高陡邊坡巖體力學參數的監測反演

【摘要】在唐河水電站高陡邊坡預應力錨索加固工程中，對錨索應力進行了實時監測。本文在長期監測數據的基礎上對預應力錨索的應力變化特征進行了描述，并對強風化巖體的力學參數進行了模擬和反演，以期對同類工程的設計和施工提供參考和借鑒。

【關鍵詞】高陡邊坡；錨索應力；強風化巖體；邊坡巖體

1、工程概述

唐河水電站位于山西省大同市靈丘縣，地處唐河上游，屬海河流域，設計總庫容950×104m3，屬小（1）型水利水電工程。工程建設前，大壩樞紐右岸為高達150m的高陡邊坡，由于組成邊坡的太古界（Ar，五臺群）花崗片麻巖風化強烈，巖石強度較低；節理裂隙發育、巖體破碎，加之公路改線、工程削坡等人為因素破壞了自然邊坡的穩定性，致使樞紐右岸成為一個潛在的不穩定邊坡。為保障各項工程安全運行，決定對該段邊坡進行加固處理。

加固工程的設計方案是采用預應力錨索加縱向地梁。該方案共設計了397根長度12～50m的錨索，錨固端深入至弱風化巖層內至少8m，鎖固端置于縱向地梁之上。錨頭呈矩形陣列方式布置。根據設計資料，本工程所用的是六索壓力分散型錨索，錨索材料為270級鋼絞線，六根錨索呈正六邊形分布；單根鋼絞線直徑φ=15.24mm，有效橫截面積A=140mm2，極限強度為1860MPa，出廠指標和現場測試的彈性模量E均為195GPa。本工程的錨索預拉應力設計值為750kN，換算成單根強度值為890MPa。

2、觀測儀器

錨索測力計用于測量錨索的張拉應力，在錨索張拉時鎖固在錨索頭上，測力計的測力盤壓在鎖固盤之下，用于觀測錨索整個生命周期的應力變化。本工程按3%的抽樣量共布設12支錨索測力計，并盡可能均勻分布在整個加固坡面上。圖1為錨索及測力計安裝位置示意圖，其中地梁橫截面為0.5m×0.5m，材料為現澆鋼筋混凝土，地梁列間距為3.5m或4.0m，錨索的排間距均為3.5m。

測斜儀用于觀測邊坡巖體的深部位移。其原理是假定邊坡深部的某個點是穩定的，如果其上部點與該點之間的傾角發生變化，就說明上部點產生了位移。由于測斜儀的長度是已知的，只要測量出這個傾角就可以計算出位移量。本工程在邊坡的坡面上共設置了6個測斜孔，深度為15m～40m，測斜孔底部深入到弱風化巖體內8m，同時位于模擬計算出的可能滑動面以下至少12m。

3、錨索應力的變化特征

錨索測力計可直接測量出6索錨索的拉力總值，現以MS03和MS08兩個錨索測力計的觀測數據來說明錨索應力的變化特征。圖2和圖3分別為兩個錨索測力計的應力過程線。

錨索張拉完成后，由于邊坡巖體受到壓縮，錨索應力會產生松弛性下降，也叫應力損失；

在錨索和地梁的高壓作用下，巖土體受到壓縮而產生反彈力，又由于巖土體具有彈塑性特征，在經歷一定時間后，錨索應力與巖體的反彈力會達到相對平衡的穩定狀態；

根據錨索應力下降速率的快慢，可將錨索應力下降和穩定過程劃分為兩個階段，分別是驟降段和緩降段。驟降段時段較短，通常在9天到30天之間，從過程線上看，驟降段的曲線斜率較大，坡度較陡，平均日降量通常大于3kN；緩降段時段較長，短至3個月，長者可達18個月，該階段過程線平緩，最終趨于水平，有的甚至有回彈的可能。（在此將錨索應力的穩定標準定為連續7日的日降量小于0.1kN。）

通過對12支測力計的測值進行統計可得，驟降段平均日降量為0.90～9.44kN，緩降段平均日降量為0.05～0.24kN，二者相差17.2～71.2倍。

邊坡淺部的巖土體受到錨索和地梁的壓縮作用，產生了向坡內的壓縮位移，位移量與錨索的松弛量相等。

CX02、CX03兩個測斜孔分別位于MS02和MS03兩個錨索測力計附近。圖4、圖5分別為CX02、CX03兩個測斜孔的測斜曲線，三條曲線分別對應初始期、應力驟降完成期和穩定期。測斜曲線的變化過程也證明了邊坡巖體受到壓縮而產生位移的情況，同時還顯示了受影響巖土層的厚度。

4、邊坡巖體變形模量的反演

由上述可知，邊坡巖土體受到錨索和地梁高壓下產生壓縮，其壓縮位移與錨索松弛量相等。由于錨索鋼絞線性能穩定，其力學參數也相當穩定，所以可通過計算錨索的松弛量來取得邊坡巖土體的壓縮量。根據《錨桿噴射混凝土支護規范》（GB50086-2001）錨索松弛量的計算公式為：。

式中：

Δe —— 錨索松弛量（mm）；

ΔF —— 平均單根錨索應力的下降量（kN）；

L —— 錨索自由段長度（m）；

A —— 單根錨索的有效橫截面面積（mm2）；

E —— 單根錨索的彈性模量（GPa）。

ΔF即為錨索測力計所觀測到的初始值和穩定值之間的差值，錨索的自由段長度可以通過設計報告和施工記錄取得，A=140mm2，E=195GPa。12支錨索測力計所在的錨索的松弛量計算結果如表2所示。

可以將這種錨索加地梁的加固模型設想為巖土工程的載荷試驗來反演邊坡巖體變形模量E0。因為載荷試驗的原理與錨索、地梁加固模型十分相似，地梁相當于載荷試驗的承壓板，單孔有效面積為地梁寬度與錨頭間距的乘積，即0.5m×3.5m，所以可以借用巖土體變形模量的計算公式來計算相應位置巖體的變形模量。參照《工程地質手冊》，變形模量的計算公式為：E0=10P/（s·d）。

式中：

E0—— 巖土體的變形模量（MPa）；

P—— 承壓板上的總荷載，在此為錨索應力的穩定值（kN）；

s—— 與荷載相應的承壓板的沉降量，即巖土體的壓縮量（mm）；

d—— 承壓板的直徑，按地梁面積折算成等效直徑為150cm。

12支錨索測力計對應部位巖土體的變形模量計算見表3。

從計算結果看，除個別數據離散性較大外，大多數據處于15～45MPa之間，平均值36.3MPa，說明組成該邊坡的強風化花崗片麻巖的強度與松散～中密狀態的中砂性質比較接近，反演結果與實際地質情況比較吻合。

參考文獻：

[1]山西省唐河水電站大同～靈丘公路K109+600～800段滑坡穩定性評價及治理施工圖設計.中國科學院武漢巖土力學研究所.

[2]山西省靈丘縣唐河水電站改線公路邊坡治理工程安全監測資料分析報告[N].山西省水利水電勘測設計研究院.

[3]《工程地質手冊》（第四版）[M].中國建筑工業出版社.