郭 翔 李安琪

(水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250000)

在水電站建設(shè)過程中不可避免地會遇到邊坡穩(wěn)定性問題，諸多學(xué)者對各種邊坡工程進行了卓有成效的研究[1-4]。胡瀚等[5]通過介紹無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索在水電站崩塌體邊坡支護工程中的工作機理及應(yīng)用、施工特點、施工方法及要點、施工工藝、應(yīng)用前景等內(nèi)容，分析無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索在崩塌體邊坡支護工程中抗滑支擋的功能及效益，研究無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索這種新型抗滑支擋結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計方法，從錨索材料結(jié)構(gòu)、施工方法工藝和經(jīng)濟效益等方面論證水電站崩塌體邊坡采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索支護的可行性和必要性。邱茂星等[6]以錦屏一級水電站為依托，對邊坡變形進行流變反演計算，并通過正向計算預(yù)測了邊坡的長期變形情況，研究了在上游正常蓄水位1880m和死水位1800m兩種水位條件下，及不同邊坡變形情況下拱壩的變形和應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明：2012年蓄水后至2020年7月，拱壩整體變形較小，右岸1800m高程以上壩肩拉應(yīng)力區(qū)明顯減小，拱壩受力狀態(tài)有局部改善;2020年7月至邊坡長期變形收斂階段，拱肩槽邊坡變形較小，左拱端下游側(cè)橫河向變形增量小于1.2mm，拱壩拉應(yīng)力值和分布范圍改變不明顯。于柏強[7]以吉林省撫松縣小山水電站為例，介紹了前方交會法在電站廠房后邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用，涉及監(jiān)測控制網(wǎng)布置以及觀測精度分析。實踐表明：監(jiān)測分析與歷年監(jiān)測成果較為吻合，測值基本能反映邊坡的表面位移，精度滿足案例監(jiān)測要求。梁靖等[8]基于現(xiàn)場調(diào)查與最新監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)，從監(jiān)測反饋和地質(zhì)角度揭示了邊坡變形破壞特征及機制，并以此分析邊坡穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明：錦屏一級水電站左岸邊坡的表觀與深部累計位移變形仍呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，但歷經(jīng)變形調(diào)整后速率有一定減緩，可將變形機制歸納為“上部持續(xù)傾倒—深部張裂—表部鎖固體松弛—下部與壩體協(xié)調(diào)”。雖然對于水電站邊坡問題已有相關(guān)研究，但對于水電站高填方邊坡采用樁基托梁加固研究不足[9-10]，亟待進一步補充研究，因此本文以大華橋水電站5號公路樁基托梁支擋邊坡為例，通過有限元數(shù)值模擬方法對其進行了穩(wěn)定性計算及樁長優(yōu)化分析，以期為類似工程提供參考。

1 工程簡介

大華橋水電站5號公路K0+320～K0+630段主要為路堤型式，基底為斜坡，靠河一側(cè)擬采用樁基托梁進行支擋，由于填方較高加之洪水季節(jié)的洪水位驟降等可能對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響，因此采用數(shù)值分析方法進行計算，對邊坡的穩(wěn)定性以及樁基托梁結(jié)構(gòu)的安全性進行復(fù)核優(yōu)化。沿線地形地貌見圖1。

圖1 5號公路沿線地形地貌

沿線出露的地層主要有侏羅系、白堊系及第四系覆蓋層。

樁號K0+000～K0+586段主要由侏羅系上統(tǒng)壩注路組(J3b)含鐵絹云母板巖、粉砂巖組成，巖層走向近南北，陡傾角展布，薄層狀結(jié)構(gòu)，強度較低，完整性較差。

樁號K0+586～K1+007段為白堊系下統(tǒng)景星組下段(K1j1)灰白、灰綠色中—粗粒石英砂巖與紫紅色含礫含綠泥石絹云母板巖不等厚互層。

工程區(qū)地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度為Ⅶ度，屬于中硬較穩(wěn)定場地。

工程區(qū)內(nèi)出露巖層為侏羅系及白堊系絹云母板巖、粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖等，其中絹云母板巖單層厚度小于20cm，巖層破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，單軸飽和抗壓強度小于30MPa，屬軟石；而粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖為互層狀或薄層狀，巖體較完整，其單軸飽和抗壓強度大于30MPa，屬次堅巖—堅石。

工程區(qū)第四系松散堆積層主要包括全新統(tǒng)崩積層、坡崩坡積層及殘坡積層等，堆積厚度一般較小，分選性差，充填雜亂，承載力容許值介于200～400kPa，屬中軟～中硬土。

2 計算有限元模型及說明

2.1 計算模型

選取樁號K0+500橫剖面作為計算斷面，由此建立數(shù)值模型(見圖2)。共劃分為2040個單元，4229個節(jié)點，見圖3。本構(gòu)模型服從莫爾—庫侖屈服準(zhǔn)則。

圖2 三維數(shù)值計算模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)選擇及樁長工況

加筋與無筋時相比土體的抗剪強度增加了(即附加黏聚力)Δc：

(3)

式中Rf——筋材單寬抗拉強度；

Sv——筋材的垂直間距；

Kp——被動土壓力系數(shù)，即Kp=tan2(45°+φ/2)。

本項研究中取筋材單寬抗拉強度為50kN/m，筋材垂直間距為0.5m(相關(guān)材料參數(shù)見表1)。

表1 材料參數(shù)

樁基長度按20m、18m、16m、14m、12m、10m、8m考慮，邊坡安全系數(shù)采用有限元強度折減法計算，路堤上考慮20kPa的交通荷載。

3 邊坡穩(wěn)定及樁基托梁樁長優(yōu)化分析

3.1 計算結(jié)果

從不同樁基長度工況的計算結(jié)果圖(見圖4)可看出(包括強度折減至極限平衡時邊坡的最大剪應(yīng)變云圖)，隨著樁長的逐漸增加，邊坡滑面的形成受到了抑制，在樁長為8m時邊坡已逐漸形成穩(wěn)定滑面，此時樁基可能被剪斷，而當(dāng)樁長為12m時可以明顯看出邊坡沒有形成明顯的滑動面，聚集的畫面由此分散成寬條狀，證明了樁長增加后邊坡穩(wěn)定性有所提高。

圖4 不同樁長邊坡極限平衡時最大剪應(yīng)變云圖

3.2 潛在滑面分析

提取出樁長為0m、10m和20m三種工況下邊坡的潛在滑面位置圖(見圖5～圖7)，對比可看出，隨著樁長的增加，潛在滑面逐漸向坡體深部發(fā)展，邊坡安全系數(shù)也得以提高。當(dāng)樁長增加至20m后，邊坡安全系數(shù)為1.65。

圖5 邊坡潛在滑面位置(樁長0m，F(xiàn)OS=1.1)

圖6 邊坡潛在滑面確定(樁長10m，F(xiàn)OS=1.19)

圖7 邊坡潛在滑面確定(樁長20m，F(xiàn)OS=1.65)

3.3 邊坡安全系數(shù)分析

從樁長—安全系數(shù)曲線(見圖8)可看出，樁長對邊坡的穩(wěn)定性有明顯提高作用，從邊坡安全系數(shù)1.19(樁長為8m)陡增至1.40(樁長為10m)，此后隨著樁長的增加，邊坡安全系數(shù)基本呈線性增長，并有足夠的富?？臻g。如以規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)1.30為限值，綜合考慮河流沖刷等不利因素，建議樁長取為14m。

圖8 樁基長度與邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線

3.4 樁基托梁變形分析

填土施工將引起樁基托梁發(fā)生變形，樁長越長，樁基托梁變形越小，但變化幅度不大，最大水平位移在46～59mm之間。當(dāng)樁長為8m時，填土施工引起的擋墻頂部水平位移約59mm，當(dāng)樁長為14m時，墻頂水平位移約53mm，樁長20m時，墻頂水平位移則為46mm。樁基托梁變形關(guān)鍵點位置見圖9，不同樁長工況填土施工引起的樁基托梁關(guān)鍵點變形見圖10。

圖9 樁基托梁變形關(guān)鍵點位置示意圖

圖10 不同樁長工況填土施工引起的樁基托梁關(guān)鍵點變形

4 結(jié) 論

采用有限元方法對大華橋水電站5號公路樁基托梁支擋邊坡進行了計算，主要得到以下結(jié)論：通過應(yīng)用有限元強度折減法對邊坡滑面進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著樁長的增加，潛在滑面逐漸向坡體深部發(fā)展，邊坡安全系數(shù)也得以提高；從有限元計算結(jié)果來看，當(dāng)樁長為20m時，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.65，存在安全系數(shù)富?？臻g。綜合考慮邊坡安全系數(shù)大于1.30并考慮到河流沖刷等不利因素，建議實際工程樁長取到14m以上。