某水電站廠房邊坡施工方案的討論

王 歡 漆文邦 張江潮

（四川大學水利水電學院 四川 成都 610065）

1 引言

預應力錨索與鋼筋混凝土格構梁復合結構是一種將格構梁與錨固工程相結合形成的一種新型的支擋結構。由于鋼筋混凝土格構梁與坡面接觸面積較大，而與格構梁相連接的預應力錨桿的深層加固效果很好，二者結合，使得預應力錨桿格構梁既可保證深層的加固又可兼作淺層護坡。現如今，關于結構與邊坡巖土體相互作用機理的研究大多數采用數值離散法和解析法[1,2]。許英姿等[3]采用WINKLER彈性地基梁理論和三維有限元法模擬加固過程中格構梁、土體應力應變場的演化過程，提出格構梁和預應力錨索的優化設計方案。方理剛等[4]對各種橫觀各向同性巖體邊坡與預應力錨索框架梁相互作用進行參數研究，提出層理的方向性對支護結構影響的規律。朱大鵬等[5]探討預應力加載時格構梁內力的變化特征及錨固力在格構縱橫梁上的分配規律。但是對于實際工程中拆除格構橫梁及壓力鋼管的安裝對預應力錨索格構梁和邊坡巖體穩定性的影響分析的文章尚少，本文依托某小型水電站的壓力鋼管的安裝，通過在梁單元結點上加彈簧單元來近似模擬彈性地基的作用[6-7]，從多方面探討分析了格構梁前后的位移及最大主應力的變化，不僅為本工程方案的可行性提供了支撐，也為相似的實際工程處理提供了科學依據。

2 Winkler彈性地基原理

彈性地基梁理論的關鍵是如何考慮土和結構相互作用，從而有效地模擬二者的接觸性狀，目前在工程實踐中大量使用的模擬方法是基床系數法，即Winkler方法。

當受錨固預應力荷載的作用時，格構縱橫梁壓在邊坡體上，同時巖體坡面對梁產生反作用力。因此，可以視格構梁為作用于地基上的彈性梁，且受到若干錨固力和基底反力的作用。預應力錨索格構梁的力學模型如圖1所示。

圖1 Winkler地基梁模型

3 工程實際

3.1 工程概況

圖2 格構梁圖

表1 模型計算參數

某工程位于阿壩州黑水縣小黑水河流域境內小黑水河下游段，規劃梯級開發工程的上游一級電站。水電站廠房后邊坡開挖后，坡角為52°，采用錨索加固、格構梁以及噴混凝土處理方式。但由于邊坡覆蓋層處理不平整以及格構橫梁施工不平行等原因，格構橫梁的中心不在一條直線上且相距甚遠，致使后續壓力鋼管無法正常的安裝。根據現場測量結果，如果按照原設計進行壓力鋼管的安裝，壓力鋼管底部勢必會穿過部分格構橫梁，現對格構橫梁從上到下依次標號#1～#10，下文的施工方案主要是兩個步驟：（1）拆除#2～#5格構橫梁，（2）進行壓力鋼管的安裝，設計圖及現場圖片見圖2。

圖3 三維有限元計算模型圖

圖4 格構梁的位移變化

圖5 格構梁主應力變化

圖6 錨索最大主應力變化

3.2 數值模型的建立

下文采用ABAQUS有限元軟件，對工程廠房后邊坡進行建模，三維有限元計算模型見圖3。格構梁和錨索本構關系采用線彈性模型，而邊坡土體本構關系采用莫爾庫侖理想彈塑性模型。通過在梁單元結點上加彈簧單元來近似模擬彈性地基的作用。錨索的預應力為600kN，對于錨索的模擬是將錨索單元節點通過插分形式嵌入到巖土單元中，一起參與有限元的迭代計算，采用T3D2單元模擬。格構梁的截面為0.4m×0.4m矩形截面，跨距5m，結合模型計算參數，根據公式（2）確定的彈簧系數k為89.1MPa。格構材料為C25混凝土，錨索、格構梁及邊坡土體計算模型參數如表1所示。對于壓力鋼管的模擬并不進行實際建模，而是簡化為在鎮墩和支墩上施加等效的作用力。

3.3 計算結果

（1）錨索和格構梁的位移及主應力的變化

對格構橫梁從上到下依次標號#1～#10，由于其為左右對稱結構，故以格構橫梁和縱梁交界處為研究對象，拆除#2-#5格構橫梁和安裝壓力鋼管前后的格構梁的位移變化情況見圖4，可以看出，位移值的數量級是10-3，格構梁從上到下位移值逐漸減小，拆除#2-#5格構橫梁位移值基本保持不變，施加壓力鋼管后位移值有所增大，但變化幅度較小，保持從上到下位移值逐漸減小的規律，說明前后格構梁位移變化穩定。

圖5反映了拆除#2-#5格構橫梁和安裝壓力鋼管前后格構梁的最大和最小主應力情況。格構梁的澆筑材料為C25混凝土，根據規范可知，C25混凝土的抗壓強度標準值為16.7MPa，抗拉強度標準值為1.78MPa。對比三種狀態可以看出，拆除#2～#5格構橫梁后混凝土的受拉和受壓強度均有上升，這是拆除工藝破壞了格構梁的整體性，作用面積減小導致；安裝壓力鋼管后混凝土的受拉強度進一步提升，而受壓強度卻有所降低。綜合三種狀態，格構梁的最大主應力為1.282MPa，最小主應力為-4.897MPa，處于C25混凝土拉壓強度標準值之間，說明拆除#2～#5格構橫梁和安裝壓力鋼管均未對格構梁產生破壞性影響，在適當的施工拆除方式和鋼筋截斷面防護的處理后，拆除格構橫梁#2～#5是可行的。

由上面分析可知，格構橫梁#2～#5的拆除對格構梁的位移和主應力的影響較小，故下文為縮減篇幅，單獨的格構橫梁#2～#5的拆除的狀態分析就不再贅述，著重對比分析方案施工前后的變化。圖6給出了方案施工前后錨索的最大主應力的變化情況。可以看出，施工前錨索最大主應力為0.3105MPa，而施工后變為0.3628MPa，最大主應力略有增大，增大幅度為16.8%，就整體最大主應力分布而言，值稍有增加，但幅度較小，錨索處于穩定狀態。

（2）邊坡位移及最大主應力的變化

圖7、8反映了方案施工前后邊坡位移及最大主應力的變化情況，可以看出，位移和最大主應力較施工前均有減小的趨勢，最大位移值由之前的0.02238變為0.02155，最大主應力的最大值由之前的0.09034MPa變為0.08876MPa，兩者的變化均不明顯，并且土體大部分區域處于均勻受壓狀態，沿安裝管線的土體受壓強度稍有提升，因此施工方案對邊坡的穩定影響很小，方案可行。

綜合以上模型計算分析結果可知，在拆除#2～#5格構橫梁和壓力鋼管安裝前后，格構梁的位移及應力、錨索的應力和邊坡的位移及應力的分布情況變化都較小，處于穩定安全的狀態，說明設計的施工方案可行。

圖7 邊坡位移變化

圖8 邊坡最大主應力變化

3.4 拆除工藝

格構橫梁的拆除屬于小體積范圍內的鋼筋混凝土拆除，為了盡量不對結構和山體造成擾動，可采用液壓破碎鉗環保拆除鋼筋混凝土[9]。液壓破碎鉗主要優點是操作靈活、效率高，而且能剝除或切割鋼筋，其突出優點為施工時噪音低，振動小，對本工程邊坡產生的干擾小，采用這種方式是可行的。液壓鉗粉碎混凝土的工作原理，是液壓驅動機構咬合粉碎堅硬的混凝土塊體，達到分割解體混凝土構件的目的。整個操作過程是低噪音、無振動的進行工作的，是一項無噪音污染和無振動影響的粉碎解體混凝土構件的工藝方法。

3.5 斷面裸露鋼筋的處理方法

由于格構梁為鋼筋混凝土結構，拆除橫梁中部后，必然導致鋼筋暴露在空氣中，因此還必須對橫梁出露端進行相應的處理，防止鋼筋生銹，影響結構安全。由于本工程格構橫梁切除之后對裸露的鋼筋作出相應的處理，后期不會再啟封對鋼筋進行施工，因此建議選用灌制低標號混凝土將鋼筋包裹在內，也即是保護鋼用低標號混凝土將鋼筋包裹在內。加入鋼筋阻銹劑更能確保長期的防銹性。但本方法的缺點也是明顯的—再行施工時必須將低標號混凝土全部清除。

4 結論

本文基于格構梁彈性假設及Winkler彈性地基模型原理，依托某小型水電站的壓力鋼管的安裝方案，通過Abaqus數值模擬平臺和拆除工藝、裸露鋼筋的銹蝕與防護技術等多方面的知識來論證方案的可行性，得到以下結論：（1）在具體的工程要求的，起到邊坡淺層防護作用的格構橫梁是可以部分拆除的；（2）合理的壓力鋼管安裝不會影響錨索的應力狀態和邊坡的穩定性，相反沿安裝管線的土體因受到鋼管的壓力作用，還會略提高相應部分的土體穩定性；（3）液壓破碎鉗的拆除工藝對工程邊坡產生的干擾小，澆筑混凝土將鋼筋包裹能起到較好的防腐蝕作用。陜西水利

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