度從小到大變化下關(guān)鍵點(diǎn)在有無(wú)抗剪洞情況下的位移發(fā)展規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同關(guān)鍵點(diǎn)水平向位移隨地震加速度變化Fig.3 Different key points of horizontal displacement curves of seismic acceleration

從圖3中可以看出，位移反映的是開挖及錨索支護(hù)完成并經(jīng)受地震作用后在有/無(wú)抗剪洞下關(guān)鍵點(diǎn)的響應(yīng)情況。無(wú)抗剪洞時(shí)，除K2外位移均呈非線性變化，在地震加速度達(dá)到0.09 g后非線性變化更為明顯，位移增速加大；處于錨索支護(hù)段兩端的K1和K4處，位移量級(jí)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K2和K3；施加抗剪洞后，變形隨著地震加速度的增加，呈較為明顯的線性變化，而且最大位移處于20 mm左右。值得注意的是，處于錨固支護(hù)中段K3點(diǎn)，在地震加速度為0.03 g前是朝向坡內(nèi)變形的，說(shuō)明錨索支護(hù)作用具有一定的抗震作用，有抗剪洞支護(hù)后地震加速度增大到0.04 g左右開始朝向坡外變形，說(shuō)明抗剪洞增強(qiáng)了邊坡的抗震效果。

抗剪洞支護(hù)在邊坡中主要起到阻滑作用，在地震作用下同樣起到消耗地震能的作用，阻斷了地震波的傳播路徑。通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)位移變化幅度的比較（見表4）可知，錨索支護(hù)段上下兩端處，在抗剪洞作用下能夠很好的約束變形。處于中高程的K2、K3兩點(diǎn)，由于其變形本身不大，直觀上看，抗剪洞在地震作用下對(duì)此段作用效果相對(duì)較小，但是內(nèi)部變形較坡表變形更為危險(xiǎn)，其實(shí)際效果遠(yuǎn)大于此。

表4 關(guān)鍵點(diǎn)隨地震加速度變化的位移變化幅度Table 4 Displacement amplitude of key points with earthquake acceleration changing

抗剪洞抗震效果與前文開挖支護(hù)抗變形效果比較可知，抗剪洞對(duì)兩軟弱帶剪出口處的變形起到明顯的約束作用，阻滑效果明顯。由于地震作用和開挖作用機(jī)制不同，其他關(guān)鍵點(diǎn)的支護(hù)效果表現(xiàn)出顯著的不一致性。

3.4 最大主應(yīng)力分析

前文對(duì)不同高程和位置上的關(guān)鍵點(diǎn)水平向和豎直向位移進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)最大應(yīng)力的變化的統(tǒng)計(jì)見表5。對(duì)邊坡支護(hù)以及抗剪洞作用效果進(jìn)行相互驗(yàn)證。從表中可以看出，隨著地震加速度的增大，第一、三主應(yīng)力的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在有無(wú)抗剪洞下均呈增大趨勢(shì)，且相同地震加速度下，除第三主應(yīng)力壓應(yīng)力外，在設(shè)置抗剪洞后應(yīng)力均不同程度增加，其中拉應(yīng)力增加更為顯著。這是因?yàn)?，抗剪洞處被置換混凝土材料后，與之前設(shè)置的錨索支護(hù)形成了2個(gè)互拉的類似剛性結(jié)構(gòu)體，材料性質(zhì)差異明顯，兩者之間形成明顯的拉裂區(qū)域。

表5 LPⅢ-Ⅲ剖面右岸邊坡二維有限元計(jì)算成果Table 5 Two-dimensional finite element calculation results of profile LPⅢ-Ⅲ of the right bank slope

4 結(jié) 論

（1）抗剪洞在邊坡開挖過(guò)程中起到顯著的支護(hù)作用。對(duì)于開挖面上的位移，抗剪洞的位移約束響應(yīng)隨高程的降低逐漸加強(qiáng)，對(duì)坡內(nèi)的約束較坡外具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）在錨索支護(hù)段上下兩端兩處，在抗剪洞作用下能夠很好地限制其變形，起到阻滑作用和能量消耗的作用?？辜舳吹脑O(shè)置對(duì)邊坡抗震能力有較強(qiáng)的提高。

（3）抗剪洞處被置換混凝土材料后，與之前設(shè)置的錨索支護(hù)形成了2個(gè)互拉的類似剛性結(jié)構(gòu)體，材料性質(zhì)差異明顯，兩者之間形成明顯的拉裂區(qū)域，拉應(yīng)力有所增加，邊坡整體塑性區(qū)變化不大，建議在強(qiáng)震作用時(shí)，做好對(duì)抗剪洞周邊點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，以防拉裂臨空面的出現(xiàn)，即產(chǎn)生新的裂隙，使得原本隔斷的密集裂隙帶繞過(guò)抗剪洞重新形成貫通。

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