基于結構面組合分析的系統錨桿參數優化設計

羅延婷 劉振紅 魏杰 王耀邦

摘要：為了使系統錨桿對高陡巖質邊坡的加固支護作用最有效，以系統錨桿加固的巖體邊坡為研究對象，提出基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統錨桿參數優化設計的方法。采用結構面組合分析—確定最優不利結構面—確定最優錨固角—確定最優錨桿長度的設計流程，對黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡的系統錨桿參數進行優化設計，通過剛體極限平衡法計算，經參數優化后的系統錨桿，其支護的巖質邊坡的穩定系數最大。該方法充分考慮了巖體不同產狀的結構面，通過其設計的系統錨桿對開挖邊坡的支護作用效果最優，使系統錨桿支護設計更科學、更安全、更經濟。

關鍵詞：高陡巖質邊坡;系統錨桿;人造結構面;黃藏寺水利樞紐;黑河

中圖分類號：U455.7⁺1;U213.1⁺58 文獻標志碼：A

公路、鐵路、水利、電力等工程建設很多需要人工開挖邊坡，尤其是大型水電工程，無法回避高陡巖質邊坡問題，拱壩、重力壩的理想壩址V形河谷更是深切河谷復雜地質條件的代表性河谷形態，其內在的地質成因決定了復雜的地質特性和工程建設的特殊難度[1]。

在巖質高邊坡的開挖支護中，錨桿支護一般是不可或缺的。邊坡支護錨桿可分為預應力和非預應力兩大系列。不少學者對錨桿支護進行過深入研究，取得了大量成果。劉佳龍等[2]對非預應力錨桿的長度和角度進行了優化設計;林杭等[3]通過FLAC3D建立數值模型，對錨桿長度和角度對邊坡穩定性的影響進行了研究，認為錨桿加固時存在有效錨固長度和最優錨固角;張良發[4]研究了錨桿參數優化對開挖邊坡加固的影響。但是文獻[2-4]所支護的邊坡均為簡化的各向同性的均質巖體，沒有考慮巖體結構中不利結構面組合的影響。宋勝武等[1]側重于研究高陡邊坡深層穩定的分析及加固設計。洪海春[5]研究了單孔多筋全長黏結式長錨桿的長度、直徑對錨固性能的影響，未考慮巖體結構。鄭軍輝[6]研究了部分錨桿失效時邊坡加固方法。陳勇[7]研究了大錨桿加固順層巖質邊坡的工程地質技術。張寧[8]通過模型試驗研究了錨桿對三維裂隙巖體的加固止裂效應。龍照等[9]推導了預應力錨桿的臨界錨固長度的簡化計算方法。渠時勤等[10]根據預應力錨桿破壞受力情況分析，提出錨桿錨固段合理設計長度。林杭等[11]研究了錨桿長短相間布置形式對邊坡穩定性的影響，其支護的邊坡為均質土坡。朱晗迓[12]研究了通過預應力錨固技術對破碎巖質邊坡進行加固的技術可行性。陳永貴等[13]提出采用預應力錨桿加固、掛網噴射混凝土護坡的治理措施，可以增強邊坡的整體穩定性。唐秋元等[14]提出巖石邊坡錨桿不同計算方法的總錨固力從大到小為極限平衡法>強度折減法>等效內摩擦角法>數值分析計算法>側向巖石壓力法>剩余下滑力法。

系統錨桿屬于非預應力錨桿，其作用是加固巖質邊坡的淺表層。根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086-2015）[15]，不同類型工程的非預應力錨桿設計參數可根據地層條件按經驗或穩定性分析確定。根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）[16]，巖質邊坡的非預應力系統錨桿的孔向宜與主要結構面垂直或呈較大夾角。在實際的開挖支護中按經驗值確定錨桿設計參數經常會產生錨桿支護失效的情況。若根據地層條件按穩定性分析確定，同樣會產生錨桿支護失效的問題。

本文結合在建的黃藏寺水利樞紐工程，針對左壩肩高陡巖質邊坡系統錨桿支護中存在的問題，提出基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統錨桿參數的優化設計方法。

1 研究對象

黃藏寺水利樞紐壩址位于青海省祁連縣黃藏寺村下游約11km的黑河干流上，壩址控制流域面積7648km²，水庫總庫容4.03億m³，電站裝機容量49MW，屬于大（2）型綜合利用水利樞紐工程，被列入國家172項重大節水供水工程。

大壩壩高123m，兩岸山體渾厚，基巖為寒武系中統的綠泥石白云母石英片巖，屬中硬巖。河谷狹窄，呈V形，右岸坡度為45～°60°，左岸更為陡峻，坡度為60°～80°。大壩邊坡的級別為2級，兩壩肩高陡巖質邊坡開挖支護方式為自上而下、分區、分級、分塊開挖并及時支護。左壩肩邊坡開挖高度約239m，開挖邊坡2666m高程以上采用每15m布置一級2m寬馬道，2666m高程以下每20m布置一級2m寬馬道。左壩肩邊坡開挖設計平面見圖1。

左壩肩高陡邊坡分區分級開挖的支護參數為：

（1）L0開挖區大壩建基面范圍內邊坡，噴5cm厚M25F200砂漿，待壩體混凝土澆筑前將所噴砂漿清除干凈;

（2）L1開挖區噴0.1m厚混凝土，掛鋼筋網Φ8mm@0.2m，普通水泥砂漿錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長度6m;

（3）L2開挖區除噴錨支護外，局部采用隨機錨索支護，錨索型式、位置、間距根據現場開挖揭示的地質情況進行調整;

（4）L3開挖區為上覆土質邊坡，開挖坡比為1：1.35，采用混凝土格構植草支護。

本文的研究對象為黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡Ll和L2開挖區的系統錨桿的設計參數。L1和L2開挖區均為巖質邊坡，設計開挖邊坡坡比為1：0.5和1：0.75，均采用系統錨桿加掛網噴混凝土的支護措施。

2 結構面組合分析，確定最優不利結構面

統計分析左壩肩邊坡的159個原生結構面，同開挖邊坡（人造結構面）進行組合，結合穩定性計算分析，確定相對于開挖邊坡的最優不利結構面。L1和L2開挖區設計開挖邊坡類型有3種，將開挖邊坡按人造結構面考慮，則可換算成3種（表1）。以節理面與人造結構面2為例進行組合分析，另外兩種人造結構面的組合分析方法同此。

2.1 建立設計開挖邊坡的計算模型，鎖定不利節理面范圍

模型坡高按一級開挖15m的高度考慮，人造結構面2的產狀為160°∠63°，假定節理面與人造結構面2構成了不利組合，a為節理面與人造結構面2的視夾角（圖2）。通過調整視夾角的范圍來確定對人造結構面2不利的節理面的范圍，分別取視夾角a為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，采用剛體極限平衡法進行天然工況下的穩定性計算，計算參數取值：①片巖巖體容重N=27kN/m³、黏聚力c=0kPa、摩擦角φ=40°;②節理面黏聚力c=2kPa、摩擦角φ=30°;③錨固段錨桿直徑76mm，配筋1E25，筋漿強度f_b=1000kPa。計算結果見表2。

由計算結果可知，隨著視夾角增大，人造結構面2與節理面組合的邊坡穩定系數逐漸增大，視夾角a小于30°時，穩定系數小于1。因此，需要從159個節理面中篩選出與人造結構面2的視夾角小于30°的節理面，該范圍的節理面對于開挖巖質邊坡來說屬于不利節理面，篩選的19個節理面見表3。

2.2 從不利節理面中確定最優不利節理面

視夾角越小，人造結構面2與節理面組合的邊坡穩定系數越小，雖然最不利于邊坡穩定，但系統錨桿對這種視夾角小的開挖邊坡的支護作用最強，因為每一根錨桿都能嵌人節理面以內的穩固巖體中。當視夾角增大時，上部沒有嵌入節理面以內穩固巖體的錨桿的數量會增多。可見，系統錨桿支護的有效性就體現在使盡可能多的錨桿嵌人節理面以內的穩固巖體中。

系統錨桿能有效加固視夾角大的不穩定開挖邊坡，則必定能加固視夾角小的不穩定開挖邊坡。因此，相對于人造結構面2的系統錨桿支護的最優不利節理面為最接近視夾角300的節理面，即j4、產狀180°∠36°。

利用相同的分析方法，確定相對于人造結構面1的系統錨桿支護的最優不利節理面產狀為115°∠33°，相對于人造結構面3的系統錨桿支護的最優不利節理面產狀為130°/∠37°。

3 確定最優錨固角

通過結構面組合分析方法確定了3種最優不利節理面。以人造結構面2與其對應的最優不利節理面（180°∠36°）的組合分析為例，確定最優錨固角。

將圖2中的節理面用相對于人造結構面2的系統錨桿支護的最優不利節理面（產狀180°∠36°）替換，計算參數不變，系統錨桿的間距固定為2.5m不變。假如系統錨桿足夠長，每一根錨桿都能嵌人到穩定巖體中，則任何錨固角度均能起到較好的支護效果。只有當錨桿長度相對短時，才能顯示錨固角的改變對支護作用的影響。為此，取系統錨桿長度為6m，以確定最優錨固角。分別計算錨固角為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°時的穩定系數，計算工況為天然工況，結果見表4和圖3。

由計算結果可知，隨著錨固角的增大，穩定系數呈拋物線變化，峰值處的穩定系數為1.018，對應的錨固角為25°，即為最優錨固角。

采用相同的分析方法確定開挖邊坡1系統錨桿的最優錨固角為23°，開挖邊坡3系統錨桿的最優錨固角為25°。

4 確定最優錨桿長度

穩定性計算中將開挖邊坡2系統錨桿的錨固角設定為最優錨固角25°。非預應力錨桿作為系統錨桿時，長度可為3～15m[16]，計算系統錨桿長度為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15m時的穩定系數，計算工況為天然工況，結果見表5和圖4。

由計算結果可知，系統錨桿的錨固角設定為最優錨固角25°時，穩定系數隨錨桿長度的增大不斷增大，錨桿長度達到11m時，穩定系數達到最大，再繼續增加錨桿長度時，穩定系數保持不變，該錨桿長度為峰值錨桿長度，邊坡的穩定系數為1.159，滿足規范中持久工況安全系數為1.25～1.15的要求，因此該錨桿長度為最優錨桿長度。

利用相同的分析方法，確定開挖邊坡1和開挖邊坡3系統錨桿的最優錨桿長度分別為9m和6m。

5 系統錨桿參數優化設計的效果對比

黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡L1和L2開挖區系統錨桿的原設計參數為錨桿025mm、間排距2.5m、錨固角為10°、長度6m。經過優化后的系統錨桿設計參數分為3種：

（1）開挖邊坡1（人造結構面1，產狀125°∠63°）系統錨桿參數為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為23°、長度9m;

（2）開挖邊坡2（人造結構面2，產狀160°∠63°）系統錨桿參數為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長度11m;

（3）開挖邊坡3（人造結構面3，產狀160°∠63°）系統錨桿參數為錨桿Φ25mm、間排距2.5m、錨固角為25°、長度6m。

按系統錨桿原設計參數和經過優化后的設計參數分別對3種開挖邊坡進行穩定性計算，考慮天然和地震兩種工況，計算結果見表6。

由表6可知，原設計的系統錨桿對開挖邊坡淺表層的支護效果是明顯的，在天然狀態下，將不穩定的淺表層邊坡的穩定系數提高到1.0以上。在不改變原設計錨桿長度的前提下，改變錨固角至最優錨固角，則其穩定系數進一步提高，開挖邊坡3甚至滿足了規范要求的安全系數。如果采用優化后的系統錨桿設計參數進行支護，則天然工況下3種開挖邊坡的淺表層邊坡的穩定系數均大于1.15，滿足規范《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）的要求，對淺表層邊坡的支護作用顯然最有效。

6 結語

為了使系統錨桿對高陡巖質邊坡的加固支護作用最有效，以巖體邊坡為研究對象，提出了基于結構面組合分析的高陡巖質邊坡系統錨桿參數優化設計方法。其設計流程為結構面組合分析一確定最優不利結構面一確定最優錨固角一確定最優錨桿長度。通過對黃藏寺水利樞紐左壩肩高陡巖質邊坡系統錨桿參數進行優化設計，使系統錨桿加固后巖質邊坡穩定系數最大。該方法可對高陡巖質邊坡的系統錨桿進行科學合理的預設計及動態設計，對開挖巖質邊坡產生最有效的支護作用。

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